Effektive Herstellung von Nanonetzen

Ein Verfahren zur einfachen Herstellung unterhöhlter bzw. überwölbter nanoskaliger Oberflächen mit periodischen Strukturen wird vorgestellt. Solche Strukturen sind besonders im Bereich der Zellkultur und Implantologie von großen Interesse. Im Gegensatz zu konventionellen Techniken wie der Zwei-Photonen Polymerisation können dabei große Oberflächen zeiteffektiv bearbeitet werden.

 

Problemstellung

Mikro- oder nanoskalige Oberflächenstrukturen werden in der Regel durch abtragende, aufbauende oder umformende Verfahren hergestellt. Zu den abtragende Verfahren zählen beispielsweise das Ätzen oder die Laserablation, unter aufbauenden Verfahren versteht man alle Arten von Beschichtungsprozessen oder lasergestützten Depositions- und Aushärteverfahren (Zwei-Photonen-Polymerisation). Zu den Umformverfahren gehören Nanoimprint und Laser Assisted Direct Imprint Techniken.
Mit den meisten dieser Verfahren sind jedoch keine definiert unterschnittenen oder unterhöhlten Strukturen realisierbar. Bei lithographischen Verfahren muss hierzu ein extrem hoher Aufwand betrieben werden (Unterätzen). Allein mit der Zwei-Photonen-Polymerisation sind im Prinzip beliebige, also auch unterhöhlte Strukturen herstellbar. Allerdings handelt es sich hierbei um einen seriellen Prozess mit entsprechend langen Bearbeitungszeiten.
Die einfache Herstellung netzartiger oder unterhöhlter Strukturen auf Oberflächen aus einem biokompatiblen Material ist besonders für die Zellkultur oder auch Implantologie interessant, da z.B. unterschiedliche Oberflächenstrukturen ein Zellwachstum begünstigen oder auch verhindern können. In diesem Zuge ist bereits gezeigt worden, dass eine unterschnittene (pilzförmige) Struktur vorteilhaft für das Anwachsen von Nervenzellen ist.

 

Unsere Lösung

Im hier vorgestellten Verfahren zur Erzeugung einer nanoskaligen periodischen Struktur wird in einem ersten Schritt eine sog. Hartschicht auf einem Substrat wie z.B. Quarzglas deponiert. Diese Hartschicht kann z.B. eine Oxidschicht wie SiOx sein. Auf diese erste Schicht wird dann eine Weichschicht in Form einer Polymerschicht oder eines Flüssigkeitsfilms aufgebracht. Dieses sog. Confinement sorgt zur Beruhigung der Oberfläche während der eigentlichen Bearbeitung. Für diese wird die Hartschicht mit einem gepulsten Laser bestrahlt. Dabei hat der Laser eine Wellenlänge, die bei der Hartschicht absorbierend ist und ein Intensitätsprofil, das räumlich moduliert ist. Dadurch wird erreicht, dass die Ablationsschwelle der Hartschicht in definierten Bereichen überschritten wird und sich die Schicht infolge dessen lokal vom Substrat abhebt, wodurch die gewünschten unterhöhlten Strukturen entstehen.
Abschließend kann zusätzlich die Entfernung der Weichschicht und eine Nachbehandlung (z.B. Tempern) der Struktur erfolgen. Die Wahl der Beleuchtungsparameter erlaubt die Erzeugung sehr unterschiedlicher Strukturen, wie beispielsweise Netze mit dünnen Stegen oder unterhöhlte Blasen.



Vorteile

  • Effizientes Verfahren
    • großflächige Anwendung
    • hohe Geschwindigkeit
    • einfache Umsetzung
  • einfache Einstellung und Kontrolle der Parameter
  • Strukturerzeugung auf
    • transparenten Sustraten (z.B. Quarzglas), oder
    • opaken Substraten (z.B. Stahl, Titan), möglich
  • Vielfältige Strukturen (Blasen, Gitter, ...) mit verschiedenen Perioden herstellbar
  • Nachgewiesener deutlicher Einfluss auf Zellwachstum und -adhäsion

Anwendungsbereiche

  • Substrate zur Beeinflussung von Zellwachstum und -adhäsion
  • Mikro- und Nanofluidik (z.B. Qartz-Nanokanäle)
  • Erzeugung hydrophiler / hydrophober Oberflächen
  • Substrate für die Feldverstärkung z.B. bei der oberflächenverstärkten Ramanstreuung (SERS)
  • Templates für Neuron-Chip-Interfaces
  • Photonische Chips
  • Optische Fasern mit Subwellenlängen-Durchmesser
  • Silizium Nanodrähte
  • Ringresonatoren
  • Photokatalyse

Entwicklungsstand

Es wurden bereits verschiedene Strukturen (u.a. auf Quarzglas) hergestellt. Die Struktur der Oberfläche kann dabei mit einer Vielzahl von Parametern beeinflusst werden und reicht von blasenartigen bzw. tunnelartigen Hohlräumen über frei tragende „Drahtgeflechte“ bis hin zu vollständig vom Substrat abgelösten Netzen.

Patentsituation

Europäische Patentanmeldung erteilt, validiert in DE: EP2857138B1

Patentinhaber/-anmelder: Laser-Laboratorium Göttingen e.V.

Kontakt

Dr. Tilmann Götze
Patentmanager Physik & Technik
E-Mail: tgoetze(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: CPA-1310-LLG
www.sciencebridge.de

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