Erzeugung von Sub-Wellenlängen-Strukturen mittels direkter Laserbestrahlung

Submikrometergroße Strukturen auf der Oberfläche von technischen Werkstoffen können besondere optische, mechanische und biologische Funktionalitäten hervorrufen. Die Anwendungsmöglichkeiten solcher funktionalisierter Oberflächen sind daher äußerst umfangreich, wobei die Topologie der Oberflächenstrukturen auf bestimmte Anwendungen hin optimiert werden kann. Allgemein geht der Trend zu immer kleineren Strukturgrößen. Die Erzeugung solcher Strukturen durch direkte Laserablation ermöglicht dabei günstige, schnelle und flexible Fertigungsverfahren. Unsere früheren Studien zeigten, dass der Einsatz von kurzen UV-Pulsen, mithilfe einer Kombination aus Maskenabbildung und Mehrstrahlinterferenz, die Erzeugung von hochaufgelösten periodischen Strukturen durch direkte Laserbestrahlung erlaubt. Dabei ist die Strukturauflösung jedoch durch die Numerische Apertur der verwendeten Optik und durch Beugung begrenzt, so dass Strukturperioden von weniger als der 1,5 fachen Wellenlänge nicht realisiert werden konnten. Mithilfe eines neuartigen Ansatzes konnten wir nun neue Wege zur Erzeugung von Subwellenlängen-Perioden durch direkte Laserstrukturierung aufzeigen. Kern der Idee ist die Reduzierung der Strukturgröße durch Fluenzbegrenzung gefolgt von einer Mehrfachbestrahlung der Oberfläche.
Jede periodische Oberflächenstruktur weist eine sogenannte ‚Einheitszelle‘ auf, deren Topologie sich entlang eines ein- oder zweidimensionalen Rasters wiederholt. Im einfachsten Fall beinhaltet die Einheitszelle (Länge der Diagonale D) lediglich ein einzelnes Merkmal. Die Erzeugung von Subwellenlängen-Perioden geschieht in folgenden drei Schritten: 1) Ablative Bestrahlung der Probe mit einem Interferenzmuster; 2) Verschiebung des Musters um D/2 (im Allgemeinen um einen Betrag kleiner als die Größe der Einheitszelle); 3) Erneute ablative Bestrahlung der Probe. Als Ergebnis entsteht ein Muster mit einer erhöhten Fülldichte und einer entsprechend reduzierten Periodizität. Eine wichtige Eigenschaft des optischen Aufbaus ist die verkleinernde Abbildung, mit deren Hilfe sehr kleine, präzise laterale Translationen des projizierten Interferenzmusters erreicht werden können. Dazu wird anstatt des Werkstücks der diffraktive Strahlteiler verschoben. Dies resultiert in einer stark verkleinerten lateralen Verschiebung des Musters auf dem Werkstück. Folglich verursacht eine einfach kontrollierbare, mikrometergroße Bewegung einer Komponente einen Versatz des Bestrahlungsmusters, der in der Größenordnung von 100 nm liegt.

 

In einem Praxistest der neuen Methode wurden Polyethylensulfon (PES) Proben mit 500 fs langen Pulsen der Wellenlänge 248 nm bestrahlt. Nach Reduzierung der Fluenz von 500 mJ/cm2 auf 50 mJ/cm2 konnte die Größe der einzelnen Merkmale signifikant verkleinert werden. Nach Verschiebung des Interferenzmusters und erneuter Bestrahlung resultiert eine Topologie erhöhter Dichte.

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Laser-Laboratorium Göttingen e.V. (LLG)

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