Mikroexplosions-basierte Materialumwandlungen von Silizium und neuartige 3D Fertigungstechnologien mit Raman-konvertierten Kilowatt-Ultrakurzpulslasern

• Antragsteller: Dr. Marwan Abdou Ahmed
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505739526

Stark fokussierte Ultrakurzpuls-Laserstrahlung ermöglicht begrenzte Mikroexplosionen in Materie, die zu starken Nichtgleichgewichtsbedingungen mit extremem Drücken (>10 TPa) und Temperaturen (>105 K) führen, d. h. weit über das hinausgehen, was mit anderen Techniken erreicht werden kann. In jüngster Zeit hat dies einen Durchbruch in den Materialwissenschaften mit Festkörper-Umwandlungen in superdichte kristalline Phasen ermöglicht, die einzigartige Eigenschaften aufweisen. Diese Forschung umfasst auch aktuelle industrielle Verfahren wie die Laserbearbeitung, da das gleiche Verfahren zur Erzeugung beliebiger 3D-Strukturen unter der Oberfläche von Festkörpern eingesetzt werden kann. Allerdings sind all diese Fortschritte bisher auf transparente Dielektrika beschränkt. Versuche, die Mikroexplosionseffekt auf Silizium zu übertragen, sind an nichtlinearen Prozessen gescheitert, die die erreichbare Intensität in Materialien mit kleiner Bandlücke stark einschränken. Durch vereinte Anstrengungen zu neuen Wechselwirkungsschemata und die Entwicklung neuartiger Hochleistungslaserzielt KiSS darauf ab, den Mikroexplosionsbereich in Silizium zu erschließen. KiSS wird sich die zunehmende Verfügbarkeit von Ultrakurzpuls-Lasern der kW-Klasse zunutze machen und eine effiziente Raman-Konversion in einkristallinem Diamanten demonstrieren. Auf dieser Grundlage soll ein Lasersystem entwickelt werden, welches Strahlung mit >100 W im Transparenzbereich von Silizium (1420 nm) emittiert. Ein einzigartiges Merkmal der vorgeschlagenen Technologie ist die hohe Vielseitigkeit bei höchsten Leistungen in diesem Spektralbereich. So wird die Pulsformung hinsichtlich des Zeitverlaufs und der Polarisation integriert, so dass die Eigenschaften der Strahlen (bei Bedarf) präzise angepasst werden können. Die Verwendung gegenläufiger Pulse und eine genaue Kontrolle der Synchronisation und der Eigenschaften der einzelnen Pulse soll neue Freiheitsgrade und Optimierungsmöglichkeiten bieten. Durch zeitaufgelöste Untersuchungen von bisher unerreichten Materialzuständen in Silizium soll die Gültigkeit des Konzepts verifiziert werden. Die vorgeschlagenen Entwicklungen führen voraussichtlich zu einer praktischen Lösung zur Bearbeitung großer Volumina. Der angestrebte Demonstrator wird neue und vielversprechende Möglichkeiten für die allgemeine Erforschung der Materie unter lasergesteuerten Mikroexplosionen eröffnen. Dies wird durch eine Kooperation (Australian National University) unterstützt, bei der die Strukturdiagnose von prozessiertem Silizium in Kubikmillimetergröße möglich sein wird. Langfristig wird die kontrollierte Synthese neuer dichter Phasen von Silizium einen außerordentlichen Einfluss auf verschiedene Technologien (Materialwissenschaften, Mikrochipfertigung, etc.) haben. Die kurz- und mittelfristige industrielle Relevanz der entwickelten Fertigungstechnologie soll anhand des direkten Schreibens von mikrofluidischen Kühlkreisläufen innerhalb von Siliziumchips demonstriert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. David Grojo, Ph.D.