Lasergestützte Mikro- und Nanostrukturierung

Mikro- und Nanostrukturen gewinnen in technischen Anwendungen und im alltäglichen Leben, u.a. bei der Reinhaltung von Oberflächen, der Beleuchtungstechnik, der Sicherheitstechnik und bei Verminderung von Reibung und Verschleiß, zunehmend an Bedeutung. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich in diesem Bereich auf die Herstellung von präzisen Oberflächen in Glas, Plastwerkstoffen und Metalle durch einen bevorzugten Materialabtrag mit gepulster Laserstrahlung. Die für Anwendungen im optischen Bereich erforderliche hohe Genauigkeit erfordert die Entwicklung von Methoden und Verfahren, die eine präzise Tiefeneinstellung, geringste Rauheiten und einen generell schonenden Materialabtrag ermöglichen. Hierfür werden Entwicklungen an der Schnittstelle physikalischer und chemischer Verfahren durchgeführt, die lasergeführt sind, das computergestützte Schreiben von Mustern, Strukturen und Formen im Größenbereich von 1 µm bis zu 20 cm ermöglichen und damit für verschiedene industrielle Anwendungen attraktiv sind.

Expertise

  • Direkte Strukturierung, Texturierung und Modifizierung von Oberflächen mit Kurz- und Ultrakurzpulslasern
  • Entwicklung und Optimierung von Laserprozessen zur präzisen Strukturierung und Formgebung von Oberflächen in Gläsern und Polymeren mit geringer Schädigung der Oberfläche und geringer Rauheit
  • Entwicklung von Strahlformungs- und Bearbeitungsmethoden zur präzisen Lasermaterialbearbeitung
  • Prozessentwicklung von Lasermaterialabtragsverfahren in reaktiven Gasen und Flüssigkeiten
  • Laserstrukturierungsmethoden für Master in Kopierprozessen

Highlights

  • Laser-induced backside wet etching of transparent materials with organic and metallic absorbers

    K. Zimmer, R. Böhme
    Laser Chemistry (2008) 170632
    https://doi.org/10.1155/2008/170632

    Das laserinduzierte Rückseitenätzen im Kontakt zu Flüssigkeiten (LIBWE) ermöglicht das präzise Ätzen von transparenten Materialien für deren Mikro- und Nanostrukturierung. Ergebnisse zum LIBWE mit Kohlenwasserstoff- und Metallabsorbern hier dargelegt, um den Einfluss des Flüssigkeitsabsorbers, des Materials sowie von Wellenlänge und Pulsdauer des Lasers auf den Ätzprozess zu erörtern. Insbesondere wird das Ätzen periodischer Submikrometer-Strukturen in Saphir und Quarzglas mit Interferenztechniken und die Auswahl der bevorzugten Ätzmethode in Abhängigkeit vom Material und dem Bearbeitungsziel diskutiert. Die experimentellen Ergebnisse werden an Hand eines thermischen Modells diskutiert, das Oberflächenmodifikation und oberflächennahe Ablation bei Laserbestrahlung an einer Flüssigkeitsgrenzfläche berücksichtigt.

  • Laser-induced reactive microplasma for etching of fused silica

    M. Ehrhardt, P. Lorenz, B. Han, K. Zimmer
    Applied Physics A 126 (2020) 842
    https://doi.org/10.1007/s00339-020-04019-x

    Die ultrapräzise Bearbeitung von Oberflächen ist für die Hochtechnologieindustrie von großer Bedeutung. Die sehr präzise Kontrolle der Bearbeitungstiefe, eine geringe Rauheit der bearbeiteten Oberfläche und eine möglichst geringe Materialschädigung sind für diese Anwendungen erforderlich, jedoch können diese Oberflächeneigenschaften kaum mit Laserablationsprozessen realisiert werden. Der hier gezeigte Ansatz zur Verknüpfung von Laser- und Plasmaprozessen ermöglicht die Bearbeitung von Oberflächen mit sehr hoher Qualität. Bei Fokussierung des Lasers ein Reaktivgas, das auch Luft sein kann, entsteht durch optischen Durchbruch ein laserinduziertes, reaktives Mikroplasma, das hier zum Ätzen von Quarzglas bei Normaldruck verwendet wird.
    Grundsätzlich verknüpft der Prozess Vorteile von Laserbearbeitung und Plasmatechnologie. Daher tragen die experimentellen Ergebnisse zur Entwicklung neuer Fertigungstechnologien, beispielsweise für optische oder mikrotechnische Anwendungen, bei.

  • Studies on perovskite film ablation and scribing with ns-, ps- and fs-laser pulses

    L. Bayer, X. Ye, P. Lorenz, K. Zimmer
    Applied Physics A 123 (10) (2017) 619
    https://doi.org/10.1007/s00339-017-1234-5

    Hybride organisch-anorganische Perowskite sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen optoelektronischen Eigenschaften besonders für photovoltaische (PV) Anwendungen geeignet. Die genaue, schnelle und zuverlässige Strukturierung der PV-Schichten ist für die Herstellung von Perowskit-Solarmodulen erforderlich. Durch Laserprozesse kann diese Strukturierung in industriellen Fertigungsprozessen ermöglicht werden. In dieser Arbeit wurden der Laserabtrag und das Laser-Ritzen von Perowskit-Schichten mit verschiedenen Laserquellen (ns-, ps-, fs-Laserpulse mit Wellenlängen von 248 nm bis 2,5 µm) systematisch untersucht. Die Ergebnisse der Versuche ergaben, dass die Laserstrukturierung der Perowskit-Schicht durch verschiedene physikalische Prozesse erfolgen kann: (1) reguläre Laserablation, (2) Delaminations-Lift-off-Prozess und (3) Lift-off mit thermischen Modifikationen. Ein besonderer Prozess, das lokalisierte Abheben einzelner Körner aus dem Perowskitfilm, wurde beobachtet und wird im Zusammenhang mit dem Dünnschicht-Lift-off-Prozess diskutiert. Laserritzen ist vorteilhaft für die P2 Zellverschaltung zu Modulen.

  • Towards fast nanopattern fabrication by local laser annealing of block copolymer (BCP) films

    K. Zimmer, J. Zajadacz, F. Frost, A. Mayer, C. Steinberg, H. F. Chang, J. Y. Cheng, H. C. Scheer
    Applied Surface Science 470 (2019) 639-644
    https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.105

    Selbstassemblierungs- und Selbstorganisationsprozesse ermöglich Mechanismen zur direkten Mustererzeugung in Materialien und bieten damit gute Voraussetzungen zur großflächigen und kostengünstigen Strukturerzeugung. Da die Nanostrukturierung von Oberflächen unter 100 nm herausfordernd ist, wird hier die lasergestützte Selbstassemblierung von polymeren Oberflächen mit Strukturdimensionen von 25 nm gezeigt.
    Durch das Lasertempern von PS-b-PMMA-Blockcopolymer-Schichten wird eine lasergeführte, lokale Selbstassemblierung bei Bestrahlungszeiten unter 0,1 s erreicht. In der Veröffentlichung werden die verschiedenen Prozesse und Mechanismen der Selbstorganisation in solchen Schichten gezeigt und diskutiert. Der durch das laserinduzierte Temperaturfeld angestoßene Kurzzeit-Assemblierungsprozess in der Diblockcopolymerschicht ermöglicht das direkte Schreiben von hierarchischen nano-/mikroskaligen Strukturen, die für bio-inspirierte Anwendungen geeignet sind.

  • Laser patterning of hierarchical structures on metal cylinders for UV-NIL replication

    P. Lorenz, L. Bayer, T. Tachtsidis, K. Zimmer
    Bayerisches Laserzentrum GmbH, 10th CIRP Conference on Photonic Technologies [LANE 2018] 1-4
    https://www.lane-conference.org/industrial-contributions-2018

    Funktionale, mikrostrukturierte Oberflächen werden in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. selbstreinigende, lichtverteilende und biozide Oberflächen, benötigt. Solche Applikationen erfordern die kostengünstige Herstellung von Strukturen in funktionalen Materialien mit einem hohen Durchsatz. Die Ultraviolett-Nanoimprint-Lithographie (UV-NIL), die in einem Rolle-zu-Rolle (R2R)-Prozess integriert werden kann, eröffnet den Weg für die industrielle Herstellung solcher funktionaler Mikro- und Nanostrukturen in großem Maßstab. Für den R2R-Replikationsprozess ist das computergesteuerte Laserschreiben von Mustern auf Zylinderoberflächen zur Herstellung der Master eine ideale Ergänzung für eine durchgängige Prozesskette.
    Im Beispiel wird über das Laserschreiben von hierarchischen Mikrostrukturieren nahtlos (360°) auf Nickel-Sleeves mittels ps - Laser bei Wellenlängen von 1064 nm und 355 nm berichtet. Es wurde eine laterale Überlagerungsgenauigkeit der Locharrays mit 30 und 6 µm Durchmesser von besser als 10 µm über eine große Zylinderoberflächen ermittelt, so dass sich periodische, hierarchische Muster bilden, die nach Abformung in Polymere beispielsweise superhydrophobe Oberflächen liefern können.