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3D-Druck von Glas im Nanometerbereich Transparentes Quarzglas sinterfrei 3D-gedruckt

Quelle: Pressemitteilung 1 min Lesedauer

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KIT Karlsruher Institut für Technologie
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Bechtle PLM Deutschland GmbH

Bisher müssen additiv gefertigte Glasstrukturen, deren Materialien Siliziumdioxid-Nanopartikel enthalten, bei über 1.100 Grad Celsius gesintert werden. Ein am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeltes 3D-Druck-Verfahren kommt nun mit 650 Grad Celsius aus. Dank eines eigens entwickelten Polymerharzes.

Mit dem eigens entwickelten organisch-anorganischen Polymerharz lässt sich eine große Vielfalt von Quarzglasstrukturen im Nanometermaßstab erzeugen. Darunter photonische Kristalle aus freistehenden, 97 Nanometer starken Balken, parabolische Mikrolinsen und ein mehrlinsiges Mikroobjektiv mit nanostrukturierten Elementen.(Bild: Dr. Jens Bauer - KIT)
Mit dem eigens entwickelten organisch-anorganischen Polymerharz lässt sich eine große Vielfalt von Quarzglasstrukturen im Nanometermaßstab erzeugen. Darunter photonische Kristalle aus freistehenden, 97 Nanometer starken Balken, parabolische Mikrolinsen und ein mehrlinsiges Mikroobjektiv mit nanostrukturierten Elementen.
(Bild: Dr. Jens Bauer - KIT)

Der 3D-Druck von mikro- und nanometerfeinen Strukturen aus reinem Siliziumdioxid bestehendem Quarzglas eröffnet neue Möglichkeiten für viele Anwendungen in Optik, Photonik und Halbleitertechnik. Doch bis jetzt dominieren dabei Techniken, die auf dem traditionellen Sintern basieren. Die für das Sintern von Siliziumdioxid-Nanopartikeln erforderlichen Temperaturen liegen über 1.100 Grad Celsius – viel zu heiß für das direkte Abscheiden auf Halbleiterchips. Ein Forschungsteam unter Leitung von Dr. Jens Bauer vom Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT hat nun ein neues Verfahren entwickelt, transparentes Quarzglas mit hoher Auflösung bei deutlich niedrigeren Temperaturen herzustellen.

Wie das KIT mitteilt, dient ein eigens entwickeltes organisch-anorganisches Polymerharz als Ausgangsmaterial. Dieses flüssige Harz besteht aus sogenannten polyedrischen oligomeren Silsesquioxan-Molekülen (POSS). Das sind winzige käfigartige Siliziumdioxidmoleküle, die mit organischen funktionellen Gruppen versehen sind. Sobald die vollständig in 3D gedruckte und vernetzte Nanostruktur geformt ist, wird sie laut KIT an der Luft auf eine Temperatur von 650 Grad Celsius erhitzt. Dabei werden die organischen Komponenten ausgetrieben, und gleichzeitig verbinden sich die anorganischen POSS-Käfige, sodass eine durchgehende Mikro- oder Nanostruktur aus Quarzglas entsteht. Die erforderliche Temperatur sei hier mit 650 Grad Celsius nur halb so hoch wie bei Verfahren, die auf dem Sintern von Nanopartikeln beruhen.

Die niedrigere Temperatur erlaube es, robuste, transparente und frei geformte optische Glasstrukturen direkt auf Halbleiterchips zu drucken – und zwar mit der für die Nanophotonik mit sichtbarem Licht erforderlichen Auflösung.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Science

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