Mikro- und Nanofabrikation
Oberflächen-Nanostrukturierung
Mehrere laserbasierte Verfahren strukturieren Metall-, Halbleiter-, Glas- und andere Oberflächen im Mikro- und Nanomaßstab.
Produktbeschreibung
Was Oberflächen-Nanostrukturierung umfasst
Nanotechnologie und Laser gehören zu den erfolgreichsten und aktivsten Forschungs- und Technologiefeldern der vergangenen Jahrzehnte und bieten großes Potenzial, wenn sie zusammengeführt werden. Mehrere laserbasierte Verfahren ermöglichen die Oberflächen-Nanostrukturierung von Metall, Halbleiter oder sogar Glas, die anschließend in Sensorik, Bildgebung, Solarenergie und Biomedizin eingesetzt werden. Zu solchen laserbasierten Verfahren gehören unter anderem, aber nicht ausschließlich, die Bildung laserinduzierter periodischer Oberflächenstrukturen (LIPSS), die Laserinterferenzlithografie (LIL) und die direkte Laserinterferenzstrukturierung (DLIP).
LIPSS
Die Bildung von LIPSS, auch als Ripples oder Nanoripples bekannt, ist ein Verfahren des direkten Laserschreibens zur Herstellung gitterartiger Nanostrukturen. LIPSS entstehen aus der Interferenz des einfallenden/gebrochenen Laserlichts mit dem gestreuten oder gebeugten Licht nahe der Oberfläche. Das Verfahren hat aufgrund seiner Einfachheit und Robustheit großes Interesse gefunden, da die Fertigung in Umgebungsluft erfolgen kann und vollständig mit industriellen Anforderungen an Kosten, Zuverlässigkeit und Produktivität vereinbar ist. Abhängig von den gewählten Materialien und Bestrahlungsbedingungen ermöglicht die Verarbeitung von LIPSS verschiedene Arten der Oberflächenfunktionalisierung über unterschiedliche Perioden, die von einigen zehn Nanometern bis zu mehreren Mikrometern reichen.
LIL und DLIP
LIL und DLIP beruhen auf der Laserinterferenz einfallenden Laserlichts. Zwei oder mehr Laserstrahlen werden räumlich und zeitlich überlagert und erzeugen ein Interferenzmuster, dessen Periode bis in den Subwellenlängenbereich reicht. Bei der LIL wird das Muster zunächst in einem lichtempfindlichen Medium aufgezeichnet und anschließend in das Zielmaterial übertragen. Im Gegensatz dazu ermöglicht DLIP eine direkte Strukturierung des Materials. Unter den richtigen Bestrahlungsbedingungen wird die Oberfläche an den Intensitätsmaxima aufgeschmolzen oder sogar ablatert. Angesichts der inhärent großen spektralen Bandbreite ultrakurzer Laserpulse und ihres Einflusses auf die entstehenden Interferenzmuster sind die Verfahren LIL und DLIP häufig auf Pulsdauern im ps-Bereich oder länger beschränkt. Dies stellt jedoch dank der Abstimmbarkeit der Pulsdauer bis 20 ps kein Problem dar – einer Eigenschaft der Femtosekundenlaser CARBIDE und PHAROS.
Wahl des Verfahrens
Bei der Wahl des Verfahrens sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen. Bei LIL und DLIP wird die Periode des Interferenzmusters durch die Wellenlänge der Laserbestrahlung und den Einfallswinkel zwischen den interferierenden Strahlen bestimmt. Die minimale Periode ist jedoch durch das optische Beugungslimit begrenzt. Wird daher eine Merkmalsgröße unter 100 nm angestrebt, sollte man LIPSS wählen. Ein weiterer Aspekt ist die Modulationstiefe des nanostrukturierten Musters. Die Tiefe des DLIP-Musters kann unabhängig durch die Laserpulsenergie und die Zahl der applizierten Pulse gesteuert werden. Auch wenn für LIPSS eine ähnliche Beziehung zu erwarten ist, ist sie typischerweise schwieriger zu kontrollieren. DLIP-Strukturen können deutlich größere Modulationstiefen und eine höhere Regelmäßigkeit über eine große Fläche aufweisen.
SERS-Sensorfertigung
SERS-Sensorfertigung. SEM-Aufnahme der Ti-6Al-4V-(TC4)-Oberfläche nach Bestrahlung mit einem progressiven Laserscan.
Anwendungsgebiete nanostrukturierter Oberflächen
Die nanostrukturierten Oberflächen werden verbreitet in der Sensorik eingesetzt, z. B. in der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS), bei der eine aufgeraute Metalloberfläche die Raman-Streuung der adsorbierten Analytmoleküle um mehrere Größenordnungen verstärkt. Auch nanostrukturierte Materialien wie schwarzes Silizium haben Interesse in Photodetektoren und Solarzellen gefunden. Die mikrometrischen Siliziumspitzen fangen das einfallende Licht ein und liefern anschließend einen hohen Absorptionsgrad im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Darüber hinaus ermöglichen LIPSS und andere Nanostrukturierungsverfahren hydrophobe und hydrophile Oberflächen für die Automobil- sowie die Luft- und Raumfahrttechnik, antibakterielle sowie zellabweisende oder zellstimulierende Oberflächen für medizinische Anwendungen und viele weitere Anwendungen. Die Femtosekundenlaser CARBIDE und PHAROS werden verbreitet für diese Verfahren der Oberflächen-Nanostrukturierung eingesetzt.
