Die additive Fertigung (AM) mit Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie (TPP) wird zunehmend in Industrie und Forschung eingesetzt. Derzeit ist eine große Einschränkung von TPP im Allgemeinen und speziell des Materials IP-Q (Nanoscribe GmbH, Deutschland) der begrenzte Zugang der Benutzer zu Wissen über Materialeigenschaften. Insbesondere die elastischen Eigenschaften hängen verfahrensbedingt nicht nur vom verwendeten Material, sondern auch von Strukturgröße, Prozess- und Fertigungsparametern ab. Zum Beispiel vor kürzlich in der veröffentlichten Forschungsergebnissen Zeitschrift für optische Mikrosystemewurden keine Werte für den Umwandlungsgrad (DC) und den Elastizitätsmodul (E) für IP-Q berichtet.
Insbesondere die elastischen Eigenschaften hängen prozessbedingt neben dem verwendeten Material auch von Strukturgröße, Prozessparametern und Schlupfstrategie ab. Ein gängiger Ansatz verwendet eine Kombination aus Raman-Spektroskopie und Nanoindentation, um den DC von Monomer zu Polymer zu charakterisieren, der über Raman-Spektroskopie messbar ist, der dann mit dem mechanischen Verhalten des Materials in Beziehung gesetzt werden kann, das über Nanoindentation messbar ist.
Die laufende Forschung zu akustischen Metagittern und auf MEMS hergestellten Metamaterialien würde von optimierten elastischen Parametern profitieren, um eine Einstellbarkeit des akustischen Verhaltens bereitzustellen, da sie die charakteristische akustische Impedanz direkt beeinflussen. AM umfasst Verfahren, mit denen Objekte aus einer technischen Zeichnung dreidimensional erstellt werden können. Die Daten werden an ein AM-System gesendet, das dann die Fertigung durchführt. AM über TPP basiert auf der selektiven Aushärtung eines flüssigen Vorläufers, um feste Strukturen in einem Monomertropfen zu erzeugen. Anschließend wird die übrig gebliebene Flüssigkeit weggespült. Bekannte TPP-Anwendungen sind optische Submikron-Strukturen, bei denen üblicherweise der Fotolack IP-Dip (Nanoscribe GmbH, Deutschland) verwendet wird. Der neuere Photoresist IP-Q wurde vom selben Hersteller für größere Anwendungen entwickelt, z. B. Halterungen, Formen und strukturelle Metamaterialien. Musterstrukturen von jedem der beiden Fotolacke wurden in Parameterdurchläufen hergestellt. Dies ermöglicht den Vergleich von Prozessparametern mit den resultierenden Kennwerten. Zum Einsatz kam die Raman-Spektroskopie, ein berührungsloses Analyseverfahren zur Materialcharakterisierung, bei dem monochromatisches Licht am Material gestreut wird.
Die Reflexion umfasst neben der eingestrahlten Wellenlänge auch die Raman-Streuung. Die charakteristischen Peaks des Raman-Streuspektrums können zur Identifizierung chemischer Substanzen verwendet werden. In unserer Arbeit wurde es verwendet, um das Verhältnis von Monomer zu Polymer – oder DC – in den TPP-Proben zu bestimmen.
Mikro- und Nanoindentation wurden verwendet, um die mechanischen Eigenschaften der Proben zu testen. Eine harte Spitze, deren mechanische Eigenschaften bekannt sind, wird in die Probe gepresst, deren Eigenschaften unbekannt sind. Aus der Steigung der Belastungs-Verschiebungs-Kurve wurden E-Werte berechnet.
Schließlich wurden Parameter-Sweeps von quaderförmigen Probenstrukturen, die mit TPP hergestellt wurden, über die Parameter Laserleistung und Scangeschwindigkeit hinweg untersucht, um abhängige Eigenschaften zu finden. Die verwendeten Fotolacke wurden mit Raman-Spektroskopie untersucht, um den DC von Monomer zu Polymer zu finden, und anschließend wurden Mikro- oder Nanoindentation verwendet, um E.
Für IP-Dip reichten die erreichten DC und E von 20 bis 45 % bzw. 1 bis 2,1 GPa. Die Ergebnisse wurden mit Berichten aus der Literatur verglichen. Für IP-Q reichten die erreichten DC und E von 53 bis 80 % bzw. 0,5 bis 1,3 GPa. Die charakterisierten Eigenschaften von IP-Q manifestieren sich als aktueller Wissensstand des Materials.
„Auf diese Weise wird das Angebot eines Ansatzes zur Optimierung der elastischen Parameter von TPP-hergestellten Strukturen für verschiedene laufende Forschungsthemen von Vorteil sein. Eine vielversprechende Anwendung für diese Methode ist die Charakterisierung der elastischen Parameter von akustischen Metagittern und Metamaterialien, die auf MEMS hergestellt werden. Diese Geräte anschließend nutzbringend in den Bereichen Life Science, Mobilität und Industrie eingesetzt werden können“, sagt Severin Schweiger vom Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme und der Brandenburgischen Technischen Universität in Deutschland.
Severin Schweiger et al, Charakterisierung von Zwei-Photonen-Polymerisations-Lithographiestrukturen mittels Raman-Spektroskopie und Nanoindentation, Zeitschrift für optische Mikrosysteme (2022). DOI: 10.1117/1.JOM.2.3.033501
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