Femtosecond laser-based 3D printing of micro- and nano components in silica glass for optics and energy storage
Tid: Fr 2025-11-28 kl 09.00
Plats: F3, Lindstedtvägen 26
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Lee-Lun Lai , Mikro- och nanosystemteknik
Opponent: Professor Dan M. Marom, Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel
Handledare: Professor Kristinn Gylfason B., Mikro- och nanosystemteknik; Professor Frank Niklaus, Mikro- och nanosystemteknik; Professor Göran Stemme, Mikro- och nanosystemteknik
QC 20251027
Abstract
Denna avhandling utforskar avancerade tillverkningstekniker som använder femtosekundlaserteknik för att utveckla miniatyriserade komponenter inom fotonik och energilagring. Genom att utnyttja de unika egenskaperna hos femtosekundlaserns interaktion med material, särskilt med hydrogen silsesquioxane (HSQ), introduceras här nya strategier för direkt 3D-utskrift av glasmikrostrukturer och högpresterande mikrosuperkondensatorer (MSC:er).
I avhandlingens första del studeras tre distinkta laserinteraktionsregimer, Uniform Mode, Nanograting Mode och Sphere Mode, systematiskt i HSQ. Dessa regimer möjliggör tillverkning av 3D-strukturer av kiseldioxid med olika morfologier och egenskaper. En viktig prestation är den direkta 3D-utskriften av glaskonstruktioner på spetsen av optiska fibrer med hjälp av samtliga tre regimer, vilket visar betydande framsteg i att integrera funktionella mikro-optiska komponenter på fiberbaserade plattformar. Fyra konceptvaliderande fotonikenheter demonstreras: en optisk resonator, en refraktionsindexsensor, en polarisationsstråldelare samt en mikrolins på en fiberspets. Dessa enheter uppvisar utmärkt prestanda och fastställer att direkt femtosekundlaserskrivning (DLW) är ett lovande tillvägagångssätt för integration av glasmikrostrukturer i kompakta och robusta fotoniksystem.
Den andra delen av avhandlingen fokuserar på femtosekundlasertillverkade MSC:er. Två energilagringsenheter har utvecklats. Den första använder en heterogen MXene/PEDOT:PSS-bläckformulering som mönstrats på papperssubstrat via direkt bläckskrivning (DIW) följt av ritsning med femtosekundlaser, vilket resulterar i flexibla, metallfria MSC-serier med hög kapacitans per yta och justerbar spänning. Den andra enheten använder ett 3D-utskrivet nanogitter-skelett med vertikalt orienterade plattor tillverkade i HSQ, följt av konform beläggning med ledande material. Denna design förbättrar jontransporten avsevärt och ökar elektrodytan. Resultatet är en enhet med rekordhög karakteristisk frekvens på 5 .72 kHz samt utmärkt kapacitansstabilitetöver 450 000 cykler, vilket gör den väl lämpad för växelströmsfiltrering i mikroelektronik.
Sammanfattningsvis visar detta arbete att tillverkningstekniker som använder femtosekundlaserteknik erbjuder kraftfulla och mångsidiga möjligheter för tillverkning av miniatyriserade fotoniska och energilagrande komponenter. Kombinationen av additiv 3D-mikrotillverkning, materialomvandling och strukturell kontroll öppnar nya vägar för att integrera funktionella material i kompakta system. Framtida forskning kan fokusera på utökad materialkompatibilitet, utveckling av mer komplexa fotoniska arkitekturer och integration av energilagring med mikroelektroniska kretsar. Tillsammans utgör dessa bidrag en skalbar, exakt och robust tillverkningsplattform för nästa generations mikroenheter.