Light is the primary source of energy on our planet and has been a significant driver in the evolution of human society and technology. Light finds applications in two-dimensional (2D) photolithography and three-dimensional (3D) printing, where a pattern is transferred to a material of interest by ultraviolet (UV) light exposure, and in laser scribing and cutting, where high power lasers are used to pattern the surface of objects or cut through the bulk of the material of interest. However, conventional light-based processing has three main constraints: a) the wavelength of visible light limits resolution, b) only materials that absorb the wavelength in use can be efficiently processed, and c) intense laser light burns its target, degrading the material surrounding the exposed areas and further limiting material compatibility. Overcoming these limitations is the core of this thesis.

The first part of this thesis describes three different patterning methods enabled by intelligent design and non-linear light-matter interaction. The first work reports the use of light at 365 nm to generate sub-20 nm wide nanowires (NWs) exploiting crack lithography, exceeding the possible resolution given by diffraction limit by 10-fold. The second work describes how the non-linear interaction of femtosecond laser pulses with otherwise transparent glass enables nanostructuring of borosilicate coverslips. Positively charging the nanostructured glass surfaces grants a “attract and destroy” bactericidal functionality and maintains the transparency of the substrate, creating a microscopy compatible platform to study bacteria-surface interactions and providing strategies to fight antibiotic-resistant bacteria. The third and fourth works show how femtosecond lasers can directly pattern carbon nanotube films and 2D materials (graphene, molybdenum disulfide, and platinum diselenide) without damaging the substrate or the material surrounding the exposed area. Non-linear interaction with high-energy laser pulses allows sub-300 nm resolution, circumventing the limit given by light diffraction in the linear regime. The combination of high resolution, femtosecond exposure, and ultrafast scanning speed provides a valid alternative to resist-based photolithography while eliminating the related contamination issues for these sensitive materials.

The second part of this thesis describes two different 3D micromachining approaches enabled by high-intensity laser light. The fifth work presents a collagen patterning method based on laser-induced cavitation, called cavitation molding. This method represents a new biomanufacturing mode that is neither additive nor subtractive. In this study, cavitation molding enables the generation of a micro vascularized cancer-on-chip model, consisting of an in-vivo-like spheroidal mass of cancer cells surrounded by artificial blood vessels. In the sixth and final work, we used two-photon polymerization to generate 3D platforms in a biocompatible resin. This platform enables the study of the physiology of neurons and their interaction with astrocyte cells. The low autofluorescence of the printed resins allows optical readout of the neuronal activity by calcium imaging.

Ljus är den primära energikällan på vår planet och har varit en viktig motivation i utvecklingen av det mänskliga samhället och teknologin. Inom mikrotillverkning finner ljus tillämpningar inom fotolitografi och 3D-printing, där ett 2D- eller 3D-mönster överförs till ett material av intresse genom exponering för UV-ljus, och i laserritning och skärning, där högeffektlasrar används för att skapa mönster på föremålets yta eller skära igenom huvuddelen av materialet av intresse. Likväl, har dock konventionell ljusbaserad bearbetning tre huvudbegränsningar: a) våglängden för synligt ljus begränsar upplösningen, b) endast material som absorberar våglängden vid användning kan bearbetas effektivt, och c) intensivt laserljus bränner upp sitt målobjekt, vilket försämrar materialet som omger de exponerade områdena och ytterligare begränsar materialkompatibiliteten. Att övervinna dessa begränsningar är kärnan i denna avhandling.

Den första delen av denna avhandling beskriver tre olika tvådimensionella mönstringsmetoder som möjliggörs av intelligent design och icke-linjär ljus-materia interaktion. Det första arbetet rapporterar användningen av ljus vid 365 nm för att generera sub-20 nm breda nanotrådar (NW) genom att utnyttja cracklitografi, vilket överskrider den möjliga upplösningen som ges av diffraktionsgränsen tiofaldigt. Det andra verket beskriver användningen av femtosekundlaserpulser för att strukturera ytan på glasskivor, som vanligtvis skulle vara transparenta för mindre intensivt synligt ljus. Positiv laddning av de nanostrukturerade glasytorna ger en "sök och förstör" bakteriedödande funktionalitet, vilket möjliggör nya grundläggande studier av interaktioner mellan bakterier och yta och tillhandahåller strategier för att bekämpa antibiotikaresistenta bakterier. Det tredje och fjärde verket visar hur ultrasnabba lasrar selektivt kan mönstra 2D-material – grafen, molybdendisulfid och platinadiselenid – och tunna filmer – kolnanorörsfilm – utan att skada substratet eller materialet som omger det exponerade området. Direkt mönstring med ultrasnabb skanningshastighet ger processskalbarhet och upplösning under 300 nm, vilket ger ett giltigt alternativ till resistbaserad fotolitografi och relaterade kontamineringsproblem för dessa känsliga material.

Den andra delen av denna avhandling beskriver två olika 3D-mikrobearbetningsmetoder som möjliggörs av högintensivt laserljus. Det femte arbetet presenterar en biotillverkningsmetod för att strukturera kollagen baserat på laserinducerad kavitation. Denna metod, kallad kavitationsgjutning, representerar ett nytt biotillverkningsläge som varken är additivt eller subtraktivt. I denna studie möjliggör kavitationsformning genereringen av en mikrovaskulariserad cancer-on-chip-modell, bestående av en in-vivo-liknande sfäroidal massa av cancerceller omgivna av konstgjorda blodkärl. I det sjätte och sista arbetet använde vi två-fotonpolymerisation för att generera icke-cytotoxiska 3D-strukturer för att studera neuronernas fysiologi och deras interaktion med astrocytceller. Den låga autofluorescensen hos de tryckta hartserna tillåter optisk avläsning av den neuronala aktiviteten genom kalciumavbildning.

Two-dimensional (2D) materials with a thickness on the atomic scale promise to continue the trend of increasing performance in electronics, photonics, and sensing. However, despite record-breaking demonstrations of individual devices, the commercial exploitation of 2D materials is still limited. This constraint is partly because of challenges in integration technologies for manufacturing devices.

This thesis presents manufacturing methods of transferring and patterning 2D materials. On the device level, it investigates the influence of environmental factors on electrical contacts and material properties. Finally, it demonstrates the integration of photodetectors for integrated photonic circuits.

The synthesis of 2D materials requires high process temperatures to obtain high material quality, which precludes the direct synthesis on top of device wafers. Thus, manufacturing requires a transfer of the 2D material from a dedicated growth substrate to the device wafer.This thesis introduces a universal method of transferring 2D materials by wafer bonding. The method targets the integration on top of electronic circuits at the back-end of the line in semiconductor foundries. A variation of the approach suspends free-hanging membranes of 2D materials and stacks layers to 2D material heterostructures. 

The patterning of 2D materials is a fundamental step in device fabrication. However, standard lithographic methods cause residues of protective resists that degrade the device performance. This thesis presents a non-contact and resist-free method of patterning 2D materials with nanoscale precision by laser direct writing with an off-the-shelf system.

The electrical contact resistance between metal electrodes and 2D materials significantly affects the performance of devices. This thesis investigates the influence of humidity on the contact resistance and sheet resistance of graphene. This insight is essential for operation in ambient environments without encapsulation or hermetic packaging.

Multilayered platinum diselenide (PtSe₂) is a semimetallic 2D material that can be synthesized below 450 degree Celsius. This thesis demonstrates the integration of PtSe₂ photodetectors with silicon waveguides by direct growth on the device substrate. The photodetectors operate at infrared wavelength, which is promising for integrated photonic circuits.

Tvådimensionella (2D) material med en tjocklek på atomskala tros fortsätta trenden med ökad prestanda inom elektronik, fotonik och sensorer. Trots att individuella chip slår nya rekord så är det kommersiella nyttjandet av dessa material begränsat. Den här begränsningen beror delvis på utmaningar inom integreringstekniker för att tillverka dessa chip. 

Den här avhandlingen presenterar tillverkningsmetoder för överföring och mönstring av 2D-material. På chip-nivå utforskar den hur miljöfaktorer påverkar de elektriska kontakterna och materialegenskaperna. Slutligen demonstrerar den integration av fotodetektorer för integrerade fotoniska kretsar. 

Syntesen av 2D-material kräver höga processtemperaturer för att uppnå hög kvalitet på materialet, vilket utesluter syntes direkt på ovansidan av en device wafer. Tillverkningen kräver därför en överföring av 2D-materialet från ett dedikerat substrat för tillväxt till en device wafer. Den här avhandlingen introducerar en universell metod för överföring av 2D-material genom wafer bonding. Metoden är tänkt att innefatta integrering ovanpå elektroniska kretsar vid slutet av processen i halvledarfabriker. En variation av metoden leder till suspenderade frihängande membran av 2D-material och staplar lager av dessa för att bilda heterostrukturer av 2D-material.

Mönstringen av 2D-material är en fundamental del i chiptillverkningen. Standardiserade litografiska metoder skapar dock rester av skyddande fotoresist som degraderar prestandan hos chipen. Den här avhandlingen presenterar en metod för att mönstra 2D-material som är kontakt- och fotoresistfri och som uppnår nanometer-precision genom direkt lasermönstring med ett kommersiellt tillgängligt system. 

Den elektroniska kontaktresistansen mellan metallelektroder och 2D-material har en signifikant påverkan på chipens prestanda. Den här avhandlingen undersöker hur luftfuktighet påverkar kontakt- och skiktresistansen av grafen. Denna insikt är viktig för prestandan i vanliga miljöer utan inkapsling eller hermetisk förslutning.

Multilager av platinadiselenid (PtSe₂) är ett semi-metalliskt 2D-material som kan syntetiseras under 450 degree Celsius. Den här avhandlingen demonstrerar integrationen av fotodetektorer i PtSe₂ med vågledare i kisel genom direkt tillväxt på chip-substratet. Dessa fotodetektorer opererar i infraröda våglängder, vilket är lovande för integrerade fotoniska kretsar.