K. Zimmer, J. Zajadacz, M. Ehrhardt, P. Lorenz, T. Smausz, B. Hopp 
Transfer of photolithographic patterns by excimer laser ablation of polymers
Appl. Surf. Sci. Adv. 27 (2025) 100754, https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2025.100754 

Traditionell erfolgt der Strukturübertragung durch Plasmaätzen. Hier wird ein laserbasiertes Übertragungsverfahren vorgeschlagen und demonstriert, bei dem Excimerlaser-Ablation genutzt wird, um photolithographische Fotolackmasken in Polyimid-Substrate zu übertragen. In den Experimenten wurden Laserfluenz und Pulszahl variiert, um den Übertragungsprozess und die beteiligten optischen, thermischen sowie mechanischen Effekte zu verstehen, welche spezifische topographische Merkmale und Änderungen der Strukturform verursachen. 

J. Zajadacz, P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer 
Development platform for UV-NIL processes using polymer masters produced by laser ablation and photolithography 
Nanotechnology and Precision Engineering 8 (2025), https://doi.org/10.1063/10.0034395

Es wurde ein Ansatz entwickelt, der Laser-Direktschreiben und Photolithographie kombiniert, um Polymermaster für die Anwendung in der Rolle-zu-Rolle-NIL-Replikation (Nanoimprint-Lithographie) herzustellen. Die photolithographisch und laserstrukturierten Oberflächen wurden präzise lasergeschnitten, zusammengesetzt und schließlich zu inversen Silikonstempeln abgeformt, welche für die Roll-to-Roll-Replikation verwendet werden. Diese Zusammenstellung von Teilbereichen ermöglicht die Nutzung von Standard-Laborgeräten für die Strukturierung und reduziert Kosten sowie Zeitaufwand bei der Master-Herstellung. Abschließend wurde eine hochwertige Replikation in einer Acrylat-Formulierung nachgewiesen  

P. Lorenz, J. Zajadacz, A. Lotnyk, J.W. Gerlach, M. Ehrhardt, R. Kirchner, K. Zimmer 
Fabrication of plasmonic microcubes by laser ablation of Au-nanoparticles-loaded acrylate 
Physica status solidi (a) 221 (2024) 2300481, https://doi.org/10.1002/pssa.202300481 

Plasmonische Mikrostrukturen ermöglichen vielfältige Anwendungen, von der Sensorik bis hin zur Energiegewinnung. Hier wird ein neuartiger zweistufiger Herstellungsprozess demonstriert, der die Präparation eines mit Goldpartikeln dotierten Acrylatfilms und die anschließende Laserstrukturierung umfasst. Die Würfel werden präzise in Größe und Form gefertigt, indem die Schichtdicke des Acrylatfilms beim Spin-Coating (Rotationsbeschichtung) gewählt und der Pfad beim UV-Femtosekunden-Laserschreiben für die laterale Ausdehnung definiert wird. Die plasmonischen Mikrowürfel mit Abmessungen von nur 15 µm zeigen die erwartete Plasmonenresonanz nahe 550 nm.  

A. Bernhardt, P. Lorenz, K. Fischer, M. Schmidt, M. Kühnert, A. Lotnyk, J. Griebel, N. Schönherr, K. Zimmer, A. Schulze 
Laser-crystallization of TiO₂ nanotubes for photocatalysis: influence of laser power and laser scanning speed 
Laser & Photonics Reviews (2024) 2300778, https://doi.org/10.1002/lpor.202300778

Diese Studie untersucht die Laserkristallisation von amorphen Titandioxid-Nanoröhren, um photokatalytisch aktive Anatas- und Rutilphasen zu erzeugen. Die durch einen Anodisierungsprozess synthetisierten Nanoröhren werden mit Femtosekunden-Laserpulsen bestrahlt, wobei sowohl die Laserleistung als auch die Scangeschwindigkeit variiert werden. Eine steigende Laserleistung führte zu einem schrittweisen Übergang von der amorphen Phase zu Anatas und anschließend zu Rutil, was einen thermischen Kristallisationsmechanismus bestätigt. Die resultierenden laserkristallisierten Anatas-Proben zeigten ähnliche photokatalytische Abbauraten von Methylenblau wie traditionell kalzinierte Proben, was die Anwendbarkeit der Methode unterstreicht.  

E. Bez, M. Himmerlich, P. Lorenz, M. Ehrhardt, A. Graham Gunn, S. Pfeiffer, M- Rimoldi, M. Taborelli, K. Zimmer, P. Chiggiato, A. Anders 
Influence of wavelength and accumulated fluence at picosecond laser-induced surface roughening of copper on secondary electron yield 
J. Appl. Phys. 133 (2023) 035303, https://doi.org/10.1063/5.0131916

Diese Studie untersucht den Einfluss der Wellenlänge und der kumulierten Fluenz auf die Oberflächeneigenschaften und die Sekundärelektronenausbeute (Secondary Electron Yield, SEY) von Kupfer, das mit einem Pikosekundenlaser bearbeitet wurde. Laserstrukturierte Oberflächen weisen hierarchische Mikro- und Nanostrukturen auf, welche die SEY reduzieren und dazu beitragen können, Elektronenwolkeneffekte in Teilchenbeschleunigern abzuschwächen. Die Forscher fanden heraus, dass eine höhere kumulierte Laserfluenz zu tieferen Gräben, mehr Nanostrukturen und einer verringerten SEY führt. Dabei konnten alle untersuchten Wellenlängen (UV bis IR) SEY-Werte unterhalb des kritischen Schwellenwerts von 1 erreichen, der für Anwendungen in Teilchenbeschleunigern angestrebt wird. Die Ergebnisse liefern wichtige Anhaltspunkte für die Optimierung von Laserbearbeitungsparametern für Vakuumkomponenten in aktuellen und zukünftigen Beschleunigern, wie dem Large Hadron Collider (LHC). 

• Ps-fs Laseranlage 
  zur Mikrostrukturierung von planen und Freiform Oberflächen mittels ultrakurzer Laserpulse. 
  Wellenlänge: 343 nm, 515 nm, 1030 nm / Pulslänge: 260 fs – 10 ps  
• IR Nanosekunden Laseranlage 
  zur Strukturierung von Oberflächen mittels Nanosekunden Laserpulsen. Der eingebaute 1064 nm Laser erlaubt die freie Einstellung der Pulslänge, was die gezielte Adressierung von thermischen Laserprozessen erlaubt. 
  Wellenlänge: 1064 nm, 1550 nm / Pulslänge: 1 – 600 ns 
• UV Nanosekunden Laseranlage 
  zur Mikro- und Submikrostrukturierung von Oberflächen, insbesondere von Polymeren und Dielektrika, mittels Nanosekunden Laserpulsen unter Verwendung 
  von Projektionsoptiken.  
  Wellenlänge: 248 nm / Pulslänge: 25 ns 
• Fs-Laseranlage 
  zur Strukturierung von Oberflächen und der Erzeugung von Mikroplasmen in reaktiven Atmosphären zum Trockenchemischen Ätzen von Oberflächen.
  Wellenlänge: 775 nm  / Pulslänge: 150 fs 
• 2PP/Laserlithografie-Anlage 
  zur Erzeugung von 3D Mikrostrukturen mittels Zweiphotonenpolymerisation unter Verwendung von femtosekunden-Laserstrahlung. Weiterhin erlaubt die Anlage die Laserlithografie von Freiformoberflächen insbesondere für optische Anwendungen. 
  fs-Laser: Wellenlänge = 780 nm, Pulslänge = 71 fs / Cw-Laser: Wellenlänge = 405 nm 
• UV Nanosekunden Laser/Plasmajet – Anlage 
  Gekoppelte Laser-Plamajetanlage zur hochpräzisen Strukturierung von technischen Gläsern für optische Anwendungen. Excimerlaser: Wellenlänge = 248 nm, Pulslänge = 25 ns 
  Mikrowellen-induzierter Plasmajet (APPJ): Peak-Leistung = 300 W, Pulsdauer = 5-30 µs, maximale Durchschnittsleistung = 30 W  

Masterarbeiten

• Strukturübertrag durch Laserablation: Untersuchung des Einflusses von Parametern auf Veränderungen der Strukturform
  Die Strukturübertrag durch Laserablation ist ein neuer, umweltfreundlicher Ansatz zur Mikrostrukturierung ohne Vakuum und reaktive Gase. Die Veränderungen der Höhe, Größe und Form der Mikrostrukturen müssen in Abhängigkeit der Laser- und Prozessparameter experimentell untersucht werden. Die durch Lithografie hergestellten Mikrostrukturen werden UV-Laserstrahlung ausgesetzt, um Maske und Substrat gleichzeitig abzutragen. Die geometrischen, morphologischen und topografischen Veränderungen werden mittels Bildgebungsverfahren ermittelt.
   
• Hochselektive Strukturübertragung durch RPJ-Ätzen
  Die Strukturübertragung wird für die mikroelektronische Strukturierung von Funktionsschichten genutzt, erfordert jedoch teure Vakuumanlagen und reaktive Gase. Ein neuer Ansatz nutzt das Ätzen mit atmosphärischem Plasmastrahl zur Strukturübertragung in Silizium und Siliziumdioxid. Die Tiefe der übertragenen Struktur wird durch die Selektivität des Ätzprozesses bestimmt, die durch das Maskierungsmaterial und die Prozessparameter eingestellt werden kann. Daher sind experimentelle Untersuchungen geplant, um den Einfluss der Prozessparameter auf die Selektivität des Ätzprozesses aufzuklären.
   
• RPJ-Ätzung von laserbehandeltem Material
  Die Bestrahlung von Materialien mit ultrakurzen Laserimpulsen verursacht Schäden am Material, die zu chemischen und strukturellen Materialveränderungen führen. Da die physikalischen und chemischen Materialeigenschaften von der Struktur des Materials abhängen, ist die Korrelation zwischen laserinduzierten Materialveränderungen und der daraus resultierenden Verarbeitbarkeit erforderlich, um potenzielle Anwendungsbereiche zu erkennen.
   
• Mikrostrukturierung von gekrümmten und nicht-ebenen Glasoberflächen durch Laserlithografie und reaktives Plasmastrahlätzen
  Für Hybridoptiken, die diffraktive und refraktive Elemente kombinieren, ist eine effektive und reproduzierbare Mikrostrukturierung von Glasoberflächen erforderlich. Die Herstellung hybrider optischer Oberflächen erfordert hochspezialisierte Verfahren. Ziel ist es, Laserlithografie und reaktives Plasmastrahlätzen zu kombinieren sowie Prozessparameter und Bearbeitungsstrategien festzulegen, um hochwertige Hybridoptiken zu realisieren.

Bachelorarbeiten

• Selektives Ätzen von lasermodifiziertem einkristallinem Silizium zur Erzeugung von 3D-Strukturen
  Das kristallorientierte Ätzen von einkristallinem Silizium (c-Si) mittels Oberflächenmaskierung ist bekannt und wird für Anwendungen in Mikrosystemen genutzt. Die Vorstrukturierung von c-Si durch Laserablation liefert sehr unterschiedliche Masken, die nach dem chemischen Ätzen zu verschiedenen 3D-Strukturen führen. Die experimentellen Untersuchungen werden durch Simulationen der Strukturentwicklung von laser-vorstrukturiertem, kristallografisch geätztem Silizium ergänzt.
   
• Selektives Laserätzen von LIPSS-Strukturen
  Das selektive Laserätzen ist ein Verfahren zur Strukturierung von Materialien durch chemisches Ätzen von lasermodifizierten Oxiden. Laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) entstehen bei der Bestrahlung von Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen nahe der Ablationsschwelle. Die durch die Bestrahlung/Ablation mit ultrakurzen Laserpulsen laserbeschädigten oxidischen Materialien lassen sich leichter ätzen und ermöglichen die Abstimmung der LIPSS-Strukturen hinsichtlich Form und Größe. Parameteruntersuchungen liefern experimentelle Ergebnisse.
   
• Strukturierung von Oxiden durch ultrakurze Laser-SPP
  Oberflächenplasmonenpolaritonen können durch ultrakurze Laserpulse angeregt werden und mit dem Laserfeld interferieren, was zu einer Modulation des elektrischen Feldes führt. Dieses Interferenzmuster bewirkt laserinduzierte Modifikations- und Abtragungsprozesse. Ziel ist es, eine hochwertige Strukturierung von oxidischen Oberflächen im Submikrometerbereich nachzuweisen.
   
• Verbesserung von LIPSS durch laserinduziertes Nassätzen der Rückseite
  Das laserinduzierte Nassätzen der Rückseite (LIBWE) ist ein Verfahren zur direkten Strukturierung optisch transparenter Materialien. In Vorversuchen wurden LIPSS (laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen) bei LIBWE mit ultrakurzen Laserpulsen beobachtet. Es müssen experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden, um den Einfluss der Parameter auf den LIPSS-Bildungsprozess und die LIPSS-Eigenschaften zu untersuchen.