Benutzer:Surfunction/Direct laser interference patterning
Die direkte Laserstrahlinterferenzstrukturierung, im Englischen Direct Laser Interference Patterning (DLIP), ist eine laserbasierte Technologie, welche das physikalische Prinzip der Interferenz von hochintensivem Licht nutzt, um funktionelle periodische Mikrostrukturen herzustellen. DLIP kann auf nahezu jedem Material angewendet werden und verändert die Eigenschaften der Oberflächen in vielen Bereichen hinsichtlich hygienischer und optischer Eigenschaften, sowie eine Veränderung der Reibung, Lichtabsorbtion und Benetzungsfähigkeit.
Geschichte
In den 90-er Jahren lernte Prof. Frank Mücklich bei Prof. Martin Stutzmann an der TU München dessen Verfahren zur lokalen Kristallisation von amorphen Schichten kennen[1]. Das Verfahren beruhte auf Laserinterferenz. Mücklich, der bereits in der Promotion intensive theoretische und experimentelle Erfahrungen mit Interferenzphänomenen gesammelt hatte, wollte diese nun mit höherer Laser-Intensität für die Entwicklung einer lokal-periodischen Gefüge-Metallurgie einsetzen. Mit dem Preisgeld seines Alfried-Krupp-Förderpreises 1997 konnte er dies in den Labors seines Lehrstuhles für Funktionswerkstoffe an der Universität des Saarlandes realisieren.
Was bei den Experimenten jedoch auffiel war, dass sich neben der Gefügemetallurgie, also der Gefügeänderung im Inneren auch die Mikro-Topografie der Oberfläche in Abhängigkeit von der Zahl der kohärenten Laserstrahlen und deren Winkel zueinander in einem einzigen Schritt exakt periodisch steuern ließ. Damit begann die Geschichte des Direct Laser Interference Patterning.[2]
Inspiriert durch die Bionik-Forschung von Prof. Nachtigall entstand die gemeinsame Idee, die in der belebten Natur typischen und für die jeweiligen „Funktionalitäten“ bei Pflanzen und Tieren evolutionär optimierten Oberflächenstrukturierungen nachzuvollziehen im Rahmen des interdisziplinären Forschungsthemas der „Biologisch komponierten Materialien“. Dabei waren die Arbeiten mit seinem damaligen Doktoranden, Prof. Andrés Lasagni, ganz besonders inspirierend und erzielten gemeinsam rasche Erfolge: 2006 promovierte Prof. Lasagni als bester Doktorand des Jahres zu Strukturierung durch Laserinterferenzmetallurgie im Mikro-/Nanobereich ("Advanced design of periodical structures by laser interference metallurgy in the micro/nano scale on macroscopic areas"[3]). Für die besonders erfolgreichen Publikationen verlieh die Jury des International Journal of Materials Research - IJMR an Prof. Mücklich und sein Team den Werner Koester Preis der DGM. Für seine außergewöhnliche Leistung erhielt Andrés Lasagni den renommierten Masing-Gedächtnispreis der DGM.
2008 kehrte Lasagni nach seinem Postdoc Aufenthalt als Humboldt-Stipendiat in den USA mit einem Fraunhofer-Attract-Grant nach Deutschland zurück und baute am Fraunhofer IWS Dresden ein Forschungsteam zum Thema “Surface Functionilization” auf und entwickelte die für die robuste Anwendung entscheidenden kompakten Optiken für die heutige DLIP Technologie, während Mücklich und sein Team in Saarbrücken immer neue Anwendungsfelder erschlossen und das Material Engineering Center Saarland eröffneten, in dem direkte Industrie-Kooperationen den Transfer vorantrieben.
Für die gemeinsame innovative Innovationsplattform der Lasertechnologie und die einzigartig erfolgreiche Kooperation wurden Mücklich und Lasagni 2016 mit dem Berthold Leibinger Innovationspreis für die Entwicklung der direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) ausgezeichnet.
Mücklich und Lasagni haben zusammen mit Dr. Dominik Britz und Ralf Zastrau die Firma SurFunction GmbH gegründet, um die Technologie erstmalig am Markt zu kommerzialisieren.
Verfahren
Sinnbildlich können sich die elektromagnetischen Wellen eines Laserstrahls ähnlich zu Wasserwellen unter Ausbildung von Intensitätsmustern überlagern. Dieses Prinzip wird Interferenz genannt. Trifft ein Wellenberg der ersten sich ausbreitenden Welle auf einen Wellenberg der überlagernden, zweiten Welle, so resultiert dies in der Ausbildung einer größeren Welle, genannt konstruktive Interferenz. Trifft ein Wellental auf einen Wellenberg, so kommt es zur Auslöschung der Welle, genannt destruktive Interferenz.
Auf diese Weise werden mittels überlagernder Laserstrahlen Intensitätsmuster erzeugt, welche auf eine Bauteiloberfläche projiziert werden. Das Material wird in Bereichen konstruktiver Interferenz aufgeschmolzen oder sogar verdampft, während es in Bereichen destruktiver Interferenz nahezu unbeeinflusst verbleibt. Die Anzahl und Anordnung der Strahlen zueinander bestimmt die Art des aufgebrachten Musters. Dies kann z.B. ein Linien-, Kreuz-, Punktmuster bzw. nahezu jedes periodische Oberflächenmuster sein.
Der Winkel ϕ zwischen den sich überlagernden Laserstrahlen und die Wellenlänge λ des verwendeten Lasers entscheiden über die Strukturgröße des applizierten, periodischen Intensitätsmusters.
Der Strahldurchmesser muss im Gegensatz zu anderen Bearbeitungsverfahren, wie z.B. dem Laserschreiben mittels Polygonscanner, nicht fokussiert, sondern kann je nach Material sogar geweitet werden, um dadurch bei deutlich größerer Bearbeitungsfläche pro Laserpuls dennoch mikroskopisch kleine Strukturen zu erzeugen.
DLIP, gepaart mit einem Hochfrequenzlaser, erreicht so Bearbeitungsgeschwindigkeiten im Bereich m²/min bei höchster Präzision bis in den Nanometerbereich.
Zusätzlich besitzt das DLIP Verfahren im Vergleich zum Laserschreiben eine sehr hohe Tiefenschärfe, da DLIP nicht auf eine genaue Fokussierung des Laserstrahls angewiesen ist, sondern ein „Interferenzvolumen“ erzeugt, innerhalb dessen die Oberfläche mit dem entsprechenden Interferenzmuster gleichermaßen strukturiert wird.
Preise im Zusammenhang mit DLIP
- Berthold Leibinger Innovationspreis (2016)
- Werner Köster Preis (2006)
- Masing Preis (2006)
- Alfried Krupp Förderpreis (1997)
Weblinks
- Structuring and functionalization of non-metallic materials using direct laser interference patterning: a review
- Laser Interference Metallurgy – using interference as a tool for micro/nano structuring
- Direct laser interference patterning of multi-walled carbon nanotube-based transparent conductive coatings
- Comparative study of grain sizes and orientation in microstructured Au, Pt and W thin films designed by laser interference metallurgy
- Periodic Pattern Formation of Intermetallic Phases with Long Range Order by Laser Interference Metallurgy
- Simple Fabrication Method of Conductive Polymeric Arrays by Using Direct Laser Interference Micro-/Nanopatterning
- Periodical Surface Structuring of Metals by Laser Interference Metallurgy as a New Fabrication Method of Textured Solar Selective Absorbers
- Laser interference metallurgy: A new method for periodic surface microstructure design on multilayered metallic thin films
- One-Step Production of Organized Surface Architectures on Polymeric Materials by Direct Laser Interference Patterning
- Direct micro-patterning of aluminum substrates via laser interference metallurgy
Einzelnachweise
- ↑ Laser‐Interference Crystallization of Amorphous Silicon: Applications and Properties. Abgerufen am 18. September 2022.
- ↑ Andrés F. Lasagni, Carsten Gachot, Kim E. Trinh, Michael Hans, Andreas Rosenkranz: Direct laser interference patterning, 20 years of development: from the basics to industrial applications. In: SPIE Proceedings. Band 10092. SPIE, 17. Februar 2017, S. 186–196, doi:10.1117/12.2252595 (doi.org [abgerufen am 19. September 2022]).
- ↑ Andrés Fabián Lasagni: Advanced design of periodical structures by laser interference metallurgy in the micro/nano scale on macroscopic areas. 2006, doi:10.22028/D291-22362 (uni-saarland.de [abgerufen am 19. September 2022]).
