Proponemos realizar un proceso de nanofabricación original basado en el principio de litografía óptica no-lineal (“2-photon lithography”) por láser barrido, y aplicarlo en la fabricación de dispositivos fotónicos y micromecánicos (MEMS). Esto tendrá aportaciones no solo en el entendimiento de los procesos físicos involucrados en el proceso, sino también aportará un laboratorio abierto a investigadores de la UNAM para la nanofabricación completa de dispositivos de polímero trasparente y de metales. Después de una etapa de investigación, se usará el proceso para dos desarrollos tecnológicos: accellerómetros de alta sensibilidad con lectura puramente óptica, y una selección de componentes de óptica integrada como microlentes, guías de onda, útiles en investigación y en dispositivos para telecomunicaciones. En este proyecto se contempla hacer uso de un instrumento ya desarrollado por el responsable con el apoyo de un proyecto PAPIIT previo, en que se demostró la litografía óptica no-lineal con resolución sub-micrométrica, para investigar y desarrollar materiales photoresist para nanolitografía. Se propone combinarlo con técnicas de crecimiento de películas delgadas para poder fabricar dispositivos sub-micrométricos híbridos de polímeros y de metales. Considerando los antecedentes de esta línea de trabajo y la infraestructura existente, se solicita el apoyo de PAPIIT/DGAPA en la formación de recursos humanos y en la adquisición de materiales necesarios para completar un laboratorio de nanofabricación y llevar a cabo los trabajos de tesis. Al largo plazo, la instrumentación desarrollada será de utilidad en campos más amplios de la nanociencia y nanotecnología.

La fabricación sobre medida de estructuras en escala nanométrica es una parte fundamental e indispensable de las nanociencias. En general, existen dos esquemas de nanofabricación: la fabricación con procesos químicos en que el producto es un número macroscópico de nanoestructuras depositados de manera aleatoria o autoensamblada, y la fabricación de estructuras individuales con forma, composición y posición controlada a través de algún proceso litográfico. La gran parte de la investigación experimental en nanociencias en México involucra el primer esquema por su accesibilidad y aplicación en materiales con funcionalidad novedosa. El segundo esquema es la generalización y extensión a nanoescala de procesos de fabricación de semiconductores y permite la fabricación individual de dispositivos electrónicos y ópticos entre otros. Actualmente, este esquema es poco usado en México porque su uso requiere de cuartos limpios, lo que implica un costo elevado. En este proyecto proponemos facilitar este tipo de nanofabricación con la implementación y desarrollo de un proceso nuevo de nanolitografía, su integración de procesos de depósito de metales y de ataque quimico (“etching”), y así permitir la fabricación completa de estructuras MEMS y fotónicas de polímero que aún no se hace en el país. Este método permite una resolución de 200 nm en muestras planas y, a diferencia de métodos tradicionales (por ejemplo CMOS), permite el control tridimensional sobre la forma de las estructuras en una sóla etapa de litografía. En consideración de su aplicación directa en un gran número de campos (nanofotónica, micromecánica (MEMS), nanoelectrónica, entre otros), la instrumentación propuesta será automatizada y abierta al uso de la comunidad de nanociencias y tiene como objetivo principal impulsar la investigación experimental en nanofotónica y micromecánica con la aportación de un sistema alternativo a los grandes cuartos limpios que aún no existen en el país. El hecho de poder fabricar estructuras individuales sub-micrométricas a la medida abrirá la puerta a la investigación competitiva en los campos antes mencionados, y al largo plazo a otras líneas de trabajo. La instrumentación y proceso de nanofabricación se desarrollará con la cercana participación de estudiantes con el fin de entrenarlos en el diseño e implementación de electrónica, óptica, desarrollo de láseres y mecánica al estado de arte actual, y fomentar una cultura de innovación tecnológica orientada hacia instrumentos prácticos y de alto impacto. Proponemos desarrollar un sistema versátil de deposición de películas delgadas optimizado para muestras no sólo planas sino también con formas complejas en tres dimensiones. La aportación científica del proyecto será en las siguientes áreas: i) investigación y desarrollo de procesos de nanolitografía con dos fotones, ii) investigación y desarrollo de dispositivos y componentes fotónicos, y iii) fabricación de MEMS ópticos. En la primer área, hay actualmente una gran oportunidad para mejorar con ideas originales el concepto básico de polimerizar un material (el photoresist) con pulsos de luz intensos y enfocados para crear estructuras pequeñas y controladas. Como parte de una nueva colaboración multidisciplinaria entre varios investigadores en el Departamento de Óptica de Microondas del CCADET/UNAM, el Departamento de Química de la Universidad de Wisconsin, Madison, y el Departamento de Física del CINVESTAV, proponemos desarrollar sistemas de microlentes (de inmersión sólida) para mejorar la resolución de sistemas de caracterización magnetoóptica, investigar la física y química involucrada en el dopaje del photoresist para crear estructuras con propiedades electrónicas y ópticas controladas, buscar materiales nuevos con la función de photoresist, e investigar procesos alternativos de fotopolimerización que usen diferentes longitudes de onda. En cada uno de estos temas de investigación tenemos el potencial de contribuir con ciencia original. Asimismo, se considera definir parámetros prácticos para la exposición óptica, tratamiento térmico de muestras, deposición de capas metálicas y/o dieléctricas, etc, para la fabricación de muestras especificas como elementos ópticos para óptica integrada, y dispositivos MEMS. El impacto de estas investigaciones se verá no solo en la publicación de resultados sino también en la mejoría de las muestras de nanoestructuras producidas para los usuarios futuros del instrumento, y con componentes ópticos aplicables en dispositivos prácticos como, por ejemplo, acelerómetros. Esta combinación de investigación y desarrollo creará la oportunidad de crear nanoestructuras y dispositivos al estado de arte con un costo muy bajo. La accesibilidad de la instrumentación desarrollada a estudiantes es una parte importante del proyecto y se prevé entrenarlos en el desarrollo de nuevos dispositivos micro- y nanométricos. La fabricación de elementos ópticos micrométricos en materiales poliméricos en tres dimensiones tendrá aplicación directa en investigación en curso, notablemente en en aumento de resolución de espectroscopía óptica de nanoestructuras. El mismo proceso de fabricación propuesto, con control de la forma de frente de onda, sería una contribución original. Con este proyecto se entrará en un tema que aún no está representado en México desde el punto de vista experimental. En el tema de micromecánica, proponemos fabricar estructuras MEMS ópticas con polímeros duros para dispositivos de baja frecuencia y estudiar las propiedades de microestructuras híbridas de metal y polímero en resonadores MEMS. Existen significativamente menos ejemplos de MEMS de polímeros que MEMS convencionales de silicio en el mundo y este proyecto representaría el primer ejemplo Mexicano y el primer sistema con tecnología desarrollada en el país para la fabricación completa de MEMS. La principal aportación científica será en el estudio de nuevos materiales ópticos aplicados en sensores optomecánicos (acelerómetros). La aportación tecnológica será en el desarrollo y demostración de nuevos dispositivos con mayor sensibilidad, con la posibilidad de detección óptica remota, y con la capacidad de detectar aceleraciones menores que los dispositivos comerciales actuales de silicio. El proceso de nanolitografía con dos fotones es compatible con una gran variedad de procesos de nanofabricación establecidos, y permitirá eventualmente ampliar el rango de proyectos que lo utilizan. En el largo plazo, la versatilidad del desarrollo tecnológico contemplado permitirá establecer colaboraciones multidisciplinarias entre varios investigadores en México y EU, y fomentará una cercanía entre grupos de investigación básica y grupos que se dedican al desarrollo tecnológico de nuevos dispositivos relacionados a la nanotecnología. Consideramos que un impacto importante será en la formación de estudiantes en ciencias básicas y en ingeniería. Estudiantes de ambas carreras que participen en el proyecto tendrán la oportunidad no sólo de fabricar con sus manos los micro- y nano-dispositivos necesarios para sus proyectos científicos, sino también de contribuir al desarrollo de la instrumentación nanotecnológica necesaria para los procesos de fabricación. En las etapas avanzadas del proyecto, se prevé formalizar los logros con publicaciones internacionales y con una solicitud de patente nacional en tema de litografía.