Ultrakurzpulslaser mit hoher mittlerer Leistung
Final Report Abstract
Selektiver Abtrag von dünnen Schichten: Innerhalb der hier durchgeführten Forschungstätigkeiten wurde die Laserpulsinteraktion eines Film-Substrat Systems mit dem Ziel zur selektiven Ablation von Dünnschichtfilmen abgeschieden auf diversen Substraten, betrachtet. Sowohl kurzer als auch ultrakurzer Pulsabtrag von gängig verwendeten Metallen und des Halbleiters ITO wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Laserpulsabtragsschwelle in Film- Substrat Systemen wesentlich durch die optische Eindringtiefe und die thermische Diffusionslänge beeinflusst wird. Es konnte eine thermische Eindringtiefe als Funktion der optischen Länge und der thermischen Diffusionslänge definiert werden, welche den Dünnfilm- und "Bulk"-abtrag widerspiegeln. Für Metalle kann die thermische Eindringtiefe analytisch kalkuliert werden, dabei wird die Laserenergie als Wärmequelle an der Oberfläche modelliert. Im Gegensatz dazu, ist die Modellierung der nichtlinearen Absorption von Laserpulsen ausgehend von transparenten Halbleitern wesentlich komplizierter. Schon allein die theoretische Bestimmung der thermischen Eindringtiefe erweist sich bei ITO Filmen als relativ schwierig. Die hier durchgeführten praktischen Untersuchungen zeigen, dass sich die Abhängigkeit der Abtragsschwellfluenz von der Schichtdicke von Metallen und der ITO- Filmen unterscheiden sobald die Schichtdicke im Bereich der thermischen Eindringtiefe liegt. Die Einzelpuls-Abtragsschwelle lieferte basierend auf den Abtragsergebnissen einen Anstieg der Schwellfluenz bei geringer werdenden Schichtdicken. Dieses Verhalten ist gegensätzlich zu denen von Metallen. Es konnten in diesem Zusammenhang unterschiedliche Bereiche für die Abhängigkeit der Abtragsschwelle von der Filmdicke definiert werden. Der Einfluss der thermischen Eindringtiefe auf den Abtragsprozess konnte desweiteren durch die sich ergebenden unterschiedlichen Abtragscharakteristika bei Substrat- und Superstratkonfiguration mit unterschiedlicher Schichtdicke gezeigt werden. Desweiteren wurden Inkubationseffekte, welche aus Multi-Pass-Abtragsprozessen resultieren untersucht. Die hierbei existierenden Abhängigkeiten der Abtragsschwelle von der jeweils implizierten Pulsanzahl weisen auf unterschiedliche cumulative Mechanismen für Metalle und ITO-Filme hin. Es konnte aufgezeigt werden, dass sich das Inkubationsverhalten bei Schichtdicken im Bereich der thermischen Eindringtiefe von dem Inkubationsverhalten am "Bulk" Material unterscheidet. Für ITO-Filme konnte der Inkubationskoeffizient annäherungsweise bestimmt werden und weißt für Filmschichtdicken im Bereich von 10nm und 100nm eine Unabhängigkeit von der vorliegenden Filmschichtdicke auf. Es wurde ein mathematisches Modell für den Einfluss der Inkubationseffekte in Bezug auf den Laserabtrag entwickelt welches die Berechnung der Linienbreite bei variierender Überlappungsrate von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen ermöglicht. Ferner wurde der Einfluss unterschiedlicher Substrate auf den ITO-Dünnfilm-Abtragsprozess untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass thermische Evaporation und thermisch induzierte mechanische Spannungen das Abtragverhalten der ITO-Schichten bestimmen. Herstellung von metallischen Nanopartikeln mittels der Laserablation: In den vergangenen Jahren haben sich zahlreiche Forschungsaktivitäten mit der Herstellung von metallischen Nanopartikeln beschäftigt. Ziel war es dabei, stabilisierte Nanopartikel herzustellen, die in ihrer Größe einstellbar sind, eine enge Größenverteilung aufweisen und sich, insbesondere für biomedizintechnische Anwendungen, funktionalisieren lassen. Die Laserablation von Feststoffen in flüssigen Medien zur Herstellung kolloidaler Nanopartikeln ist aufgrund ihrer besonderen Vorteile zunehmend attraktiver geworden. Ohne Anwendung von chemischen Precursoren können nahezu beliebige Lösungsmittel und Materialien als Target eingesetzt werden. Durch die hohen Intensitäten während der Generierung mit Ultra-Kurzpulslasern lassen sich Nanopartikel auch aus Mischkristallen herstellen. Außerdem können bspw. gegenüber dem gängigen Herstellungsverfahren Sol-Gel reine metallische Nanopartikeln hergestellt werden. Während der Partikelherstellung wird ein metallisches Target, welches aus dem für die Nanopartikeln gewünschten Werkstoff in Form eines Festkörpers besteht, in einem Behälter gefüllt mit einem beliebigen Lösungsmittel (Wasser, Aceton, Ethanol, etc.) eingelegt. Auf dieses Target wird der Laserstrahl fokussiert, das Material verdampft und rekondensiert unter Bildung von Clustern in nanopartikulärer Form. Die Partikel liegen anschließend in der Flüssigkeit dispers vor. Bis heute kann der Herstellungsprozess während der Laserablation nicht eindeutig untersucht werden und wird anhand von verschiedenen theoretischen Modellen erläutert. Überwiegend wird der Herstellungsprozess mit Ultra-Kurzpulslasern durch die Kondensation aus der Plasmaphase beschrieben.
Publications
- Laser direct writing of nanocompounds. Proc. MRS 1365 (2011)
A. Ostendorf, M. Chakif, Q. Guo
- Selective Patterning of ITO on flexible PET Substrate by 1064nm Picosecond Laser. Physics Procedia 12 (2011); Elsevier; pp. 125-132
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- Incubation effect and its influence on laser patterning of ITO thin film. Applied Physics A, Materials Science & Processing (2012)
S. Xiao, E. L. Gurevich and A. Ostendorf
(See online at https://doi.org/10.1007/s00339-012-6820-y) - Using Laser Microfabrication to write Conductive Polymer/SWNTs Nanocomposites, JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 7, 44- 48
Q. Guo, S. Xiao, A. Aumann, M. Jaeger, M. Chakif, R. Ghadiri, C. Esen, M. Ma, A. Ostendorf
(See online at https://doi.org/10.2961/jlmn.2012.01.0008)
