Nanoskalige 3D-Strukturen aus Metall mit Laserlicht erzeugen

6.2.2019

In dem vom BMBF geförderten wissenschaftlichen Vorprojekt LAMETA untersuchen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM, ob die Herstellung metallischer Nanostrukturen aus der Gasphase mittels Laserdirektschreiben unter Ausnutzung der 2-Photonen-Absorption möglich ist, und welche Auflösungsgrenzen dabei erreicht werden können.

Unter dem Motto „Erkenne die Anfänge: Wer frühzeitig innovative Ideen testet, ist später ganz vorn dabei!“ unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung sogenannte „Wissenschaftliche Vorprojekte“ innerhalb des Förderprogramms Photonik Forschung Deutschland. Ziel ist es, neue Ergebnisse der Grundlagenforschung auf ihr späteres Marktpotential hin zu prüfen und zu beurteilen.

 

Deutschland ist Technologieführer

Gerade in der Entwicklung und Anwendung von laserbasierten Technologien zur Erzeugung von Nanostrukturen in Fotolacken ist Deutschland seit Jahren Vorreiter. Die Erzeugung kleinster Strukturen mit Skalen im Nanometerbereich gewinnt in vielen technischen Anwendungen immer mehr an Bedeutung. Erweitert man nun die Strukturen in die dritte Dimension bei gleichzeitiger Verkleinerung der Strukturgröße in den Bereich der Größenordnung der Wellenlänge von Licht, lassen sich neue interessante Phänomene adressieren. So kann durch die Wechselwirkung von eingestrahltem Licht mit den Elektronen im nanoskaligen Metallgerüst das Licht gezielt manipuliert werden, um z. B. neuartige optische Bauelemente, oder, durch Funktionalisierung der Oberfläche des Metallgerüsts neuartige Sensorelemente zu generieren. Zudem kann die Erschließung neuer Materialklassen für neue Anwendungen dazu beitragen, den Technologievorsprung in Deutschland auf diesem Gebiet zu sichern und neue Anwendungen für Firmen zu erschließen.

 

Wie stellen wir es an?

Die Abscheidung von Metallen aus der Gasphase ist eine bekannte Technologie, die für viele Anwendungen eingesetzt wird, um metallische Funktionsschichten zu erzeugen. Auch die laserbasierte Abscheidung aus der Gasphase unter Verwendung spezieller Metall-Prekursoren wurde bereits mehrfach demonstriert, allerdings lag die Auflösung der Strukturgrößen dabei eher im Mikrometerbereich.

Um die Auflösungsgrenze in den Nanometerbereich herunter zu skalieren, wenden die Mainzer Wissenschaftler die Methode der Zwei-Photonen-Absorption in Kombination mit kommerziell erhältlichen Metall-Prekursoren an.

Dadurch entfallen aufwendige, mehrstufige Lithografieverfahren in Kombination mit anschließender Metallisierung und einer Beschränkung auf quasi-dreidimensionale Strukturen sowie die Beschränkung auf spezielle Fotolacke. Zur Erzeugung voll funktionaler metallischer Nanostrukturen ist daher ein Verfahren wünschenswert, welches eine direkte Erzeugung von uneingeschränkt dreidimensionalen Nanostrukturen erlaubt, dabei ohne aufwendige Entwicklungsprozesse auskommt sowie die Anwendung auf beliebigen Substraten ermöglicht.

Im Projekt soll die Auflösungsgrenze dieses Verfahrens untersucht werden und geeignete Funktionsdemonstratoren für eine gezielte Wechselwirkung von Licht mit diesen periodischen 3D-Metallstrukturen hergestellt werden. „Wir möchten das konkrete Anwendungspotential der Methode demonstrieren und so auch neue Anwendungsfelder im Bereich der Plasmonik erschließen“, erklärt Projektleiter Dr. Thomas Klotzbücher. Dazu haben er und seine Kollegen nun bis Ende 2020 Zeit.

REM-Aufnahme von photonischem Kristall
© Fraunhofer IMM

3D dreifach helikaler photonischer Kristall mit Metallisierung aus Silber (REM-Aufnahme)