L'impression 3D, également appelée fabrication additive, est une technologie en pleine évolution. Au début, les concepteurs l'utilisaient pour créer de petites structures en 3D, car c'était un moyen « sympa » de créer des pièces individuelles sur mesure en utilisant leur propre imprimante. Depuis, elle est devenue une technique de fabrication puissante permettant d'imprimer des pièces géométriquement complexes pour un large éventail d'industries. Le champ d'application s'élargit encore car il est désormais possible d'imprimer en 3D à l'échelle nanométrique.
Beaucoup pourraient faire valoir que les méthodes d'impression 3D classiques impliquent de travailler à l'échelle nanométrique, car les structures sont construites en couches atomiques. Même si cela est vrai, le produit résultant (ou la pièce finie) est une structure en vrac. Il est désormais possible d'imprimer en 3D des couches d'atomes et d'obtenir ainsi un nanomatériau, ou une structure de taille nanométrique, sans avoir à produire une structure en vrac comme résultat final. Bien que ce domaine soit relativement nouveau, il pourrait devenir une technique de nanofabrication utile et polyvalente, parallèlement aux autres méthodes de nanofabrication ascendantes courantes, telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et le dépôt de couches atomiques (ALD). Dans cet article, nous expliquons comment les concepteurs peuvent utiliser la lithographie à deux photons pour imprimer des structures 3D à l'échelle nanométrique.
Il est désormais possible d'imprimer des structures à l'échelle nanométrique en utilisant une technique appelée lithographie à deux photons. La lithographie est une catégorie de techniques de fabrication qui consiste à déposer des matériaux sur une surface recouverte d'un masque en résine photosensible. Ce dernier protège certaines zones de la surface tandis que d'autres parties sont gravées selon des motifs et des géométries spécifiques. En général, les techniques lithographiques sont de nature descendante plutôt qu'ascendante.
Un peu différente, la lithographie à deux photons est très utilisée pour créer des architectures complexes de taille nanométrique sur diverses surfaces. Pour imprimer à l'échelle nanométrique, les matériaux utilisés doivent être sous forme liquide et sensibles aux photons de lumière (de préférence pour les photons de la région du proche infrarouge du spectre électromagnétique). À partir de ce point de départ liquide, un laser à haute énergie (souvent pulsé) percute le matériau liquide. L'énergie du laser entraîne la liaison des matériaux liquides (dans de nombreux cas par polymérisation) en absorbant les photons du proche infrarouge, ce qui fait passer le matériau de l'état liquide à l'état solide. Cela permet ensuite la fabrication de la structure solide. Les concepteurs utilisent généralement les photons du proche infrarouge d'un laser pulsé car leur énergie est suffisamment élevée pour induire le changement de phase et la liaison physique du matériau en question. Toutefois, elle n'est pas assez élevée pour endommager le matériau ou provoquer des modifications chimiques sur celui-ci.
Le laser peut effectuer un balayage en trois dimensions autour du matériau de départ liquide, ce qui permet de déterminer l'architecture de l'impression en fonction de l'endroit où il effectue le balayage. Comme de nombreuses autres méthodes lithographiques, un matériau photorésistif, par exemple un masque en résine photosensible, peut également être placé sur certaines zones et mieux diriger la croissance de la structure en trois dimensions. On obtient ainsi un matériau nanostructuré solide construit à partir d'un précurseur liquide, un peu comme l'impression 3D classique mais à plus petite échelle. Cette technique est de plus en plus utilisée pour les matériaux inorganiques et organiques, en particulier les polymères photosensibles, et a commencé à s'étendre aux métaux.
Bien que l'impression 3D suscite beaucoup d'intérêt dans le secteur de la fabrication, son utilisation dans le domaine des nanotechnologies est relativement récente. Si les polymères sont le principal matériau utilisé pour l'impression à l'échelle nanométrique, le nombre de matériaux viables ne cesse d'augmenter. Ce domaine va certainement se développer dans les années à venir et pourrait devenir une technique de nanofabrication bien établie s'il se développe au même rythme que les autres méthodes d'impression 3D. Parmi les applications futures, on peut citer la création de motifs précis à l'échelle nanométrique, la fabrication de nanomatériaux aux structures précises et complexes, la création d'échafaudages moléculaires, et même la fabrication de bits quantiques (qubits) dans des applications d'informatique quantique.