Laser-induzierte Nanostrukturierung von dielektrischen Oberflächen mittels Selbstorganisationsprozessen von metallischen Dünnschichten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nanostrukturierte dielektrische Oberflächen haben vielfältige Anwendungsfelder. Die Verwendung von Laserverfahren, welche Selbstorganisationsprozesse ausnutzen, erlauben eine schnelle, flexible und großflächige Strukturierung. Das IPSM-LIFE (laser-induced front side etching using in-situ pre-structured metal layer) ist ein zweistufiger Prozess und erlaubt die Nanostrukturierung von dielektrischen Oberflächen, unterstützt durch einen selbstorganisierenden Schmelzumformungsprozess von Metallschichten. Die Niedrigfluenzbestrahlung (IPSM-LIFE STEP 1) eines metallschichtbedeckten Dielektrikums führt zum Aufschmelzen des Metalls und aufgrund der Oberflächenspannung und des Laserstrahl-induzierten Temperaturgradienten kommt es zur Bildung von statistisch verteilten bzw. periodischen metallischen Mirkound Nanostrukturen. Die Variation der Laserparameter sowie der Metallschichteigenschaften erlaubt die Herstellung von verschiedensten Metallgeometrien mit statistischer bzw. periodischer Verteilung. Zusätzlich wurde das Zeitverhalten der laserinduzierten Schmelzphase und deren Bewegung wurden mittels zeitaufgelöster optischer Messungen (Reflektion/Transmissionsmessungen und Pump-Probe Messungen) ermittelt. Das Zeitverhalten der Schmelzphase sowie die Geometrie der resultierenden Metallstrukturen lässt sich, mit guter Übereinstimmung, physikalisch Beschreiben durch Kopplung der Wärmeleitungsgleichung (Laser-Material-Wechselwirkung inklusive Phasenumwandlungen) mit der Navier-Stokes-Gleichung (Massentransport in der Flüssigphase). Die Hochfluenzbestrahlung (IPSM-LIFE STEP 2) der strukturierten Metallmaske führt zu einer Nanostrukturierung der dielektrischen Oberfläche durch Laserablation der Metallschicht und lokalisierter Ablation der dielektrischen Oberfläche. Das IPSM-LIFE Verfahren erlaubt die Herstellung von statistisch verteilten und periodisch angeordneten Strukturen mit einer minimalen lateralen Größe von 10 nm und einer erreichbaren Strukturtiefe von ~ 1 µm bei einem erreichbaren Aspektverhältnis bis zu 2. Das IPSM-LIFE Verfahren erlaubt die schnelle großflächige Strukturierung der Metallschicht (STEP 1) bzw. der dielektrischen Oberfläche (STEP 2). Es konnte eine Strukturierungsgeschwindigkeit von ~ 2.5 cm²/s experimentell erreicht werden. Die IPSM-LIFE – STEP 1 strukturierten Metallschichten erlaubt die lokale Variation der optischen Eigenschaften und damit die Herstellung von hochauflösenden Graustufenbildern. Weiterhin erlaubt die lokale und einstellbare Schmelzumformung die Einstellung des Wasserkontaktwinkels in einem Bereich von 97° - < 5°. Die IPSM-LIFE – STEP 2 strukturierte dielektrische Oberflächen wurden u.a. erfolgreich als diffraktives optisches Element verwendet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Dynamics of the laser-induced nanostructuring of thin metal layers: Experiment and theory. Material Research Express 2 (2015) 026501
P. Lorenz, M. Klöppel, T. Smausz, T. Csizmadia, M. Ehrhardt, K. Zimmer, B. Hopp
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Nanodrilling of fused silica using nanosecond laser radiation. Applied Surface Science 351 (2015) 935–945
P. Lorenz, J. Zajadacz, L. Bayer, M. Ehrhardt, K. Zimmer
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Applied Surface Science 418 (2017) 481-486
P. Lorenz, C. Grüner, F. Frost, M. Ehrhardt, K. Zimmer
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From statistic to deterministic nanostructures in fused silica induced by nanosecond laser radiation. Procedia CIRP 74 (2018) 371-375
P. Lorenz, M. Klöppel, I. Zagoranskiy, K. Zimmer
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Guided self-organization of nanodroplets induced by nanosecond IR laser radiation of molybdenum films on sapphire. Optics and Lasers in Engineering 113 (2019) 55 – 61
I. Zagoranskiy, P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer
