Oberflächen nach Maß
Lasergestützte Mikro- und Nanostrukturierung
Laserbasierte Strukturierung für Optik, Photonik und funktionale Oberflächen
Laserbasierte Verfahren erweitern die Möglichkeiten der ultrapräzisen Oberflächenbearbeitung – insbesondere dort, wo höchste Strukturauflösung, Materialvielfalt und Prozessgeschwindigkeit gefragt sind. Am IOM werden Laserprozesse gezielt weiterentwickelt, um optische und funktionale Oberflächen mit nanometergenauer Präzision herzustellen.
Laserbasierte Mikro- und Nanostrukturierung
- Mikro- und Nanostrukturierung mittels Ultrakurzpulslaser
- Optimierung von Laserablation durch Strahlformung und Prozessstrategien
- Entwicklung von Verfahren mit laserinduzierten Plasmen
- Diagnostik und Prozesskontrolle, z. B. durch Plasmaspektroskopie
Anwendungen in Photonik und funktionalen Oberflächen
- Strukturierung optischer Komponenten für Photonik und Präzisionsoptik
- Funktionale Oberflächen für Sensorik und industrielle Anwendungen
- Ergänzende Verfahren für die hochpräzise Fertigung komplexer Bauteile
Präzision durch Kombination physikalischer und chemischer Effekte
- Kombination physikalischer und chemischer Prozesse für nanometergenaue Strukturierung
- Kontrolle von Materialabtrag über alle Skalen – vom Atom bis zum Bauteil
- Verzahnung von Experiment, Diagnostik und Modellierung
- Entwicklung effizienter und umweltschonender Verfahren für die industrielle Nutzung
Projekte
Erforschung der Material-Struktur-Beziehung für lichtführende Elemente in einen Verbundschutzfolie für flexible organische Solarmodule (FlexSolarProtect)
Das Projekt verfolgt das Ziel, integrierte Lichtführungsstrukturen in die Frontschutzfolien zu integrieren, um die Effizienz von organischen Solarmodulen zu steigern. Diese Strukturen sollen spezifiziert und zur Demonstration des Prozesses testweise hergestellt werden. Unter der Leitung des sächsischen Photovoltaikherstellers Heliatek GmbH arbeitete das IOM als Forschungspartner an der Entwicklung der Lichtführungsstrukturen. Diese wurden schließlich durch Abformung in hochbrechende Acrylatgemische auf den von der D-K Kunststoff-Folien GmbH entwickelten Frontschutzfolien aufgebracht und dienten schließlich der Versiegelung der organischen Photovoltaik.
Gefördert durch BMFTR im Rahmen des Förderprogramms „WIR! – Wandel durch Innovation in der Region“
Laserstimulierte reaktive Atmosphärendruck-Plasmajet-Ätzprozesse zur Ultrapräzisionsbearbeitung optischer Gläser (LasPlasJet)
Bei reaktiven Atmosphärendruck-Plasmajetätzprozessen (Reactive Plasma Jet Machining, RPJE) von Gläsern entsteht durch die Reaktion von Fluor aus dem Ätzglas mit den in Gläsern enthaltenen Metalloxiden eine Passivierungsschicht aus fluoridhaltigen Ablagerungen. Diese Passivierungsschicht verringert die Ätzrate beim Ätzen und erhöht die Oberflächenrauheit des Glases signifikant. Um einen sequenziellen oder kontinuierlichen Abtrag der Passivierungsschicht zu erreichen bzw. deren Bildung zu minimieren, wird die Glasoberfläche parallel zum RPJE mit gepulster Laserstrahlung bestrahlt. Die zusätzliche Energiezufuhr durch die Laserphotonen bewirkt den Abtrag der Passivierungsschicht. Dadurch kann der Ätzprozess kontinuierlich durchgeführt werden und die Oberflächenrauheit ist vergleichsweise geringer. Diese Forschungsergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung von Plasmajet-Laser-Ultrapräzisionsbearbeitungsverfahren für Gläser, die in optischen High-End-Anwendungen zum Einsatz kommen.
Gefördert durch DFG
Erforschung von Prozessen zur effizienten Herstellung von Filterfolien-Verbundsystemen durch UV-Technologien
Das Projekt wird im Rahmen des Verbundvorhabens „Entwicklung von mikrostrukturierten Siebsystemen durch UV-Replikation auf Waferlevel für deren Anwendung in der Biomedizin“ mit Firmen aus Mitteldeutschland durchgeführt. Die Entwicklungen des IOM zielen auf eine restschichtfreie Replikation von mikrostrukturierten Mastern durch UV-Härtung flüssiger, biokompatibler Prepolymeren sowie auf eine defektfreie Entformung der Replikate ab. Diese bilden anschließend eine freitragende, sehr dichte Lochfolie. Zur mechanischen Stabilisierung ist eine unterstützende Struktur in die Lochfolie eingebettet.
Gefördert durch ZIM
Erforschung der Material-Struktur-Beziehung für lichtführende Elemente in einen Verbundschutzfolie für flexible organische Solarmodule (FlexSolarProtect)
Das Projekt verfolgt das Ziel, integrierte Lichtführungsstrukturen in die Frontschutzfolien zu integrieren, um die Effizienz von organischen Solarmodulen zu steigern. Diese Strukturen sollen spezifiziert und zur Demonstration des Prozesses testweise hergestellt werden. Unter der Leitung des sächsischen Photovoltaikherstellers Heliatek GmbH arbeitete das IOM als Forschungspartner an der Entwicklung der Lichtführungsstrukturen. Diese wurden schließlich durch Abformung in hochbrechende Acrylatgemische auf den von der D-K Kunststoff-Folien GmbH entwickelten Frontschutzfolien aufgebracht und dienten schließlich der Versiegelung der organischen Photovoltaik.
Gefördert durch BMFTR im Rahmen des Förderprogramms „WIR! – Wandel durch Innovation in der Region“
Publikationshighlights
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 Roll-to-Roll-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).
Ausstattung
- 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
Ansprechpartner:
