Erzeugung deterministischer Nanostrukturen durch ultrakurze UV-Pulse unter vordefinierten Grenzflächenbedingungen: Theorie und Experiment

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Martin Ezequiel Garcia; Dr. Jürgen Ihlemann; Professorin Dr. Baerbel Rethfeld
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198771508

Ultrakurze Laserpulse können in Festkörpern dramatische strukturelle Änderungen bis hin zum Materialabtrag verursachen. Durch speziell gewählte Bestrahlungsbedingungen lassen sich nanostrukturierte Oberflächen erzeugen.Wir werden gezielt Grenzflächenbedingungen herstellen, die eine bisher unerreichte Präzision bei räumlich modulierter Bestrahlung ermöglichen. Dabei werden im Experiment und in der Theorie folgende Fälle untersucht: (I) Transparente Deckschicht auf der Oberfläche, (II) periodisch vorstrukturierte Oberfläche, (III) Kombination aus (I) und (II).(I) Durch eine transparente Deckschicht wird die Materialexpansion beschränkt (Confinement). Zudem werden die dielektrischen Eigenschaften des Materials in der Nähe der Grenzschicht verändert, so dass die anfängliche Energieeinkopplung beeinflusst werden kann. (II) Durch eine periodisch modulierte Vorstrukturierung der Oberfläche wird die dielektrische Funktion an der Oberfläche beeinflusst. Es ist zu untersuchen, ob die Bildung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen die weitere Strukturbildung fördern kann.(III) In Kombination der Fälle (I) und (II) wird die Bearbeitung einer vorstrukturierten Oberfläche unter einer Deckschicht durchgeführt.Die räumliche Veränderung der dielektrischen Funktion bei (II) und (III) führt zu einer modulierten Feldverstärkung im Material. Zudem können sich Oberflächen-Plasmon-Polaritonen bilden. Beides führt zu einem modifizierten Energieeintrag. Eine Kontrolle dieser Effekte kann signifikant zur Verbesserung der Bearbeitungsergebnisse beitragen.Im Experiment kommt ein UV-fs-Laser zum Einsatz. Als Subtratmaterialien werden Gold und Silizium untersucht. Ein dünner Wasserfilm oder eine SiO2 Deckschicht beschränken die Materialbewegung in (I) und (III). In den Simulationen wird die Wasser-Deckschicht auf atomarem Niveau berücksichtigt.Für die theoretische Beschreibung soll die orts- und zeitabhängige dielektrische Funktion (DF) in der Nähe der Grenzfläche sowie die Möglichkeit der Plasmonenbildung einbezogen und mit einem Zweitemperaturmodell (TTM) verknüpft werden. Das im Projekt zu entwickelnde DF-TTM Modell beschreibt den Energieeintrag in das Kristallgitter; die weitere atomare Bewegung wird mit einer molekulardynamischen (MD) Simulation bestimmt.Die Simulationen für Gold werden auf einer bereits bestehenden TTM-MD-Methode basieren. Bei Silizium wird der Einfluss nicht-thermischer Effekte einbezogen. Dafür wird ein sich je nach Anregung zeitlich veränderliches Potential implementiert, das im bisherigen Vorhaben mit ab-initio Methoden entwickelt wurde. Erstmals sollen Simulationen mit einer vorstrukturierten Oberfläche durchgeführt werden.Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Simulationen auf ein- und derselben Orts- und Zeitskala soll ein weiterführendes Verständnis der laserinduzierten Strukturbildung ermöglichen und eine Grundlage für die kontrollierte Nanostrukturierung von Oberflächen im sub-100 nm Bereich liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Peter Simon