Nanostrukturierung durch ultrakurze Laserpulse und optische Nahfelder an Mikropartikeln mit Positionierung durch eine Optische Pinzette
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Teilprojekt 16 im Forschungsverbund “Optisch erzeugte Sub-100-nm-Strukturen für biomedizinische und technische Applikationen” erbrachte neue Erkenntnisse auf den Themengebieten der Nanostrukturierung, Biotechnologie und der Holographie. Aufbauend auf den Erfolgen und Erfahrungen der ersten Projektphase wurde das Anwendungsspektrum der „Optical Trap Assisted Nanopatterning“ (OTAN) Technologie hin zu nicht transparenten Substratmaterialien erweitert. Somit ist es nun auch möglich Materialien wie Silizium zu bearbeiten, denen eine große technische Bedeutung zukommt. Durch die Integration eines dynamischen holographischen Strahlformungssystems in den aus der ersten Phase vorhandenen Versuchsaufbau konnte die Anzahl von zwei zur Strukturierung notwendigen Lasern auf einen reduziert werden. Zudem ist es mit dem so erweiterten Aufbau möglich, mehrere Fallenpotentiale zu generieren, diese beliebig zu bewegen bzw. zu positionieren und unabhängig voneinander zu beleuchten. Durch diese Veränderungen wurde eine Parallelstrukturierung erreicht, die es ermöglicht auch komplexe Nanostrukturen in deutlich reduzierter Bearbeitungszeit robust und sicher zu erzeugen. Die Verteilung der Laserintensität am Kolloid wurde durch ein ganzheitliches Simulationsmodell berechnet. Der experimentelle Abgleich bestätigt die vorhergesagte Intensitätsverteilung und erstmals konnte die Entwicklung der Strukturen beschrieben werden, wie sie im „Contact Particle Lens Array“ Prozess oder bei der laserbasierten Oberflächenreinigung auftreten. Diese Prozesse bilden die Grundlage für die erforschte OTAN-Technologie. Das Modell konnte dabei offene Fragen bei der Strukturentstehung klären. So sind Modifikationen des Materials unterhalb der Substratoberfläche als Ursache für die Strukturentstehung an der Oberfläche identifiziert worden. Des Weiteren ist es mit der Simulation des OTAN- Aufbaus gelungen, die Entstehung dieser parasitären Strukturen im Substratvolumen zu beschreiben und die Abhängigkeit der Strukturentstehung vom gewählten Systemaufbau aufzuzeigen. Darauf basierend wurde eine optimale Linsenkonfiguration ausgewählt und verschiedene Werkstückzusammensetzungen diskutiert. Die Möglichkeit der Strukturierung von Zellmembranen mit der OTAN-Technologie wurde grundlegend untersucht. Die gezielte Optoporation der Zellmembranen wurde im Projektverlauf erfolgreich zur Transfektion genutzt. Hierbei wurde DNS durch die Öffnung der Zellmembran mit dem Laser in das Zytoplasma der Zelle eingeschleust. Während mit dem OTAN-Prozess eine sichere Optoporation gewährleistet wird, bewegen sich die Transfektionseffizienzen dabei im Bereich der Effizienzen von herkömmlichen Lasertransfektionen. Zur Bewertung OTAN-basierten Optoporation lebender Zellen wurde eine neuartige Methode entwickelt. Diese erlaubt die Echtzeitbeobachtung der Interaktion von extrazellulärem Material mit dem Zytoplasma. Dank dieser neuen Methode ist die Bewertung der Effizienz inklusive der Sicherstellung des Volumenaustauschs möglich. Eine Prozessfensterbeschreibung für die Öffnung von Zellmembranen ist damit unabhängig von anderen Einflüssen und unter geringem Zeitaufwand durchführbar, da diese unmittelbar an den Zellen beobachtet werden kann. Durch die Veröffentlichung dieser Methode wird damit auch anderen Forschungsgruppen auf dem Themengebiet der Transfektion, ein leistungsstarkes Werkzeug bereitgestellt. Diese Strukturierungstechnologie wurde schließlich verwendet um mikroskopische Hologramme zu erzeugen. Die kodierten Informationen sind nicht direkt auslesbar. Erst im Fokus einer kohärenten Lichtquelle erscheint die Information durch Beugung des Lichts an den Strukturen. Der Fokus der Forschung bestand hier in der Herstellung von kleinen Hologrammen und in der Steigerung der Beugungseffizienz. Die Herstellung von Hologrammen mit 300 µm Durchmesser und Strukturgrößen von 192 nm ± 16,4 nm konnten demonstriert werden. Eine Effizienzsteigerung könnte durch einen selektiven Abtrag von einer ITO-Beschichtung auf Glas erreicht werden, da das einfallende Licht hier nur in seiner Phase manipuliert wird, im Gegensatz zu den oben genannten Hologrammen Amplitudenhologrammen. Die Effizienz dieser binären Hologramme liegt bei etwa 73 % (für achsensymmetrische Verteilungen) wobei das theoretische Maximum bei 81 % liegt. Eine Schlüssel-Schloss-Verschlüsslung aus zwei zusammengehörigen Hologrammen ist mit diesem Ansatz gezeigt worden. Des Weiteren ist der Einsatz dieser Hologramme für die Strahlformung leistungsstarker Laser untersucht worden. Messungen bestätigen eine Widerstandsfähigkeit der ITO-Beschichtung für Intensitäten bis zu 4 kW/cm². Eine Anwendung dieser Entdeckung ist im SFB 814 zu finden. Hier soll bei pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzprozessen von Metallen eine wesentliche Verkürzung der Bearbeitungszeit erreicht werden, die zu einer Steigerung der Produktivität solcher Prozesse führt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Microsphere Nearfield Nanostructuring using Picosecond Laser Pulses. In: Physics Procedia 5, Part A, S. 237-244, 2010
Leitz, K.-H.; Quentin, U.; Hornung, B.; Otto, A.; Alexeev, I.; Schmidt, M.
- Metal Ablation with Short and Ultrashort Laser Pulses. In: Physics Procedia 12, Part B, S. 230-238, 2011
Leitz, K.-H.; Redlingshöfer, B.; Reg, Y.; Otto, A.; Schmidt, M.
- Optical trap kits: issues to be aware of. In: European Journal of Physics 33(2), 2011
Alexeev, I.; Quentin, U.; Leitz, K.-H.; Schmidt, M.
- Application of Gaussian optical tweezers for ultrafast laser assisted direct–write nanostructuring. In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 7(2), 2012
Quentin, U.; Leitz, K.-H. ; Alexeev, I.; Schmidt, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2961/jlmn.2012.02.0003) - Generating nanostructures with multiphoton absorption polymerization using optical trap assisted nanopatterning. In: Physics Procedia 39, S. 669-673, 2012
Tsai, Y.-C.; Leitz, K.-H.; Fardel, R.; Schmidt, M.; Arnold, C.B.
- Numerical simulation of process dynamics during laser beam drilling with short pulses. In: Applied Physics 39, S. 881-892, 2012
Leitz, K.-H.; Koch, H.; Otto, A.; Schmidt M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-011-6702-8) - Optical trap assisted laser nanostructuring in the near-field of micro-particles. In: Journal of Laser Applications 24, 2012
Quentin, U.; Leitz, K.-H.; Deichmann, L.; Alexeev, I.; Schmidt, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2351/1.4704853) - Parallel optical trap assisted nanopatterning on rough surfaces. In: Nanotechnology 23(16), 2012
Tsai, Y.-C.; Leitz, K.-H.; Fardel, R.; Otto, A.; Schmidt, M.; Arnold, C.B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/16/165304) - Process investigations of optical trap assisted direct-write microsphere near-field nanostructuring. In: CIRP Annals - Manufacturing Technology 61(1), S. 207-210, 2012
Leitz, K.-H.; Quentin, U.; Alexeev, I.; Schmidt, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2012.03.047) - Mikro- und Nanostrukturierung mit kurz- und ultrakurz gepulster Laserstrahlung. In: Schmidt, M.; Franke, J.; Merklein, M. (Hrsg.), Fertigungstechnik – Erlangen. Bamberg: Meisenbach GmbH, 2013
Leitz, K.-H.
- Multiphoton polymerization using optical trap assisted nanopatterning. In: Applied Physics Letters 102, 2013
Leitz, K.-H.; Tsai, Y.-C.; Flad, F.; Schäffer, E.; Quentin, U.; Alexeev, I.; Fardel, R.; Arnold, C.B.; Schmidt, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4811704) - Positioning Accuracy in Optical Trap Assisted Nanostructuring. In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 8(1), S. 79-84, 2013
Quentin, U.; Leitz, K.-H.; Alexeev, I.; Schmidt, M.
- Generation of phase-only holograms by laser ablation of nanoparticulate ITO layers. In: Journal of Optics 16(12), 2014
Baum, M.; Strauß, J.; Grüßel, F.; Alexeev, I.; Schmidt, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/2040-8978/16/12/125706) - Laserbasierte Nanostrukturierung mit optisch positionierten Mikrolinsen. In: Schmidt, M.; Franke, J.; Merklein, M. (Hrsg.), Fertigungstechnik – Erlangen. Bamberg: Meisenbach GmbH, 2014
Quentin, U.
- High Speed Pump-Probe Apparatus for Observation of Transitional Effects in Ultrafast Laser Micromachining Processes. In: Micromachines 6(12), S. 1914-1922, 2015
Alexeev, I.; Heberle, J.; Cvecek, K.; Nagulin, K.Y.; Schmidt, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/mi6121462) - Optical Trap Assisted Nanopatterning: Process Parallelisation and Dynamic Structure Generation. In: Proceedings of LAMP2015
Strauß, J.; Baum, M.; Alexeev, I.; Schmidt, M.
- Optical trap assisted sub diffraction limited laser structuring. In: König, K.; Ostendorf, A.; (Hrsg.) Optically Induced Nanostructures: Biomedical and Technical Applications. Berlin: De Gruyter, 2015
Alexeev, I.; Quentin, U.; Leitz, K.-H.; Strauß, J.; Baum, M.; Stelzle, F.; Schmidt, M.
- Towards Dynamic Holographic Laser Beam Shaping. In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 10(2), S. 216-221, 2015
Baum, M.; Bechtold, P.; Strauss, J.; Schmidt, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2961/jlmn.2015.02.0020)
