STED-inspirierte Nanolithographie jenseits (Meth-)Acrylaten

Im Jahr 2014 verlieh die Königliche Schwedische Akademie der Wissenschaften den Nobelpreis für Chemie unter anderen an Stefan Hell für seine Erkenntnis, dass Beugungseffekte, wie sie unweigerlich bei der Fokussierung des Lichts auftreten müssen (Abbe 1873), wider der allgemeinen Annahme, die Auflösung in der optischen Fluoreszenzmikroskopie doch nicht limitieren. Der von Stefan Hell vorgeschlagene Trick ist, dass man bei Farbstoffen quantenchemische Effekte ausnutzen kann, um sie im Außenbereich des beugungslimitierten Fokus abzuregen, noch ehe sie ein Fluoreszenzphoton aussenden können. Der Fachausdruck lautet Stimulated Emission Depletion (STED) Mikroskopie. Mittlerweile wurde diese Idee auf die dreidimensionale optische Lithographie übertragen. Bei dieser wird ein Fotolack, bestehend aus Monomeren und sogenannten Photoinitiatoren, im optischen Fokus angeregt, was dann dort zur Verkettung der Monomere und zu einer festen Struktur führt. Bewegt man den Fokus durch den Fotolack, lassen sich damit dreidimensionale Strukturen erzeugen. Auch hier entsprechen, beugungsbedingt, die Ausmaße des optischen Fokus in etwa der Wellenlänge des verwendeten Lichts. Somit spielt auch hier die Beugung eine limitierende Rolle für die minimale Größe und Auflösung der Polymerstrukturen. Wenn aber nun die Photoinitiatoren im Außenbereich des Fokus optisch wieder abgeregt werden, noch ehe sie eine Polymerisationsreaktion starten können, so kann auch hier die Auflösung trotz der limitierenden Beugung, verbessert werden. Man spricht von STED-inspirierter optischer Lithographie. Diese Methode wurde in den letzten 15 Jahren sehr erfolgreich von mehreren Gruppen auf der Welt, darunter der von Prof. Klar, an Acrylen und ähnlichen radikalischen Polymeren angewendet. Ein typischer Vertreter dieser Gruppe von Polymeren ist Plexiglas. Bisher entzogen sich aber zwei weitere, technisch sehr wichtige, Polymerklassen diesem Tick: Es konnten bisher weder kationische Polymere noch oxidative Polymere damit nanostrukturiert werden. Zu den kationischen Polymeren zählen zum Beispiel die Epoxide, die in der klassischen Halbleiterindustrie eine wichtige Rolle spielen. Zu den oxidativ reagierenden Polymeren gehören die meisten leitfähigen Polymere, mit der sich Plastikelektronik herstellen lässt. Im vorliegenden Projekt sollen nun beide Lücken geschlossen werden. Der Schlüssel liegt zum einen in der Photochemie der verwendeten Initiatoren und zum anderen in der Verwendung geeigneter Optiken und Lasern. Die Arbeitsgruppe von Prof. Klar hat hier, weltweit erstmalig, interessante erste Ansätze erzielt, die als Grundlage dieses FWF Projekts dienen.