Strukturierung von polymeren Oberflächen für mikro- und biotechnische Anwendungen mittels hybrider UV-Laser-Fluorierungstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im hier beschriebenen Forschungsvorhaben sollte maßgeblich die Möglichkeit der Fluorierung von Polymeroberflächen durch den Einsatz von UV-Strahlung gezeigt werden. Dabei sollte insbesondere die UV-laserbasierte Fluorierung gegenüber bisherigen Fluorierungsverfahren zur lokalen Fluorierung grundlegend untersucht und theoretisch beschrieben werden. Dabei sollte ein fluorhaltiger Precursor genutzt werden, um dein Einsatz des toxischen elementaren Fluors zu vermeiden und gleichzeitig eine Fluorierung durch den Kontakt von Precursor und Oberfläche zu verhindern. Diese sollte stattdessen durch die Laserstrahlung gezielt appliziert werden. Dabei wurde das in der ersten Förderphase bereits grundlegend aufgestellte analytische Modell angleichend an den real ablaufenden Prozess optimiert. Daraus ergaben sich Prozessparameter, die zu einer möglichst effizienten, kontrastreichen Fluorierung führen und den zu erwartenden Fluorierungsgrad abschätzbar machen. Bei der Erweiterung des Modells hinsichtlich der realen Bedingungen in Bezug auf den Precursor und dessen Absorptionsverhalten gegenüber UV-Strahlung zeigte sich, dass bei Betrachtung der Effizienz die Pulsfluenz den größten Einflussfaktor darstellt.. Bei dem Vorhaben sollten dann ebenso charakteristische Prozessparameter in experimentellen Untersuchungen ermittelt werden. Es galt insbesondere den Precursordruck, die Pulsfluenz und die Gesamtfluenz hinsichtlich der Effizienz der Fluorierung zu untersuchen. Dabei konnte herausgestellt werden, dass die Pulsfluenz den größten Einfluss auf die Effizienz aufweist. Das zeitlich abhängige Verhalten konnte demzufolge bestätigt werden. Für eine Pulsfluenz von 1 mJ/cm² kann demnach ein über die Zeit abgeleiteter Fluorierungsgrad von 0,01 at%/s erreicht werden. Wird die Pulsfluenz erhöht ergibt sich bei 25 mJ/cm² ein überproportional ansteigendes Fluorierungsverhalten von 1,34 at%/s. Neben dem Fluorierungsgrad wurde ein weiteres Hauptaugenmerk auf das Kontrastverhalten der lokalen Fluorierung gelegt. Der Übergang zwischen bestrahlten und unbestrahlten Bereichen wurde gemäß der Übergangsbreite charakterisiert. Diese wurden sowohl mittels XPS, als auch durch REM-BSE Messungen durchgeführt. Die lokale Fluorierung stellte heraus, dass die Abbildung von Strukturen, die kleiner als 0,5 mm sind mit dem aktuellen Verfahren möglich ist. Ebenso konnte herausgestellt werden, dass die Übergangsbreite der lokalen Fluorierung vom Precursordruck und der Gesamtfluenz abhängt. Mit steigendem Precursordruck reduziert sich die Übergangsbreite und mit steigender Gesamtfluenz nimmt diese zu. Bei der Betrachtung der Flüssigphasenfluorierung wurde bereits beim ersten Kontakt von Precursor und Folie deutlich, dass beide bei Raumtemperaturbedingungen sofort miteinander reagieren. Die Oberfläche des Polymers wird durch den Precursor angegriffen und zerstört. Auch eine lokale Reduzierung der Temperatur verändert diesen Zustand nicht. Die sich im Modell ergebende deutlich verbesserte Kantenschärfe der Fluorierung auf diesem Wege konnte nicht untersucht werden, da eine beschädigte Oberfläche keine objektive Basis für den Vergleich der Proben vor und nach der Bestrahlung ergibt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Model of a UV laser based local polymer surface halogenation using a gaseous precursor; Modeling and Numerical Simulation of Material Science 4, 1 (2014); 14-19
Kibben, S.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.4236/mnsms.2014.41003) - Oberflächen gezielt modifizieren; Journal für Oberflächentechnik 4 (2014); 102-103
Vogelsang, K.; Linke, R.; Schimanski, A.; Kibben, S.; Vollertsen, F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1365/s35144-014-0164-7) - Ultraviolet Laser Based Gas Phase Fluorination of Polystyrene; Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology 4 (2014); 309-317
Kibben, S.; Vogelsang, K.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.4236/jsemat.2014.45034) - UV-laserbasierte Oberflächenfluorierung von Polymeren; Dissertation; Strahltechnik, Band 58 (2016)
Kibben, S.
