Nanostrukturierung

  Periodische Nanostrukturen - Sub-Wellenlängen-Riffel auf Oberflächen Urheberrecht: Fraunhofer ILT Periodische Nanostrukturen - Sub-Wellenlängen-Riffel auf Oberflächen

Mit Femtosekunden-Laserstrahlung werden kohärente periodische Nanostrukturen (Riffel, englisch ripples) mit Abständen deutlich kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung auf Oberflächen von unterschiedlichsten Werkstoffen und im Volumen von transparenten Materialien hergestellt.

Nanostrukturierung
Periodische Nanostrukturen, sogenannte Riffel, werden auf der Oberfläche von Dielektrika bei der Materialbearbeitung mit Femtosekunden-Laserstrahlung erzeugt. Die Abstände der Riffel sind deutlich kleiner als die verwendete Wellenlänge (~ 1 µm), weshalb sie auch als Sub-Wellenlängen-Riffel bezeichnet werden. Durch die Nanostrukturierung wird die Oberfläche des Materials funktionalisiert, so dass beispielsweise die Änderung des Kontaktwinkels eines Flüssigkeitstropfens hervorgerufen wird.
Durch einmaliges Verfahren des Fokus mit einem Durchmesser von ca. 2 µm werden senkrecht zur Polarisationsrichtung der Laserstrahlung Subwellenlängen-Riffel ausgebildet. Typische Abmessungen sind eine Breite von ca. 125 nm, ein Abstand von ca. 240 nm und eine Tiefe von ca. 100 nm. Periodische Riffelstrukturen können kohärent in zwei Dimensionen fortgesetzt werden, indem Überlappfahrten mit konstantem Versatz durchgeführt werden. Auf diese Weise lassen sich mehrere Millimeter große Oberflächen mit Subwellenlängen-Riffeln füllen.

  Oberflächenfunktionalisierung - Saphir mit Sub-Wellenlängen Riffeln (eingerahmter Bereich) Urheberrecht: Fraunhofer ILT Oberflächenfunktionalisierung - Saphir mit Sub-Wellenlängen Riffeln (eingerahmter Bereich)

Nanostrukturierte Oberflächen
Auf Saphir wird der Kontaktwinkel von Wasser durch die erzeugten Riffelstrukturen mehr als verdoppelt. Die Oberfläche wird durch die Nanostrukturierung hydrophob. Eine optische polierte Saphiroberfläche weist einen Kontaktwinkel von ca. 68° auf, wohingegen auf nanostrukturiertem Saphir ein Winkel von ca. 134° erreicht wird. Die Transmission von sichtbarem Licht wird durch die Nanostrukturierung nur geringfügig vermindert.
Potentielle Anwendungen sind z.B. selbstreinigende Oberflächen für den Einsatz in Biologie, Medizin und Maschinenbau.