Разработка аддитивных технологий на основе совмещения двухфотонной фотополимеризации и лазерного пинцета для создания элементной базы фотоники и микроэлектроники

Актуальность проекта обусловлена активным развитием нового поколения технологий создания сложных трехмерных микро- и наноструктур для целого ряда областей, таких как нанофотоника, микрофлюидика, сенсорные приложения, микробиологические ячейки, каркасы для выращивания биологических тканей, активные покрытия, элементы для медицинской диагностики и др. Среди требований, предъявляемых к создаваемым микро- и наноструктурам - возможность работы с жидкими средами, оптическая прозрачность используемых материалов, их биосовместимость и точность изготовления. Еще одной задачей является сочетание в одной и той же структуре составных частей, обладающих сильно отличающимися оптическими свойствами. Возможности существующих в настоящее время методов 3D печати по созданию таких гетерогенных структур в значительной степени ограничены из-за требований, предъявляемых к используемым при печати материалам. Использование оптического лазерного пинцета, в свою очередь, позволяет манипулировать микро- и наночастицами, обладающими различными свойствами – диэлектрическими, металлическими, полупроводниковыми, магнитными и т.д. Однако использование оптического лазерного пинцета для создания трехмерных микро- и нанообъектов сталкивается со сложностями, обусловленными его быстродействием и проблемой создания прочного контакта между собранными частицами. Комбинация многофотонной 3D литографии с оптическим лазерным пинцетом позволит не только создавать трехмерные миро- и наноструктуры, характерные размеры элементов которых ограничены дифракционным пределом, но и размещать в заданных областях таких структур объекты, обладающие магнитными (в том числе – магнитооптическими), люминесцентными, нелинейно-оптическими свойствами. При этом, в отличие от методов осаждения, размещение таких частиц может быть точно заданным. В случае анизотропных магнитных частиц дополнительную возможность по ориентации таких частиц, захваченных оптическим лазерным пинцетом, может дать приложение внешнего управляемого магнитного поля. Кроме того, применение оптического манипулирования субмикро- и наночастицами позволит за счет локализации вблизи них поля повысить разрешение многофотонной литографии. Таким образом, сочетание в одной методике и установке многофотонной 3D литографии с оптическим лазерным пинцетом позволит качественно расширить возможности по созданию микро- и наноструктур с заданным сочетанием пространственно-структурных, оптических, магнитных и гидродинамических свойств.В рамках выполнения проекта будут получены следующие результаты:Созданы экспериментальные установки для манипулирования одиночными микро- и наночастицами с помощью излучения фемтосекундного лазера, с помощью негауссовых пучков и комбинации оптического лазерного пинцета с внешним управляемым магнитным полем. С помощью созданных установок будут созданы основы методик манипулирования металлическими плазмон-активных наночастицами (размером 50-100 нм), а также отдельными магнитными частицами и их агрегатами в средах с различной вязкостью.Оптимизированы методики изготовления трехмерных микро- и наноструктур с помощью двухфотонной фотополимеризации. Оптимизированные методики позволят получать структуры с точным соответствием их формы и размеров компьютерным моделям и реализовать при изготовлении структур максимальное пространственное разрешение. С использованием оптимизированных методик будут изготовлены тестовые образцы планарных (дифракционные решетки, волноводы) и трехмерных (фотонные кристаллы, волноводы) элементов фотоники.Разработана методика получения растворов водорастворимых негативных фоторезистов, содержащих диэлектрические, плазмонные или магнитные микро- и наночастицы и позволяющие манипулировать этими частицами с помощью оптического лазерного пинцета и управляемого магнитного поля.Создан комплекс, позволяющий изготавливать планарные и трехмерные оптически-активные элементы фотоники путем комбинирования оптических схем трехмерной двухфотонной лазерной литографии и оптического лазерного пинцета с независимым управлением положением и параметрами захватывающего и экспонирующего лучей.Определены условия повышения пространственного разрешения трехмерной лазерной литографии за счет использования частиц, манипулирование которыми производится оптическим лазерным пинцетом. В случае диэлектрических частиц повышение разрешения будет достигаться с помощью микролинзирования экспонирующего излучения, а в случае плазмон-активных наночастиц – с помощью возбуждения локальных плазмонов.Проведены эксперименты по созданию плазмон-активных и магнитных планарных и трехмерных элементов фотоники путем встраивания захваченных оптическим лазерным пинцетом функциональных микро- и наночастиц в структуру таких элементов в процессе их изготовления методом трехмерной лазерной литографии. Будут проведены численные расчеты спектров и коэффициентов отражения и пропускания получаемых плазмон-активных и магнитных элементов. Полученные при расчетах результаты будут сравниваться с экспериментальными данными.Таким образом, в результате выполнения проекта будет создан лабораторный комплекс и методики, позволяющие за один заход создавать трехмерные микро- и наноструктуры, содержащие оптически активные элементы, контролируемо располагающиеся в заданных позициях внутри изготавливаемых структур. Разработанные методики обеспечат разработку перспективных аддитивных производственных технологий создания элементной базы фотоники и микроэлектроники.