采用噴墨打印技術制造出的光波導

  需求背景

  由于該新型噴墨打印技術可用于制造電子和微流體，研究團隊相信亦能實現光電傳感器等器件的制造。這些光電傳感器可用于健康監測和芯片上實驗室器件的制造(在這些器件中能夠在一個小型電路或芯片上集成和自動化操作多個實驗室功能)。

  面臨挑戰

CSEM的Fabian Lütolf說：“使用噴墨打印技術，打印的位置和尺寸均可設定，也沒有材料的浪費。但墨水的表面張力使其難以打印有特定高度的線條，而這對于波導的制造是必須的。”Lütolf解釋道，由于表面張力，沉積在襯底上的墨水往往鼓起或分離，但我們的兩步技術方法能夠將該點轉化為一個技術優勢。

技術核心

研究人員表示沉積墨水分為兩步，而非一步，以實現對有特定高度、具有更平滑特性的線條的打印。研究人員打印了被稱為釘帽(pinning cap)的小液滴。這些球形帽可釘住在第二步打印中由墨水形成的液體橋，制造出能夠固定墨水和阻止在打印線條中出現鼓起的結構。在沉積了一系列液滴后，第二步驟中的墨水打印通過在第一步打印液滴間進行自對準以減小其表面能量。

技術優勢

與此前的墨水打印方法不同，研究人員不需要預先定義襯底圖形，可增加可用設計空間和簡化制造。除了在兩點之間打印出直線，研究人員表示該技術能夠用于連接三點或更多交叉點來制造更多角度。該技術可打印由丙烯酸類高聚物組成的2.5維光波導，也能夠使用其他金屬墨水來制造電子或滿足生物可降解應用的蔗糖混合物。

成果評估

為了評估新的打印方法，研究人員制造出一個120毫米寬、31毫米高的聚合物波導。經過測量，波導的光損失為0.91dB/cm，只比現有使用光刻技術制造出的波導高一個數量級。Lütolf說：“波導能夠在短距離進行光傳輸，而不是整個網絡，對于這樣的應用可以容忍現有損失水平。”

技術缺陷

研究人員表示，可實現的最小波導受限于噴頭所碰觸的墨水滴尺寸。對于研究所用打印機，最小波導約為40微米，高度約為10微米。Lütolf說：“在我們現有材料和硬件的組合中，無法制造出小于10微米的波導，而這是單模傳輸的典型要求，但是我們已經很接近了。不過，并沒有基礎性物理限制來阻止我們打印單模波導。”Lütolf表示，一些研究團隊已經驗證電流體動力學打印可實現亞微米范圍的打印能力，并相信有望通過將這些噴墨打印技術的組合來制造出單模波導。

意義

Lütolf.說：“噴墨打印不需要光刻技術所需的掩膜版，更易于連接器件。而且，如果你希望能夠更快測試一個想法或改變一個參數，增材制造方法如噴墨打印只需要改變數字設計。”

Lütolf說：“我們的方法可使用單個噴頭制造出帶有多個功能的器件，為在芯片上制造出整個集成的電路鋪平道路。”這意味著光電器件能夠附著到柔性混合電子器件上，光源或探測器等光子器件也能夠集成到打印的光子電路中。

下一步工作

研究團隊正尋求優化打印方法和墨水，以進一步減少波導的光損失。他們還尋求將打印過程更適用于大規模制造，并最終實現商業制造。