Laser-induzierte Nanostrukturierung von dielektrischen Oberflächen mittels Selbstorganisationsprozessen von metallischen Dünnschichten

• Antragsteller: Dr. Pierre Lorenz
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249539097

Die Nanostrukturierung von Dielektrika ist ein hochaktuelles Thema der Photonik mit hohem Anwendungspotential. Durch Laserverfahren ist darüber hinaus eine schnelle und flexible Oberflächenstrukturierung möglich.Im Rahmen dieses Projektes soll die laserinduzierter Oberflächennanostrukturierung von Dielektrika durch die Nutzung von Selbstorganisationsprozessen in dünnen Metallschichten untersucht werden.Gegenwärtig ist bekannt, dass die Laserbestrahlung von dünnen Metallschichten auf dielektrischen Substraten bei niedrigen Laserfluenzen zu einem Aufschmelzen der Metallschicht und aufgrund der Oberflächenspannungen zu einer Nanostrukturierung der Metallschicht führt. Die resultierende Struktur wird durch Materialeigenschaften und die Laserparameter beeinflusst. So führen diese laserinduzierten Schmelzumformprozesse bei homogenem Laserstrahlprofil zur Bildung von statistisch verteilten Nanostrukturen; es kann erwartet werden, dass periodisch modulierte Intensitätsverteilungen (z.B. Interferenzmethoden) die Herstellung von metallischen Nanostrukturen mit periodischer Überstruktur ermöglicht wird.Im Rahmen der Vorarbeiten wurde beobachtet, dass zusätzlich zur Metallnanostrukturbildung es zu einer Oberflächenstrukturierung des dielektrischen Substrates kommt. Durch die geeignete Wahl der Laserfluenz konnte erreicht werden, dass zunächst die Metallnanostrukturen hergestellt werden können, die dann Basis der Strukturübertrag in die dielektrischen Oberfläche bei hohen Laserfluenzen durch lokalisierte Ablation dieser sind. Die Metallstrukturen absorbieren/konzentrieren die Laserstrahlung und führen zu einem oberflächenlokalisierten Energieübertrag in die dielektrische Oberfläche und schlussendlich zu einem lokalisierten Abtrag dieser. Daraus folgt, dass es zu einem Transfer der lateralen Geometrie der Metallstrukturen in die dielektrische Oberfläche kommt, wobei die Transferbedingungen von den Laserparametern abhängen. Diese neuartige Strukturierungsmethode erlaubt die einfache Herstellung von komplexen Strukturen, wie z. B. periodischen Ringstrukturen, wobei die Strukturgeometrien durch die Laser- und die Materialparameter steuerbar sind.Im ersten Abschnitt des Projektes werden die Abhängigkeiten der Laser- und der Materialparameter auf die Nanostrukturbildung in der Metallschicht und den Übertrag in die Dielektrikaoberfläche untersucht. Zur Aufklärung der physikalischen Wirkmechanismen wird eine Simulation des Strukturierungsprozesses durchgeführt. Im zweiten Abschnitt des Projektes werden diese Erkenntnisse zur Herstellung von Demonstratoren aus dem Gebiet der Optik (u. a. Antireflexionsschichten), Fluidik (u. a. Einstellung der Benetzungseigenschaften von Oberflächen für die Anwendung im Lab-on-Chip-Bereich) und Tribologie (u. a. Einstellung der Oberflächenverschleißeigenschaften von technischen Gläsern) verwendet. Dabei werden die Ergebnisse der Simulation zur Optimierung der Herstellungsparameter herangezogen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz, Ungarn
• Beteiligte Personen: Dr. Béla Hopp; Professor Dr. Patrick Schwaller