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Direct Laser Interference Patterning

Interferenzbasrierte Technologie zur Herstellung von Mikrostrukturen
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Die direkte Laserstrahlinterferenzstrukturierung, im Englischen Direct Laser Interference Patterning (DLIP), ist eine laserbasierte Technologie, welche das physikalische Prinzip der Interferenz von hochintensiven kohährenten Laserlichtstrahlen nutzt, um funktionelle periodische Mikrostrukturen herzustellen. DLIP kann auf nahezu jedem Material angewendet werden und verändert die Eigenschaften der Oberflächen in vielen Bereichen hinsichtlich elektrischer und optischer Eigenschaften[1][2], sowie eine Veränderung der tribologischen Eigenschaften[3][4] (Reibung und Verschleiß), Lichtabsorbtion und Benetzungsfähigkeit[5] (damit in Zusammenhang auch hygienischer Eigenschaften).

Geschichte

In den 1990-er Jahren lernte Prof. Frank Mücklich bei Prof. Martin Stutzmann an der TU München dessen Verfahren zur lokalen Kristallisation von amorphen Schichten kennen[6]. 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. Mithilfe des Preisgelds seines Alfried-Krupp-Förderpreises 1997 konnte er dies in den Labors seines Lehrstuhles für Funktionswerkstoffe an der Universität des Saarlandes realisieren indem er einen Nanosekundenlaser und die nötige optische Ausstattung kaufte.

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.[7] 

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 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"[8]). 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.

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 Functionalization” auf und entwickelte die für die robuste Anwendung entscheidenden kompakten Optiken[9][10][11][12] für die heutige DLIP Technologie, während Mücklich und sein Team in Saarbrücken immer neue werkstofftechnische Anwendungsfelder erschlossen und das Material Engineering Center Saarland eröffneten, in dem direkte Industrie-Kooperationen den Transfer vorantrieben.

Für seine außergewöhnliche Leistung erhielt Andrés Lasagni 2013 den renommierten Masing-Gedächtnispreis der DGM.

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 kohärenter 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.

 
Höhere Komplexitäten von Oberflächenstrukturierung können mit zunehmender Anzahl von Strahlen kreiert werden

Der Winkel zwischen den sich überlagernden Laserstrahlen und die Wellenlänge des verwendeten Lasers entscheiden über die Strukturgröße des applizierten, periodischen Intensitätsmusters.

Der Strahldurchmesser muss im Gegensatz zu anderen Bearbeitungsverfahren, wie z.B. dem Laserschreiben, nicht fokussiert werden. Dadurch kann eine deutlich größere Fläche pro Laserpuls bearbeitet werden. Gleichzeitig können mikroskopisch kleine Strukturen, kleiner als bei Strahlfokussierung, die der Beugungsgrenze unterliegt, schnell und berührungslos erzeugt werden.

DLIP, gepaart mit einem Hochfrequenzlaser, erreicht so Bearbeitungsgeschwindigkeiten im Bereich von >1 m²/min bei höchster Präzision bis in den Nanometerbereich.[13]

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.

DLIP bietet eine de facto unendliche Vielfalt von Strukturierungsmöglichkeiten durch den Einsatz von Nano-, Pico- oder Femtosekundenlasern, der Anzahl der interferierenden Laserstrahlen und deren Geometrie zueinander sowie der Wellenlänge des eingesetzten Lichts.

Prominente Forschungsprojekte

Für die Erforschung der DLIP Technologie wurden mehr als 500 Publikationen (Stand: 2022) veröffentlicht.

Projekte mit Weltraumanwendungsbezug sind ein wichtiges Themenfeld um die hygienischen Eigenschaften und Möglichkeiten von DLIP zu untersuchen. Die Auswirkungen von Biofilmen sind im Weltraum größer als auf der Erde, da einerseits das Leben der Besatzung und der Erfolg der Mission vom nominalen Betrieb mechanischer Systeme abhängen, der durch Materialschäden in Verbindung mit Biofilmwachstum unterbrochen werden kann und andererseits die isolierte, begrenzte Umgebung in der Raumfahrt die Krankheitsübertragungsrate erhöhen kann. Im Fall der Internationalen Raumstation (ISS) sind Biofilme ein Problem des Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssystems (Environmental Control and Life Support System, ECLSS), insbesondere der Wasserprozessoreinheit (WPA). Ziel ist es das Verhalten von Mikroorganismen und die Entstehung von Biofilmen zu verstehen, da sie zum Einen Auswirkungen auf die Gesundheit (der Astronauten) haben, zum anderen hat sich gezeigt, dass entstehende Biofilme zu Materialschäden führen, die aus Gründen der Nachhaltigkeit und zur Verbesserung der Langlebigkeit von Produkten und Materialien in der Industrie und in vielen Branchen auch auf der Erde minimiert werden sollen.

Besondere mediale Aufmerksamkeit erhielten dabei folgende Weltraumprojekte - auch unter Einbezug von NASA und ESA:

  • Touching surfaces (Testing antimicrobial surfaces for space-flight and earth applications): Bei diesem Experiment werden neuartige Oberflächen mit und ohne aktiv antimikrobiellen Eigenschaften in Kombination mit einer bakterienkontaktsteuernden Oberflächenstrukturierung durch DLIP auf deren antimikrobielle Wirksamkeit unter Weltraumbedingungen untersucht. Die Berührungsflächen wurden von den Astronautinnen und Astronauten an Bord der ISS berührt. Die darauf befindlichen Mikroben werden dann auf der Erde hinsichtlicher einer Biofilmbildung untersucht. [14][15] [16]
  • Biofilms (Testing Laser Structured Antimicrobial Surfaces Under Space Conditions): Das BIOFILMS-Experiment untersucht die Biofilmbildung auf verschiedenen antimikrobiellen Oberflächen unter Weltraumbedingungen. Diese Oberflächen bestehen aus verschiedenen Metallen mit und ohne aktiv bakterizide Eigenschaften, die zusätzlich durch ultrakurz gepulstes DLIP in der Größenordnung einzelner Bakterienzellen oberflächenstrukturiert wurden. Auf diese Weise werden den im Experiment verwendeten Bakterienstämmen verbesserte, bzw. verschlechterte Kontaktbedingungen geboten. Der Einfluss dieser Oberflächeneigenschaften auf die bakterielle Biofilmbildung wird dabei im Zusammenhang mit variabler Schwerkraft durch Rotation in einer Zentrifuge innerhalb der ISS für Mond, Mars und Erde untersucht.[17][18]
  • Space Biofilms: Ende 2019 startete das Experiment Space Biofilms zur ISS, um die Spezifika von im Weltraum gebildeten Biofilmen im Vergleich zu deren entsprechendem Pendant auf der Erde zu charakterisieren, zu untersuchen. Neben der Expression antimikrobieller Resistenzgene wurden hier auch neuartige Materialien, u.a. auf Basis der DLIP-Technologie als potenzielle Biofilm-Eindämmungsstrategien für zukünftige kritische ECLSS-Komponenten zu testen.[19][20]
  • ConTACTS Concordia: Das Concordia-Experiment ConTACTS dient der Analyse antimikrobieller Oberflächen als Strategie zur Verringerung der mikrobiellen Belastung von Kontaktflächen und zur aktiven Verfolgung der mikrobiellen Ausbreitung. Die Concordia Station in der Antarktis dient hierbei innerhalb der mehrmonatigen Überwinterungsphase im arktischen Winter als Modell-Umgebung zur Untersuchung der speziellen Bedingungen innerhalb räumlich abgeschlossener künstlicher Habitate. Im Projekt ConTACTS Concordia werden in verschiedenen Bereichen der Concordia-Station innerhalb des mehrmonatigen Zeitraums der Überwinterung Probenträger mit antimikrobiell funktionalisierten Oberflächen angebracht. Diese Standorte sollen sich in ihren Umweltbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit und in der Häufigkeit des Aufenthalts von Personen unterscheiden. Die Touch Arrays umfassen antimikrobielle metallische Oberflächen auf Kupferbasis mit und ohne zusätzliche topografische Oberflächenstrukturierung mit DLIP. Die Oberflächen werden sowohl direkter täglicher Kontaktierung als auch reiner Luftstrom-Exposition in verschiedenen atmosphärisch variierenden Bereichen der Station ausgesetzt. Die durch DLIP erzeugten Eigenschaften sollen trotz der extremen Umwelteinflüsse intakt bleiben. Das Projekt wird dazu beitragen, die mikrobielle Ausbreitung in geschlossenen Lebensräumen u.a. durch häufig berührte Oberflächen zu verstehen und optimierte Eindämmungsstrategien zu erproben. (Start 2023)


Weitere prominente Projekte:

  • Photovoltaic Projekt des Fraunhofer IWS: Um eine Effizienzerhöhung von Photovoltaic-Anlagen zu erreichen, wurden 2011 organische Solarzellen auf texturierten, flexiblen Polymermaterialien mithilfe von DLIP hergestellt, wobei eine Steigerung des relativen Wirkungsgrads um 21 % beobachtet wurde. Diese Verbesserung wird durch die Faltung der Absorbtionsoberfläche ermöglicht, die die effiziente Fläche vergrößert und das Licht zur bevorzugten Absorption streut. DLIP wurde so als großes Potenzial für die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen für organische und andere Dünnschicht-Solartechnologien erkannt.

Preise im Zusammenhang mit DLIP

  • Masing-Gedächtnispreis 2020 an Dr.-Ing. Andreas Rosenkranz
  • Transferpreis der Steinbeis-Stiftung | Löhn-Preis (2019) an das Material Engineering Center Saarland (MECS) und TE Connectivity[21][22]
  • Materials Science and Technology Prize der FEMS (2017) an Prof. Andrés Lasagni[23]
  • Berthold Leibinger Innovationspreis (2016) an die Projektgruppe Direct Laser Interference Patterning für die beste Laserinnovation[24]
  • Masing-Gedächtnispreis 2012 an Prof. Andrés Lasagni[25]
  • German High Tech Champions Award (2011) an Prof. Andrés Lasagni für Forschungen zur Effizienzsteigerung bei Photovoltaic-Anlagen[26]
  • Werner Köster Preis (2006) an Prof. Frank Mücklich, Prof. Andrés Lasagni und Prof. Claus Daniel für die beste Publikation des Jahres im International Journal of Materials Research
  • Frauenhofer Attract Förderpreis an Prof. Andrés Lasagni für »Micro/nano« Fabrication of Surface Architectures using Direct Laser Interference Patterning

Einzelnachweise


  1. ↑ Sascha Teutoburg-Weiss, Marcos Soldera, Felix Bouchard, Joshua Kreß, Yana Vaynzof: Structural colors with embedded anti-counterfeit features fabricated by laser-based methods. In: Optics & Laser Technology. Band 151, 1. Juli 2022, ISSN 0030-3992, S. 108012, doi:10.1016/j.optlastec.2022.108012 (sciencedirect.com [abgerufen am 13. Oktober 2022]).
  2. ↑ Comparison of Structural Colors Achieved by Laser-Induced Periodic Surface Structures and Direct Laser Interference Patterning. In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering. September 2020, ISSN 1880-0688, doi:10.2961/jlmn.2020.02.2004 (doi.org [abgerufen am 13. Oktober 2022]).
  3. ↑ Philipp Grützmacher: Controlling friction by multi-scale surface patterning inside and outside the contact zone. 2019, doi:10.22028/D291-29724 (uni-saarland.de [abgerufen am 11. Oktober 2022]).
  4. ↑ Carsten Gachot: Laser interference metallurgy of metallic surfaces for tribological applications. 2012, doi:10.22028/D291-22840 (uni-saarland.de [abgerufen am 12. Oktober 2022]).
  5. ↑ Brice Raillard: Design of steel surface and wetting properties by laser patterning. 2013, doi:10.22028/D291-22989 (uni-saarland.de [abgerufen am 11. Oktober 2022]).
  6. ↑ Laser‐Interference Crystallization of Amorphous Silicon: Applications and Properties. Abgerufen am 18. September 2022.
  7. ↑ 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]).
  8. ↑ 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]).
  9. ↑ Teja Roch, Dimitri Benke, Andrés Fabián Lasagni: Verfahren zur Ausbildung einer Strukturierung an Oberflächen von Bauteilen mit einem Laserstrahl. DE102013004869B4, 9. Juni 2016 (google.com [abgerufen am 13. Oktober 2022]).
  10. ↑ Andrés Fabián Lasagni: Vorrichtung und Verfahren zur Interferenzstrukturierung von flächigen Proben und deren Verwendung. DE102011119764B4, 30. April 2015 (google.com [abgerufen am 13. Oktober 2022]).
  11. ↑ Dipl-Phys Roch Teja, Prof Dr Beyer Eckhard, Andrés Fabián Lasagni: Vorrichtung, Anordnung und Verfahren zur Interferenzstrukturierung von flächigen Proben. DE102011011734B4, 24. Dezember 2014 (google.com [abgerufen am 13. Oktober 2022]).
  12. ↑ Andrés-Fabián Lasagni, Bogdan Voisiat: Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand. DE102018216221A1, 26. März 2020 (google.com [abgerufen am 13. Oktober 2022]).
  13. ↑ Valentin Lang, Teja Roch, Andrés Fabián Lasagni: High-Speed Surface Structuring of Polycarbonate Using Direct Laser Interference Patterning: Toward 1 m 2 min −1 Fabrication Speed Barrier: High-Speed Surface Structuring of Polycarbonate… In: Advanced Engineering Materials. Band 18, Nr. 8, August 2016, S. 1342–1348, doi:10.1002/adem.201600173 (wiley.com [abgerufen am 13. Oktober 2022]).
  14. ↑ DLR — Berührungsfeld des Experiments. Abgerufen am 9. Oktober 2022.
  15. ↑ Touching Surfaces. In: DLR Event. 19. Mai 2022, abgerufen am 9. Oktober 2022 (deutsch).
  16. ↑ DLR - Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin - Cosmic Kiss-Experimente des Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin auf der ISS. Abgerufen am 12. Oktober 2022.
  17. ↑ Katharina Siems, Daniel W. Müller, Laurens Maertens, Aisha Ahmed, Rob Van Houdt: Testing Laser-Structured Antimicrobial Surfaces Under Space Conditions: The Design of the ISS Experiment BIOFILMS. In: Frontiers in Space Technologies. Band 2, 2022, ISSN 2673-5075, doi:10.3389/frspt.2021.773244 (frontiersin.org [abgerufen am 10. Oktober 2022]).
  18. ↑ DLR - Institute of Aerospace Medicine - Preparations for the space experiment BIOFILMS take place in :envihab. Abgerufen am 12. Oktober 2022.
  19. ↑ Characterization of Biofilm Formation, Growth, and Gene Expression on Different Materials and Environmental Conditions in Microgravity (Space Biofilms) | Science Mission Directorate. Abgerufen am 12. Oktober 2022.
  20. ↑ Experiment Details by NASA. Abgerufen am 12. Oktober 2022.
  21. ↑ Transferpreis der Steinbeis-Stiftung | Löhn-Preis 2019. Abgerufen am 10. Oktober 2022.
  22. ↑ Direkte Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) | elektrische Steckverbinder | Löhn Preis 2019. Abgerufen am 13. Oktober 2022 (deutsch).
  23. ↑ Lasagni awarded with Materials Science and Technology Prize 2017. Abgerufen am 10. Oktober 2022.
  24. ↑ Project Group Direct Laser Interference Patterning - Second Prize 2016 - English. Abgerufen am 13. Oktober 2022 (deutsch).
  25. ↑ Press release XI / 2013 - Fraunhofer IWS. Abgerufen am 10. Oktober 2022 (englisch).
  26. ↑ Press release XI / 2011 - Fraunhofer IWS. Abgerufen am 13. Oktober 2022 (englisch).
  27. ↑ Chia-Jui Hsu: Enhance ZDDP tribofilm growth and fatigue lifetime of rolling bearings by Laser Surface Texturing. 2021, doi:10.22028/D291-35664 (uni-saarland.de [abgerufen am 11. Oktober 2022]).
  28. ↑ Leander Reinert: Advanced self-lubricating surfaces based on carbon nanoparticles. 2018, doi:10.22028/D291-27642 (uni-saarland.de [abgerufen am 11. Oktober 2022]).
  29. ↑ Kim Eric Trinh Quoc: Laserinterferenztexturierung elektrischer Steckverbinder für die Automobilindustrie. 2015, doi:10.22028/D291-23076 (uni-saarland.de [abgerufen am 11. Oktober 2022]).
  30. ↑ Andreas Rosenkranz: Tribologie an Oberflächen mit maßgeschneidertem topographischem Design. 2014, doi:10.22028/D291-23031 (uni-saarland.de [abgerufen am 11. Oktober 2022]).
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