Erzeugung von Sub-100nm Strukturen mittels infrarotem Sub-15-Femtosekunden-Lasermikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der ersten Projektphase wurden erstmals mit einem neuartigen kompakten Sub-15-Femtosekunden Ti:Saphir Laser-Nanostrukturierungsmikroskop durch Pikojoule-Pulse hoher Repetitionsrate auf der Basis von Multiphotonenprozessen Sub-100 nm-Strukturen in Festkörperoberflächen, dünnen Filmen und im Inneren von Materialien erzeugt. Durch Ablation entstanden beispielsweise in dünnen Indium-Zinn-Oxid (ITO) Filmen Nanoschnitte der Breite unter 20 nm mit Periode bis zu 70 nm. Auch wurden durch Multiphotonen-Photopolymerisation dreidimensionale Strukturen mit minimaler Strukturelementgröße nahe 100 nm generiert. Auf dieser Grundlage wurden nanostrukturierte ITO-Schichtelektroden für nematische Flüssigkristallzellanwendungen hergestellt mit dem Ziel, die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle an der Elektrodenoberfläche direkt durch laserinduzierte periodische Nanoschnitte zu erreichen. Auf diese Weise sollte die industrieübliche zusätzliche Polyimidbeschichtung mit nachfolgender Aufrauhung durch Gewebefasern durch eine einfache und präzise Strukturierungsmethode ersetzt werden. Die Elektroden bestanden aus 3 x 3 mm2 großen, 170 µm dicken Glassubstraten, die durch reaktives Magnetron-Sputtern eines InSb 90:10-Targets in Ar/O2-Atmosphäre mit 150 nm ITO beschichtet wurden (spez. Widerstand ca. 5 x 10^-4 Ωcm). Elektrodenpixel der Größe 38 x 38 µm2 mit Nanoschnitten der Periode 100 nm wurden typischerweise bei Fokussierung mit numerischer Apertur 1.3 und 18 mW mittlerer Leistung in 100 s mit einer speziellen Anordnung zur Aberrationsminimierung erzeugt. Die Elektroden wurden zudem mit 1-2 µm breiten laserinduzierten Isolierschnitten und durch Multiphotonen-Lithographie erzeugten Abstandshaltern versehen. Die Zellmontage erfolgte im Lichtmikroskop mit einem mikropositionierbaren Justageaufbau. Die Zellen wurden mit nematischem Flüssigkristall MDA-98-1602 (Merck) gefüllt und über dünne Kupferdrähte an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Das Schaltverhalten wurde zwischen gekreuzten Polarisatoren im hochauflösenden Mikroskop in Transmission bei Wellenlängen um 500 nm untersucht. Die bei Spannung von ca. 4 V zu erwartenden Kontraste im Bereich der nanostrukturierten Pixel wurden nicht beobachtet. Höhere Spannungen führten zur Zerstörung der Zellen. Auch außerhalb der Pixel zeigte die Transmission nicht das übliche Verhalten. Als Ursache werden nicht einfach zu kontrollierende Herstellungsbedingungen angenommen. Als weiterer Projektschwerpunkt wurden die der Entstehung laserinduzierter Oberflächenstrukturen (LIPSS) mit Periode weit unter der Laserwellenlänge zugrunde liegenden Prozesse mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM, Software COMSOL Multiphysics) untersucht. Als Modellsystem hierfür diente kristallines Silizium. In zweidimensionaler Fokussierungsgeometrie hoher numerischer Apertur wurde die durch einen 12-fs Gaußpuls der Zentralwellenlänge 800 nm induzierte Konzentration angeregter Elektronen zeitlich und räumlich analysiert, die damit einhergehende kontinuierliche Änderung der Dielektrizitätsfunktion berechnet und hieran gekoppelt die sich kontinuierlich verändernde weitere Pulspropagation simuliert. Die Rechnungen wurden mit einem transienten Solver bei voller Kopplung der Maxwellgleichungen mit einer weiteren partiellen Differentialgleichung durchgeführt, die die Konzentration angeregter Elektronen unter Berücksichtigung linearer Absorption, insbesondere durch freie Ladungsträger, und Zwei-Photonen-Absorption, Elektronendiffusion und -rekombination berechnete. Die FEM-Simulation ergab, dass in einer ca. 20 nm tiefen Oberflächenschicht ein dichtes Elektron-Loch-Plasma entstand, das die kritische Konzentration um eine Größenordnung übertraf und lokal metallisches Verhalten erzeugte. P-polarisierte Pulse erzeugten stehende longitudinale Oberflächenplasmawellen, deren Intensitätsmaxima im Abstand von 130 nm gut mit der experimentell beobachteten LIPSS-Periode übereinstimmten und durch ihre Divergenz nachfolgende Ablation erklären können. Bei s-polarisierten Pulsen stellte sich erwartungsgemäß keine Plasmawellenanregung ein. Größere Pulsamplituden hatten Selbstfokussierung im Inneren des Siliziums zur Folge. Strukturelle Oberflächendefekte führten schon bei weitaus geringeren Pulsamplituden zu Felddivergenzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Finite-Elemente-Simulation laserinduzierter periodischer Oberflächenstrukturen in Silizium, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e.V., Berlin, Q53.5 (2014)
M. Klötzer, K. König, M. Straub
- Incubation and nanostructure formation on n- and p-type Si(100) and Si(111) at various doping levels induced by sub-nanojoule femto- and picosecond near-infrared laser pulses, Applied Surface Science 314, 21-29 (2014)
M. Schüle, M. Afshar, D. Feili, H. Seidel, K. König, M. Straub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.06.140) - Nanostrukturierung von einkristallinem Silizium durch Sub-15 Femtosekundenpulse, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e.V., Berlin, K5.1 (2014)
M. Schüle, M. Straub, M. Afshar, D. Feili, H. Seidel, K. König
- Generation of laser-induced periodic surface structures in indium-tin-oxide thin films and two-photon lithography of ma-N photoresist by sub-15 femtosecond laser microscopy for liquid crystal cell application, Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) 9351, 93511O (2015)
M. Klötzer, M. Afshar, D. Feili, H. Seidel, K. König, M. Straub
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2076946) - Liquid crystal cells with micropixels generated by sub-15 femtosecond near-infrared laser patterning of indium-tin-oxide thin film electrodes, Focus on Microscopy 2015, MO-MO-PAR-E, Abstract Book, p. 34
M. Klötzer, B. Leuschel, M. Afshar, D. Feili, H. Seidel, K. König, M. Straub
- Nanoprocessing using near-infrared sub-15 femtosecond laser microscopes, in: Optically Induced Nanostructures: Biomedical and Technical Applications, Ed.: K. König, A. Ostendorf, de Gruyter, Berlin, 2015, pp. 3 - 24
K. König, H. Seidel, M. Afshar, M. Klötzer, D. Feili, M. Straub
- Sub-15 femtosecond laser-induced periodic nanostructures on crystalline silicon surfaces: Experiments, theory and applications, Focus on Microscopy 2015, P2-D/30, Abstract Book, p. 490
M. Straub, M. Schüle, M. Klötzer, A. Uchugonova, K. König, M. Afshar, D. Feili, H. Seidel
- Submicrometer- and nanopatterning of indium-tin-oxide and polymer thin films using tightly focused sub-15 femtosecond pulsed high-repetition rate near-infrared laser light, Focus on Microscopy 2015, P2-D/11, Abstract Book, p. 471
B. Leuschel, M. Klötzer, M. Afshar, D. Feili, H. Seidel, K. König, M. Straub
