Femtosekunden-Laserprozessierung von Oberflächen für definierte physikalische und chemische Materialeigenschaften

Die laserbasierte Oberflächenstrukturierung ist eine vielseitige Methode, um bekannte Materialien mit neuartigen Oberflächeneigenschaften zu versehen. Insbesondere Laserstrahlquellen, welche ultrakurze Lichtpulse im Bereich von wenigen Femtosekunden (10-15 s) ausstoßen, erlauben es bisher unerreichbare Oberflächenstrukturen auf fast jedem Material zu erzeugen. Auf dieser Zeitskala ist die Licht-Materie Wechselwirkung zeitlich so begrenzt, dass ein Wärmetransfer in das Material nahezu ausgeschlossen ist. Dementsprechend erfolgt kein Aufschmelzen des Materials, sondern durch Verdampfung der obersten Schichten und andere physikalische Prozesse werden im Bereich des Laserstrahls Nano- und Mikrostrukturen aufgebaut. In Abhängigkeit der Laserparameter (Pulsenergie, Pulsdauer, Anzahl der Pulse pro Punkt auf der Oberfläche, Pulswiederholrate, Wellenlänge) können die Strukturen auf der Oberfläche gezielt beeinflusst werden. Darüber hinaus können gezielte Pulsfolgen und Pulsformen durch geeignete optische Elemente erzeugt werden, welche durch eine automatische Feedback-Schleife an die Analytik der entstehenden Oberflächenstruktur angekoppelt sind. Dies erlaubt es, selbstlernende Algorithmen für eine bestimmte Zielstruktur einzusetzen und während des Schreibprozesses die Struktur zu optimieren (Abb. 1).

Ein weiterer Aspekt ist die Femtosekunden-Laserprozessierung unter Reaktivgasen wie z.B. Sauerstoff oder elementaren Halogenen. Die reaktive Umgebung kann den Strukturierungsprozess unterstützen und damit weitere Oberflächeneigenschaften realisierbar machen.

Typische Beispiele für die Veränderung von Oberflächeneigenschaften sind:

Hydrophobie/Hydrophilie: Beliebige Materialien können durch ihre Oberflächenstruktur hydrophobisiert und damit schmutzabweisend funktionalisiert werden (Abb. 2). Auf der anderen Seite können die Materialien auch superhydrophil gestaltet werden, um die Benetzungseigenschaften zu verbessern.

Kühlkörper: Ein typisches Erscheinungsbild von laserstrukturierten Metallen ist die kegelförmige Oberflächenstruktur (Abb. 3). Derartig modifizierte Aluminiumplatten zeigen eine ausgezeichnete thermische Emissivität, d.h. sind als Strahlungskühler geeignet (Abb. 4). Im Vergleich zu konventionellen Kühlelementen ist dabei eine leichtere und kompaktere Bauweise möglich.

Optische Eigenschaften: Die Reflektivität von Oberflächen kann mittels der Laserstrukturierung gezielt eingestellt werden. Damit sind nicht-spiegelnd Metalloberflächen, diffus streuende Materialstandards und homogen trübe Kunststoffe zugänglich, wobei letztere z.B. für LED Beleuchtungen und als Bildschirmhintergrundbelichtung verwendet werden können (Abb. 5).

Photovoltaik: In einer SF6-Atmosphäre prozessiertes Silizium zeigt eine ausgezeichnete Lichtabsorption im nahen Infrarot. Diese Halbleiter sind für NIR-Sensoren und als Solarzellen mit erweitertem Wirkspektrum von Interesse.

Energiespeicherung: Nanostrukturierte Elektroden sind vielversprechende Kandidaten für die Wasserelektrolyse (siehe Projekt GreenH2) oder für neuartige, wiederaufladbare Zink-Luft Batterien (siehe Projekt ZiLsicher).

Katalysatoren: Die Oberflächenstrukturierung von heterogenen Katalysatorelementen kann die katalytische Aktivität deutlich steigern und damit den Weg zu kompakten und mobilen Dehydrier-Reaktoren ebnen (siehe Projekt LOHC).