Laserinduzierte Nanostrukturierung mittels Mikrokügelchen

Das hier beschriebene Projekt soll die Vorteile der Laser-Materialbearbeitung durch "direktes Schreiben" mit den Vorteilen großflächiger Parallelschrittverfahren verbinden. Dazu verwendet man zur Fokussierung der Laserstrahlung nicht eine einzelne Linse, sondern ein Linsensystem aus Mikrokugeln. Solche Mikrokugeln bringt man als kolloidale Lösung auf einem transparenten Träger auf und verdampft das Lösungsmittel. Durch Selbstorganisation ordnen sich die Mikrokugeln in Form einer hexagonal dichtesten Kugelpackung. Ein solches Linsensystem erzeugt 106 bis 108 Brennpunkte/cm2 , die zur lichtinduzierten Strukturierung von Oberflächen durch Ablation, Ätzen, Abscheidung und Oberflächenmodifizierung verwendet werden können. Positioniert man das zu bearbeitende Substrat etwas außerhalb der Brennebene der Mikrokugeln, so entstehen durch Interferenz der Strahlbündel der Einzelkugeln Strukturen höherer Ordnung. Aufgrund von nichtlinearen Licht-Materie Wechselwirkungen und aufgrund von optischen Nahfeldeffekten ist es möglich, Strukturen mit lateralen Abmessungen im Nanometerbereich herzustellen. In ersten Experimenten zu diesem Thema haben wir in Polyimid durch Ablation Strukturgrößen von 160 40 nm erzielt. Durch Optimierung der Laserparameter und der optischen Justage sollte es möglich sein, Strukturgrößen weit unterhalb von 100 nm zu erreichen.

Die Strukturierung von Oberflächen durch Laserstrahlung wird in unterschiedlichsten Bereichen der Mikromechanik, Sensorik, Aktorik, der Mikro- und Optoelektronik, der chemischen Technologie, der Biotechnologie sowie der Medizin angewandt. Bei vielen dieser Anwendungen erfolgt die Strukturierung durch sogenanntes "direktes Schreiben" mit dem Laserstrahl, durch Projektion des Laserlichtes unter Verwendung einer Maske, oder durch Interferenz der Laserstrahlung. Im Rahmen des Projektes LASER-INDUCED NANOPATTERNING BY MEANS OF MICROSPHERES wurde eine neue Methode entwickelt, welche es erlaubt, mit einem einzigen Laserpuls bis zu einigen Milliarden Mikro- / Nanostrukturen auf einer Oberfläche zu erzeugen. Unter Verwendung kolloidaler Lösungen wird auf einem Träger oder direkt auf dem Substrat eine Monolage (ML) aus Mikrokugeln erzeugt. Diese Mikrokugeln ordnen sich durch Selbstorganisation regelmäßig an. Bei den hier durchgeführten Untersuchungen wurden insbesondere Mikrokugeln aus Quarzglas und einem Kunststoff (Polystyrol) verwendet. Bestrahlt man eine solche Anordnung mit Laserlicht, so wirkt jede dieser Mikrokugeln wie eine einzelne Linse. Jede Mikrokugel bündelt also die einfallende Strahlung auf das Substrat. Tatsächlich wurde im Rahmen dieses Projektes gezeigt, dass diese Methode die direkte Erzeugung von einigen Tausend bis einige zehn Milliarden Strukturen/cm2 mit einem einzigen "Laserschuß" erlaubt. In den Experimenten wurde die Strukturierung von Oberflächen durch lokale Abtragung (Ablation, Ätzen), durch Abscheidung eines anderen Materials, oder durch unterschiedliche physikalische oder chemische Veränderungen der Materialoberfläche demonstriert. Durch Interferenzeffekte kann die Zahl der erzeugten Strukturen sogar wesentlich größer als die Zahl der Mikrokugeln sein. Aufgrund von optischen, physikalischen und chemischen Nichtlinearitäten, aber auch durch Nahfeldeffekte können Strukturen erzeugt werden, deren Abmessungen sehr klein im Vergleich zur verwendeten Laserwellenlänge sind. So wurden beispielsweise Mikro-/Nanostrukturen auf Metallfolien, Siliziumoberflächen, sowie auf unterschiedlichen Oxiden und Polymerfolien in Form von hexagonal angeordneten Vertiefungen/Löchern, Erhebungen oder lokalen chemischen / physikalischen Veränderungen der Oberfläche erzeugt. Verändert man den Einfallswinkel zwischen Laserstrahl und Substrat, so können Strukturen mit unterschiedlichen Formen erzeugt werden. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich auf der Basis der lokalen Verstärkung des elektromagnetischen Feldes und nicht-linearer Laser-Materie Wechselwirkungen semiquantitativ beschreiben.