La fabrication additive (FA) utilisant la lithographie par polymérisation à deux photons (TPP) est de plus en plus utilisée dans l’industrie et la recherche. Actuellement, une contrainte majeure du TPP en général et du matériau IP-Q en particulier (Nanoscribe GmbH, Allemagne) est l’accès limité des utilisateurs aux connaissances sur les propriétés des matériaux. En raison de la nature du processus, les propriétés élastiques en particulier dépendent non seulement du matériau utilisé, mais également de la taille de la structure, du processus et des paramètres de fabrication. Par exemple, avant les recherches récemment publiées dans le Journal des microsystèmes optiquesaucune valeur de degré de conversion (DC) et de module de Young (E) pour IP-Q n’a été rapportée.
En raison de la nature du processus, les propriétés élastiques en particulier dépendent non seulement du matériau utilisé, mais également de la taille de la structure, des paramètres du processus et de la stratégie d’éclosion. Une approche courante utilise une combinaison de spectroscopie Raman et de nanoindentation pour caractériser le DC du monomère au polymère mesurable via la spectroscopie Raman, qui peut ensuite être liée au comportement mécanique du matériau, mesurable via la nanoindentation.
Les recherches en cours sur les métaréseaux acoustiques et les métamatériaux fabriqués sur MEMS bénéficieraient de paramètres élastiques optimisés pour permettre l’ajustement du comportement acoustique, car ils affectent directement l’impédance acoustique caractéristique. La FA englobe des processus avec lesquels des objets peuvent être créés en trois dimensions à partir d’un dessin technique. Les données sont envoyées à un système AM, qui effectue ensuite la fabrication. La FA via TPP est basée sur le durcissement sélectif d’un précurseur liquide pour créer des structures solides à l’intérieur d’une goutte de monomère. Ensuite, le liquide restant est lavé. Les applications TPP bien connues sont les structures optiques submicroniques, où le photoresist IP-Dip (Nanoscribe GmbH, Allemagne) est couramment utilisé. La résine photosensible IP-Q, plus récemment développée, a été conçue par le même fabricant pour des applications plus importantes, par exemple des supports, des moules et des métamatériaux structuraux. Des structures d’échantillons de chacun des deux photoresists ont été produites dans des balayages de paramètres. Cela permet la comparaison des paramètres de processus aux caractéristiques résultantes. La spectroscopie Raman a été utilisée, qui est une méthode d’analyse sans contact pour la caractérisation des matériaux dans laquelle la lumière monochromatique est diffusée sur le matériau.
La réflexion comprend non seulement la longueur d’onde irradiée mais également la diffusion Raman. Les pics caractéristiques du spectre de diffusion Raman peuvent être utilisés pour l’identification de substances chimiques. Dans notre travail, il a été utilisé pour déterminer le rapport monomère sur polymère – ou DC – dans les échantillons de TPP.
Des micro- et nano-indentations ont été utilisées pour tester les propriétés mécaniques des échantillons. Une pointe dure dont les propriétés mécaniques sont connues est enfoncée dans l’échantillon dont les propriétés sont inconnues. À partir de la pente de la courbe charge/déplacement, les valeurs E ont été calculées.
Enfin, les balayages de paramètres des structures d’échantillons cuboïdes fabriquées à l’aide de TPP ont été étudiés à travers les paramètres de puissance laser et de vitesse de balayage pour trouver des propriétés dépendantes. Les résines photosensibles utilisées ont été examinées en utilisant la spectroscopie Raman pour trouver le DC du monomère au polymère, puis la micro- ou la nano-indentation a été utilisée pour trouver E.
Pour IP-Dip, les DC et E atteints variaient de 20 à 45 % et de 1 à 2,1 GPa, respectivement. Les résultats ont été comparés aux rapports trouvés dans la littérature. Pour IP-Q, les DC et E atteints variaient de 53 à 80 % et de 0,5 à 1,3 GPa, respectivement. Les propriétés caractérisées de l’IP-Q se manifestent comme l’état actuel des connaissances du matériau.
« Par ce moyen, offrir une approche pour optimiser les paramètres élastiques des structures fabriquées en TPP sera bénéfique pour divers sujets de recherche en cours. Une application prometteuse pour cette méthode est la caractérisation des paramètres élastiques des métaréseaux acoustiques et des métamatériaux fabriqués sur MEMS. Ces dispositifs peut ensuite être mis en œuvre de manière bénéfique dans les sciences de la vie, la mobilité et les applications industrielles », a déclaré Severin Schweiger de l’Institut Fraunhofer des microsystèmes photoniques et de l’Université de technologie de Brandebourg en Allemagne.
Severin Schweiger et al, Caractérisation des structures de lithographie à polymérisation à deux photons via la spectroscopie Raman et la nanoindentation, Journal des microsystèmes optiques (2022). DOI : 10.1117/1.JOM.2.3.033501
Fourni par SPIE – Société internationale d’optique et de photonique