Zwei-Photonen-Lithographie

Beim 3D-Druck mit Zwei-Photonen-Lithographie handelt es sich um ein Verfahren der Photopolymerisation. Mit dieser Methode können hochpräzise 3D-Mikrostrukturen hergestellt werden. Es sind Auflösungen bis unter 25 nm^[1] möglich. Das Verfahren wurde 1997 von Shoji Maruo, Osamu Nakamura und Satoshi Kawata an der Universität Osaka entwickelt.^[2] Das Verfahren ist auch unter dem Namen Laserdirektschreiben, Zwei-Photonen-Polymerisation und Multi-Photonen-Druck bekannt.

Bei der Herstellung von Strukturen in der Zwei-Photonen-Lithographie werden Photopolymere verwendet. Diese Materialien haben die Eigenschaft unter Lichteinstrahlung auszuhärten. Die Wellenlänge, die zu einer Aushärtung führt, ist vom verwendeten Material bzw. dem genutzten Photoinitiator abhängig.

Unter Polymerisation versteht man eine Kettenreaktion, in der Moleküle zu Makromolekülen (Polymere) verknüpft werden. Durch diesen Prozess entsteht aus einem Gemisch von Monomeren (Einzelmoleküle) ein ausgehärteter, verketteter Kunststoff. Grundsätzlich lässt sich der 3D-Druck mit Zwei-Photonen-Lithographie mit der Stereolithographie vergleichen. Der Unterschied zur Stereolithographie liegt in der Interaktion mit den anregenden Photonen. Bei dieser Interaktion findet eine Absorption der Photonen an der Oberfläche statt und das Photoresist wird an der Oberfläche ausgehärtet. Die Intensität nimmt entsprechend dem Gesetz von Beer-Lambert mit zunehmender Eindringtiefe ab. Bei der Zwei-Photonen-Lithographie müssen zwei Photonen gleichzeitig aufgenommen werden, um das Molekül in den angeregten Zustand zu überführen. Die hierfür erforderliche Dichte an Photonen kann nur im Fokuspunkt des Objektives und nur mittels eines ultrakurz gepulsten Laserstrahles im Femtosekundenbereich erreicht werden.^[3]

Mit Hilfe der Zwei-Photonen-Lithographie können dreidimensionale Teile in Nano-Präzision hergestellt werden. Durch Ablenkung des Laserstrahles mittels beweglicher Spiegel kann die Polymerisationsreaktion im Photoresist gelenkt werden. Dies kann über galvanische Scanner oder über die Bewegung des Bettes passieren, auf dem sich das Photoresist befindet. Der Ablauf der Belichtung kann wie in anderen additiven Fertigungsverfahren schichtweise geschehen, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Da das Harz nur beim Brennpunkt des Laserstrahls reagiert (→ Zwei-Photonen-Absorption), kann der Strahl durch mehrere Schichten gelenkt werden, wobei nur die gewünschte Schicht erhärtet. Außerdem wird er sehr stark fokussiert, sodass es möglich ist, Teile im Harz zu erhärten, die einen Durchmesser von weniger als einen Zehntausendstelmillimeter haben (100 nm).^[4] Nicht nur die Präzision wurde durch dieses Druckverfahren revolutioniert. Die Steuerung der Spiegel, die den Laserstrahl lenken, arbeitet mit einer hohen Geschwindigkeit, so dass in nur wenigen Minuten hundert Schichten gedruckt werden können.

Als Photopolymere werden Epoxide, Hybridpolymere und auch Hydrogele verwendet. Zur Initiierung der Polymerisationsreaktion werden Photoinitiatoren genutzt, die zum Teil für die Zwei-Photonen-Lithographie entwickelt wurden. Es ist jedoch auch möglich, ohne Photoinitiator eine Polymerisation zu starten.^[5] Durch Zugabe von Nanopartikeln oder der Nutzung eines Hybridpolymeres ist es möglich, auch keramische^[6] oder präkeramische Strukturen^[7] herzustellen.

• A. Gebhardt: Rapid Prototyping, Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung. Carl Hanser Verlag, München Wien 1996.
• A. Gebhardt: Understanding Additive Manufacturing. Carl Hanser Verlag München Wien 2012.
• P. Fastermann: 3D-Druck / Rapid Prototyping, Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2012.

• Torsten Abel: Zwei-Photonen-Polymerisation zur Erzeugung mikrostrukturierter 3D-Freiformtargets für die Laser-Ionen-Beschleunigung. Technische Universität Darmstadt 2018. Online verfügbar (CC BY-NC-ND 4.0)
• Carsten Eschenbaum: Zwei-Photonen-Lithografie zur Herstellung optofluidischer Systeme. Karlsruher Institut für Technologie 2016. Online verfügbar (CC BY-SA 3.0 DE)
• Anika Trautmann: Zwei-Photonen-Polymerisation als Methode zur Herstellung medizintechnischer Funktionselemente. Technische Universität Darmstadt 2018. Online verfügbar (CC BY-SA 4.0)

1. ↑ Dengfeng Tan, Yan Li, Fengjie Qi, Hong Yang, Qihuang Gong, Xianzi Dong, Xuanming Duan: Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500. In: Applied Physics Letters. Band 90, Nr. 7, 12. Februar 2007, ISSN 0003-6951, S. 071106, doi:10.1063/1.2535504 (scitation.org [abgerufen am 5. Dezember 2022]). 
2. ↑ Shoji Maruo, Osamu Nakamura, Satoshi Kawata: Three-dimensional microfabrication with two-photon-absorbed photopolymerization. In: Optics Letters. Band 22, Nr. 2, 15. Januar 1997, ISSN 1539-4794, S. 132–134, doi:10.1364/OL.22.000132 (optica.org [abgerufen am 5. Dezember 2022]). 
3. ↑ Edvinas Skliutas, Migle Lebedevaite, Elmina Kabouraki, Tommaso Baldacchini, Jolita Ostrauskaite, Maria Vamvakaki, Maria Farsari, Saulius Juodkazis, Mangirdas Malinauskas: Polymerization mechanisms initiated by spatio-temporally confined light. In: Nanophotonics. Band 10, Nr. 4, 1. Januar 2021, ISSN 2192-8614, S. 1211–1242, doi:10.1515/nanoph-2020-0551 (degruyter.com [abgerufen am 5. Dezember 2022]). 
4. ↑ 3D-Drucker mit Nano-Präzision Abgerufen am 30. November 2022
5. ↑ Sima Rekštytė, Linas Jonušauskas, Albertas Žukauskas, Gediminas Gervinskas, Mangirdas Malinauskas, Saulius Juodkazis: Three-dimensional nanostructuring of polymer materials by controlled avalanche using femtosecond laser pulses. In: Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XIV. Band 8972. SPIE, 7. März 2014, S. 274–282, doi:10.1117/12.2040971 (spiedigitallibrary.org [abgerufen am 5. Dezember 2022]). 
6. ↑ Johanna Christiane Sänger, Brian Richard Pauw, Birte Riechers, Andrea Zocca, Julian Rosalie, Robert Maaß, Heinz Sturm, Jens Günster: Entering A New Dimension in Powder Processing for Advanced Ceramics Shaping. In: Advanced Materials. 29. November 2022, ISSN 0935-9648, S. 2208653, doi:10.1002/adma.202208653 (wiley.com [abgerufen am 5. Dezember 2022]). 
7. ↑ M. I. Sharipova, T. G. Baluyan, K. A. Abrashitova, G. E. Kulagin, A. K. Petrov, A. S. Chizhov, T. B. Shatalova, D. Chubich, D. A. Kolymagin, A. G. Vitukhnovsky, V. O. Bessonov, A. A. Fedyanin: Effect of pyrolysis on microstructures made of various photoresists by two-photon polymerization: comparative study. In: Optical Materials Express. Band 11, Nr. 2, 1. Februar 2021, ISSN 2159-3930, S. 371, doi:10.1364/OME.416457 (optica.org [abgerufen am 5. Dezember 2022]).