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Richard Denk - Mit Mikrokugeln zu Nanostrukturen

Photon-induced patterning of materials by means of microspheres

oder

Mit Mikrokugeln zu Nanostrukturen


Richard Denk
angefertigt an der Abteilung für Angewandte Physik des Instituts für Experimentalphysik

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Laser-Materialbearbeitung ist heute sowohl in der Forschung, aber auch in vielen Industriezweigen von großer Bedeutung. Das Anwendungsspektrum erstreckt sich von Schweissen, Schneiden und Bohren von Werkstoffen, über Medizintechnik (Augenoperationen) und Telekommunikation bis zur Mikro- und Nanostrukturierung, wie sie etwa bei der Herstellung von Chips in der Mikroelektronik angewandt wird.

In dem zuletzt genannten Bereich bedient man sich der Laserlithographie. Bei dieser Technik bringt man eine dünne Schicht Photolack auf dem Werkstück auf, welcher unter Verwendung einer Maske mit Laserlicht bestrahlt wird. Anschließend wird je nach verwendetem Photolack der bestrahlte bzw. unbestrahlte Lack vom Werkstück abgelöst. An den nun ungeschützten Teilen des Werkstückes kann eine Vielzahl von Prozessen durchgeführt werden, wie z.B. Aufbringen einer Metallschicht, Ätzten oder Dotieren (Fremdatome einbringen). Nach dem Entfernen des verbliebenen Photolacks bleibt die nach dem Muster der Maske strukturierte Oberfläche zurück. Durch mehrmalige Anwendung der Laserlithographie entstehen so komplexe Strukturen wie Chips.

Für einfache Strukturierungen ist die Laserlithographie aber, aufgrund der vielen Arbeitsschritte, viel zu aufwendig. Als Ausweg bietet sich die Nutzung Laser-induzierte Prozesse an, bei denen das Werkstück direkt durch das Laserlicht strukturiert wird. Man muss also nur das gewünschte Muster mit dem Laser auf das Werkstück "malen", weitere Arbeitsschritte sind nicht von Nöten. Für große Flächen ist diese Methode allerdings nicht geeignet, da das "Malen" der Struktur sehr zeitaufwändig ist.

 

Die hier vorgestellte Arbeit hatte zum Ziel, die Vorteile der Ein-Schritt-Prozesse mit der Großflächigkeit der Laserlithographie zu verbinden.

In dem hier vorgestelleten Verfahren bringt man einen Tropfen einer Flüssigkeit, in dem Mikrokugeln schwimmen, auf einen Träger auf. Die Kügelchen ordnen sich von selbst in einem sechseckigem Muster an, während die Flüssigkeit verdunstet. Durch geschickte Wahl der Parameter (Tropfengröße, Luftfeuchtigkeit, Temperatur etc.) kann man so Quadratzentimeter große Flächen mit regelmäßig angeordneten Kügelchen erhalten.

Verwendet man nun einen transparenten Träger und strahlt Licht durch diesen, so fungiert jede einzelne Kugel als Linse und bündelt das Licht vor sich, man erhält also ein sechseckiges Muster von Lichtpunkten. Bei Verwendung von Laserlicht werden diese Lichtpunkte so intensiv, dass direktes Strukturieren von Oberflächen durch Schmelzen oder Verdampfen möglich ist. Bringt man weiters eine chemisch reaktive Atmosphäre zwischen Kugeln und Werkstück, wird lokales Ätzen der Oberfläche bzw. lokales Abscheiden von Metallen ermöglicht.

Diese Linsengitter erlauben es, auf einer Probe mit einem einzigen Laserpuls Millionen regelmäßig angeordneter Strukturen zu erzeugen. Durch Variation der Kugelgröße, es gibt sie von 0,06 bis 10 µm (1 µm ist ein Millionstel Meter) können Strukturen mit beliebigem Abstand erzeugt werden.

 

Da es eine Vielzahl von Laser-induzierten Prozessen gibt, kann fast jede gewünschte Strukturierung durchgeführt werden. Bisher wurde mit dieser Methode die direkte Ablation ("Verdampfen") von Polymeren, die Transformation von Photolacken, das Ätzen und Abscheiden von Metallen, sowie das lokale Schmelzen von Silizium erfolgreich durchgeführt.

Löcher in Photolack

Si-Spitzen erzeugt durch lokales Schmelzen

      
Die kleinsten bis heute erzielten Strukturen waren Löcher in Polymeren mit einem Durchmesser von 96 nm (1 nm entspricht 1 Milliardstel Meter). Dies ist insbesondere von Bedeutung, als Strukturen dieser Größe die Grenze der Leistungsfähigkeit der Laserlithographie darstellen, während mit den Mikrokügelchen noch bedeutend kleinere Strukturen möglich sein sollten, etwa durch Verwendung kleinerier Kugeln oder Ultrakurzer Laserpulse.