Einfluss plasmonischer Defekte und des Gefüges auf die Bildung, Kontrolle und Regularität von laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen

• Antragsteller: Dr. Jörn Bonse; Dr. Stephan Gräf
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530345255

Ultrakurze Lichtpulse haben in den letzten Jahren zunehmend Verwendung zur Modifikation von Oberflächen im sub-Nanometerbereich gefunden. Vielfältige, neuartige Anwendungsmöglichkeiten solcher Oberflächen werden aktuell aktiv erforscht, da fs-Laser derzeit eine rasante Entwicklung zu hohen Pulswiederholraten erfahren, zunehmend verfügbarer, preiswerter und flexibler werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf periodischen Nanostrukturen, den sog. laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen (Engl: laser-induced periodic surface structures, LIPSS). Als Anwendungen dieser gitterartigen LIPSS auf dem Gebiet der Oberflächenfunktionalisierung wurden bereits vielfältige Möglichkeiten demonstriert. Beispielhaft seien hier Strukturfarben (z.B. für Sicherheitsmerkmale), vorteilhafte Reibungs- und Verschleißminderung, Variation der Benetzungszustände von Oberflächen, und antibakterielle oder zellwachstumsreduzierende Eigenschaften für medizinische Implantate genannt. Allerdings ist die industrielle Anwendung der LIPSS häufig noch durch ihre intrinsische Unregelmäßigkeit limitiert - ein Umstand, der bisher weitgehend unverstanden ist und deshalb nur unzureichend kontrolliert werden kann. An dieser Stelle setzt das Projekt an, um das grundsätzliche Verständnis und die Kontrolle der Regularität der LIPSS zu verbessern, so ihre technischen Nutzungsmöglichkeiten zu erweitern und ihren industriellen Einsatz zu fördern. Aufbauend auf eigenen Vorarbeiten soll mit dem gemeinsamen Projekt zwischen der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) und der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) ein optimierter Zugang zu dieser aktuellen Thematik verfolgt werden: Ausgehend von den physikalischen Wirkmechanismen zur Entstehung von LIPSS (plasmonisch, optisch, thermodynamisch) wurden eine Reihe von Ausgangsfragen formuliert und daraus Hypothesen zur Regularität der LIPSS entwickelt. Diese basieren als zentrale Idee auf dem Einfluss plasmonischer Defekte und des Materialgefüges auf die Bildung der LIPSS und können durch gezielte Variation der Werkstoffe und der Laser-Bestrahlungsbedingungen adressiert werden. Zur Überprüfung der Hypothesen wurden zwei spezifische Werkstoffsysteme entwickeltet und ein Arbeitsprogramm abgeleitet (Experimente & Theorie). Es werden dazu verschiedene maßgeschneiderte Materialsysteme, wie polykristalline Metall-(Cu/Ni-)Legierungen oder Halbleiter-Metall- (Si/Ag-)Mikro-Komposite mit variabler Gefüge-Strukturgröße entwickelt und hergestellt, um dann mit unterschiedlichen Laser-Prozess-Strategien und -parametern bestrahlt zu werden. Anschließend sollen durch Oberflächenanalysen die Materialveränderungen und die Regularität der erzeugten Nanostrukturen untersucht, quantifiziert, bewertet und durch Modellierung begleitet werden. Die Ergebnisse des Projekts versprechen fundamentale neue Erkenntnisse zur Regularität der LIPSS, auf deren Basis eine maßgebliche Verbesserung dieser einstufigen Nanostrukturierungs-Technologie zu erwarten ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen