طباعة ضوئية ضوئية بتقنية LED بالأشعة فوق البنفسجية للمكونات الفوتونية الوظيفية عالية الدقة

ملخص: يُعزى تقدم تقنيات البنى الدقيقة والنانوية في مجال البصريات إلى الطلب على التصغير المستمر والدقة الهندسية العالية للأجهزة الفوتونية والأنظمة المتكاملة. في هذا البحث، تُعرض تقنية الطباعة الضوئية الإسقاطية بتقنية الصمامات فوق البنفسجية (UV-LED) كنهج بسيط ومنخفض التكلفة لتوليد بنى دقيقة ونانوية بصرية ثنائية الأبعاد بسرعة عالية الدقة والوضوح باستخدام البصريات القياسية فقط. يُمكّن النظام المُطور من إسقاط أنماط البنية على ركيزة مع إزالة التكبير بمقدار 1000 ضعف. وقد تم بنجاح تحضير أجهزة فوتونية، مثل الموجهات الموجية والمرنانات الحلقية الدقيقة، على ركائز صلبة أو مرنة ذات تعقيد هندسي متفاوت وأبعاد هيكلية إجمالية تتراوح من مقياس النانومتر إلى السنتيمتر. وعلى وجه الخصوص، تم تحقيق شبكات عالية الدقة بأحجام خصائص تصل إلى 150 نانومتر وفترات زمنية تصل إلى 400 نانومتر لأول مرة من خلال هذا النهج. كما تم تصنيع الموجهات الموجية من مواد فعالة بالليزر مُشَوَّبة، وتم الكشف عن انبعاثها التلقائي. إن الأداء المتفوق الذي تم إثباته للنهج المتطور قد يجد تطبيقات واسعة في مجال الفوتونيات، والبلازمونات، وعلوم المواد البصرية، وغيرها.

مقدمة: مدفوعًا بالطلب المتزايد على التصغير والتكامل الدقيق للإنتاج، طُوّرت تقنيات تصنيع متقدمة قائمة على الطباعة الحجرية على نطاق واسع خلال العقود القليلة الماضية لإنتاج أجهزة بصرية وفوتونية بأبعاد مصغّرة ودقة عالية. حتى الآن، يُمكن تحضير عناصر دقيقة ونانووية عالية الدقة، مثل الموجهات الموجية 1-3، والشبكات 4-6، والمرنانات الحلقية 7-9، والمقسمات 10،11، والمفاتيح البصرية 12-14، والتي تُشكّل دوائر أو شبكات متكاملة متقدمة، باستخدام الطباعة الحجرية ثنائية الفوتون 15-17، والطباعة الحجرية بحزمة الإلكترونات 18-20، والطباعة الحجرية بحزمة الأيونات 21،22، أو الطباعة الحجرية النانوية 23،24، على نطاق المختبر. تُظهِر أنظمة التصنيع القائمة على الطرق الثلاث الأولى أداءً ممتازًا في الهيكلة عالية الجودة والدقة، إلا أنها باهظة الثمن ومحدودة بانخفاض إنتاجيتها. تُمكّن الطباعة الحجرية النانوية من هيكلة عالية الدقة بتكلفة منخفضة وإنتاجية عالية. إلا أن القوالب الدقيقة اللازمة للتكرار تحد من مرونتها وتتطلب استثمارات مالية وزمنية إضافية25. هناك تقنية أخرى، وهي الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV)، تُنتج هياكل عالية الجودة والدقة. أصغر حجم للميزات في هذه التقنية أقل من 10 نانومتر26،27. ومع ذلك، تُستخدم هذه التقنية بشكل رئيسي في الإنتاج الضخم للرقائق الإلكترونية الدقيقة المتكاملة، وتبلغ تكلفة نظام الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى التجاري أكثر من 100 مليون يورو، وهو أمر باهظ التكلفة. كما يجري تطوير الطباعة الحجرية الضوئية التلامسية على نطاق المختبر28،29 والطباعة الحجرية الضوئية الإسقاطية30-33 للهيكلة الدقيقة والنانوية، إلا أن هذه الطرق لم تحقق دقة إلا على مقياس الميكرومتر حتى الآن. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب الطباعة الضوئية التلامسية استخدام محاذاة قناع التلامس باهظة الثمن، كما أن دقة ووضوح النمط على قناع التصوير الضوئي هي نفسها تلك المنتجة على الهيكل المستهدف، حيث يتم نقل النمط مباشرة إلى

ركيزة بدون إزالة التكبير. عادةً ما تستخدم الطباعة الحجرية الإسقاطية المتوفرة حاليًا مصباح زئبقي كمصدر للضوء، مما يتطلب نظام تبريد ضخمًا ويؤدي إلى تكلفة أعلى. لتحسين قدرات إنتاج الطباعة الحجرية الإسقاطية البصرية على المقياسين المجهري والنانوي، وتقليل تكلفة وحجم أدوات التصنيع، نقدم تقنية الطباعة الحجرية الضوئية الإسقاطية المجهرية بالأشعة فوق البنفسجية (MPP)، وهي طريقة تصنيع تستخدم الضوء لنقل نمط إلى ركيزة باستخدام عدسة مجهر قياسية؛ وتُعد هذه التقنية بديلاً فعالاً لتصنيع مكونات فوتونية عالية الجودة. طُوّر نظام طباعة ضوئية ضوئية ضوئية بالأشعة فوق البنفسجية (MPP) بسيط ومنخفض التكلفة كخطوة متقدمة، وقد أُثبتت قدراته في التوليد السريع والدقيق لهياكل دقيقة ونانوية ثنائية الأبعاد عالية الدقة. في نظام MPP المُطوّر، طُبّقت عدسات أنبوبية وجُمعت بهدف إنشاء نظام بصري مُصحّح لللانهاية لتقليل انحرافات التصوير التي تؤثر بشكل كبير على جودة الهياكل المُصنّعة. طُوِّرت عمليات التركيز التلقائي والخياطة لتمكين أتمتة النظام وتحقيق هيكلة مساحات واسعة. وبفضل هذا النهج التصنيعي، تم لأول مرة تصنيع شبكات حيودية عالية الدقة بأحجام خصائص تصل إلى 150 نانومترًا وأطوال موجية تبلغ 400 نانومتر. علاوة على ذلك، تم بنجاح تصنيع هياكل دقيقة واسعة المساحة بمقياس المليمتر والسنتيمتر، وعناصر على ركائز صلبة ومرنة، وهياكل دقيقة مصنوعة من بوليمرات ضوئية مدمجة بمادة نشطة بالليزر، وهي هياكل لم تُبلَّغ عنها بعد. وعلى وجه الخصوص، يُمهد استخدام البوليمرات المُشَوَّبة بمادة نشطة بالليزر الطريق أمام ابتكار أجهزة فوتونية نشطة جديدة لتطبيقات متنوعة. تُظهر النتائج المُحصّلة بوضوح أن أسلوب MPP المُطوّر يُعدّ أداةً فعّالة لتصنيع بصري سريع ومرن وعالي الدقة. النتائج: باستخدام أسلوب MPP المُطوّر، تم إنجاز هياكل بصرية دقيقة ونانويّة باتباع ثلاث خطوات رئيسية، تشمل الإجراءات بدءًا من تصميم الهيكل وحتى تصنيعه على الركائز. طُوّر نظامان، هما الطباعة الضوئية الإسقاطية Tessar (TPP) وتقنية MPP، لإعداد أقنعة ضوئية من الكروميوم ذات أنماط، وتصنيع الهياكل المطلوبة، على التوالي. يرد وصفٌ مُفصّل ورسومٌ تخطيطية لكلا النظامين في قسم المواد والطرق. لإثبات قدرات هذا النهج، أُنتجت هياكل دقيقة ونانوية متنوعة ذات أشكال هندسية وأبعاد وركائز ومواد مختلفة. في الخطوة الأولى (الشكل 1)، صُنعت هياكل أحادية الوضع ذات تعقيد هندسي متنوع (الموجهات الموجية المستقيمة والمتقاطعة)، والتي تحتوي على مجموعة من الموجهات الموجية أحادية الوضع المتقاطعة ذات أشكال هندسية وأحجام سمات مختلفة. صُنعت الهياكل من مادة حساسة للضوء، عضوية وغير عضوية، منخفضة الانكماش، مُصنّعة ذاتيًا،34، وصُنعت على

https:// rdcu.be/cYvqz