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Um novo processo desenvolvido no Karlsruhe Institute of Technology (KIT) permite a impressão de estruturas de vidro de quartzo em escala nanométrica diretamente em chips semicondutores. Uma resina híbrida de polímero orgânico-inorgânico é usada como matéria-prima para impressão 3D de dióxido de silício. Como o processo funciona sem sinterização, as temperaturas necessárias são significativamente mais baixas. Simultaneamente, o aumento da resolução permite a nanofotônica de luz visível. Os pesquisadores relatam na Science.
A impressão de estruturas de vidro de quartzo em escala micro e nanométrica a partir de dióxido de silício puro abre muitas novas aplicações em óptica, fotônica e tecnologias de semicondutores. Até agora, os processos têm sido baseados na sinterização convencional. As temperaturas necessárias para a sinterização de nanopartículas de dióxido de silício estão acima de 1100°C, o que é muito quente para deposição direta em chips semicondutores. Uma equipe liderada pelo Dr. Jens Bauer, do Instituto de Nanotecnologia (INT) do KIT, desenvolveu um novo processo para produzir vidro de quartzo transparente com alta resolução e excelentes propriedades mecânicas em temperaturas muito mais baixas.
Resina de Polímero Orgânico-Inorgânico Híbrido como Matéria-prima
Bauer, que chefia o Emmy Noether Junior Research Group “Nanoarchitected Metamaterials” no KIT, e seus colegas da University of California, Irvine e a empresa Edwards Lifesciences em Irvine apresentam o processo em Ciência. Eles usam uma resina polimérica orgânica-inorgânica híbrida como matéria-prima. Essa resina líquida consiste nas chamadas moléculas de silsesquioxano poliédrico oligomérico (POSS), que são pequenas moléculas de dióxido de silício semelhantes a gaiolas equipadas com grupos funcionais orgânicos.
Depois de reticular o material por meio de impressão 3D para formar uma nanoestrutura 3D, ele é aquecido a 650°C ao ar para remover os componentes orgânicos. Ao mesmo tempo, as gaiolas POSS inorgânicas coalescem e formam uma microestrutura ou nanoestrutura contínua de vidro de quartzo. A temperatura necessária para esse fim é apenas metade da temperatura necessária para processos baseados na sinterização de nanopartículas.
As estruturas permanecem estáveis mesmo sob condições químicas e térmicas desafiadoras
“A temperatura mais baixa permite a impressão de forma livre de estruturas de vidro robustas de grau óptico com a resolução necessária para nanofotônica de luz visível, diretamente em chips semicondutores”, explica Bauer. Além de uma excelente qualidade ótica, o vidro de quartzo produzido possui excelentes propriedades mecânicas e pode ser facilmente processado.
Os pesquisadores de Karlsruhe e Irvine usaram a resina POSS para imprimir várias nanoestruturas, incluindo cristais fotônicos independentes, feixes de 97 nm de largura, microlentes parabólicas e uma microobjetiva de múltiplas lentes com elementos nanoestruturados. “Nosso processo produz estruturas que permanecem estáveis mesmo sob condições químicas ou térmicas adversas”, diz Bauer.
“O grupo INT liderado por Jens Bauer está associado ao 3DMM2O Cluster of Excellence”, disse o professor Oliver Kraft, vice-presidente de pesquisa da KIT. “Os resultados da pesquisa agora publicados na Science são apenas um exemplo de como os pesquisadores em estágio inicial são apoiados com sucesso no cluster”. 3D Matter Made to Order, ou 3DMM2O para abreviar, é um Cluster de Excelência conjunto da KIT e da Heidelberg University. Ele busca uma abordagem altamente interdisciplinar, combinando ciências naturais e engenharia. Destina-se a elevar a fabricação de aditivos 3D para o próximo nível – do nível de moléculas até as dimensões macroscópicas.
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