Resonante Materialbearbeitung mit (ultra-)kurzen Laserpulsen

Die Erfindung besteht in der Nutzbarkeit einstellbarer elektromagnetischer (EM) Felder zur gezielten Erzeugung von Strukturen mit Dimensionen kleiner als der verwendete Laserspot. Dabei wird das Feld, das ein Ultrakurzpulslaser auf der Oberfläche eines Gegenstands erzeugt, mit einem externen Feld überlagert, um so eine materialspezifische Resonanzüberhöhung zu erreichen.

Problemstellung

Die kontrollierbare Herstellung von mikro- und nanoskaligen Oberflächenstrukturen ist für viele Industrie- und Forschungszweige sehr interessant. Mit (Ultra-)Kurzpuls-Lasern lassen sich sogenannte LISOS („Laser induzierte selbstorganisierende Strukturen“) heutzutage relativ einfach erzeugen. Für die schnelle Bearbeitung makroskaliger Oberflächen mit mehreren Teilspots sind dabei mittlere Laserleistungen im Kilowattbereich notwendig. Daraus ergeben sich nach derzeitigem Stand der Technik sehr hohe Laseranschaffungs- und Unterhaltskosten und damit eine hohe industrielle Hemmschwelle.

Unsere Lösung

Bei resonanter Anregung bildet das elektromagnetische Feld des Lasers stehende Wellen auf der Oberfläche aus. Es kommt zu einer Überhöhung des Feldes an bestimmten Punkten, wodurch auch mit mittleren Laserleistungen die Ablationsschwelle lokal überschritten wird. Die entstehenden Strukturen haben Größen im Bereich weniger Mikro- bis Nanometer und sind somit wesentlich kleiner als der eigentliche Strahldurchmesser. Das reproduzierbare Einstellen der Resonanzbedingung ist jedoch ein im Allgemeinen recht komplizierter Vorgang da sie sowohl abhängig vom jeweiligen Material als auch von der Lasergeometrie ist.
Besonders einfach kann man die Resonanzbedingung erreichen, indem man ein externes EM-Feld anlegt, das sich dann mit dem EM-Feld des Lasers überlagert. Dies kann auch durch die Bestrahlung mit Mikrowellen realisiert werden. Das initial laserinduzierte EM-Feld auf der Materialoberfläche wird durch Anlegen dieses externen EM-Feldes - sei es statisch oder dynamisch - verändert. So hat man direkten Einfluss auf die Form der resonanten Moden und damit auch auf die Strukturparameter wie z.B. deren mittlere Abstände oder deren Höhenprofil. Der Laseraufbau muss für die Bearbeitung unterschiedlicher Materialien so nicht mehr verändert werden, da die Resonanzanpassung ausschließlich über das externe Feld erfolgt.

Aufbau zur resonanten Oberflächenbearbeitung mittels Laser und externem Feld. Über zwei Elektroden, die sich auf dem Werkstück links und rechts des zu bearbeitenden Gebietes befinden, kann ein variables, elektrisches Feld angelegt werden. Dieses überlagert sich mit dem elektromagnetischen Feld des Lasers und vereinfacht so das Einstellen der materialspezifischen Resonanzbedingung beträchtlich. (Bildquelle: V. Schütz)

Vorteile

Die Resonanzanpassung durch externe Felder macht diverse industrielle Applikationen überhaupt erst wirtschaftlich darstellbar oder zumindest wesentlich kostengünstiger durch:

Reduzierung der notwendigen mittleren Laserleistungen
Einfache Anpassung und Kontrolle der Resonanzen und damit der Nano- und Mikrostrukturen
Erhöhte Produktionsgeschwindigkeit
Einsatz preiswerterer Materialien.

Anwendungsbereiche

Einige Anwendungsbereiche der resonanten Laserbearbeitung sind im Folgenden aufgeführt:

Verringerung der Reflexion von Halbleitern und somit höherer Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen
Erhöhung der Empfindlichkeit von Photodetektoren
Vergrößerung der effektiven Oberfläche
- für katalytische Prozesse (z.B. in der Batterietechnologie zur Vergrößerung der Oberfläche von LiCoO₂-Kathoden zur Kapazitätssteigerung von Lithium-Ionen Akkumulatoren)
- in der Tribologie zur Erzeugung von größeren und ortsvarianten Reibwerten
- in der Medizin zur ortsvarianten selektiven Mortalität bestimmter Zelltypen
Mikroskalige Modifikation von Oberflächeneigenschaften durch Verstärkung von chemischen Reaktionen (z.B. Oxidationen) an Schwingungsbäuchen oder Knoten
Funktionalisierung von Oberflächen (z.B. zur Verringerung der Benetzung)
Gezielte Erzeugung von Kleinstpartikeln

Strukturerzeugung ohne (links) und mit (rechts) zusätzlich angelegtem elektromagnetischen Feld bei der Laserbearbeitung (400 Pulse pro Punkt, Laserfluenz 880 mJ/cm²) von Stahl. (Quelle: V. Schütz)

Entwicklungsstand

Die Erfinder haben bereits Oberflächen von verschiedenen Materialien reproduzierbar strukturiert. Mit einem 7W-Laser konnten so bereits Silizium-Substrate großflächig und mit einer Geschwindigkeit von knapp 16 mm²/s bearbeitet werden. Dabei handelte es sich um multikristalline Substrate die im Gegensatz zu monokristallinem Silizium nicht mit den bekannten Ätzverfahren bearbeitet werden können, in der Anschaffung aber deutlich preiswerter sind. Die Erhöhung des Wirkungsgrades lag dabei durchschnittlich 0,21% (absolut) über den Werten, die mit Ätzverfahren erreicht wurden. Neben den experimentellen Daten existiert zudem ein theoretischer Ansatz, mit dem sich ein Zusammenhang zwischen Laserfluenz und externem Feld auf der einen Seite und den materialabhängigen Struktureigenschaften auf der anderen Seite herstellen lässt. Weiterhin wurde ein mikrowellengestütztes Lasermaterialbearbeitungssystem entwickelt, erfolgreich an unterschiedlichen Materialien getestet und der Modifikationseffekt wurde verifiziert.

Patentsituation

Deutsche Patentanmeldung: DE102012025294 (A1)
Patentanmelder: Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Kontakt

Dr. Ireneusz Iwanowski
Patent Manager (Physik, Technik und Software)
E-Mail: iiwanowski(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 153
www.sciencebridge.de
Referenz: CPA-1538-LZH