Unerwartet kleine Strukturen mittels Femtosekundenlaser erzeugt

25. Juli 2013, 21:10
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Weniger als 100 Nanometer kleine Riefen auf Titan hergestellt - Wie diese zustande kommen, ist noch unklar

Einem Forscherteam von der deutschen Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist nach eigenen Angaben ein Meilenstein für die Bearbeitung von Oberflächen gelungen. Die Wissenschafter haben mittels Ultrakurzpulslaser-Bestrahlung Strukturen auf der Oberfläche von Titan erzeugt, die kleiner als 100 Nanometer sind. Das Besondere daran: Der eingesetzte Laser selber erzeugt "nur" Strahlung einer Wellenlänge von 790 nm.

Ein Blick ins Elektronenmikroskop zeigt Riefen, die ein bisschen an die Wellenstruktur auf dem Meeresboden erinnern. Diese Riefen sind das Ergebnis eines Beschusses des Materials mit ultrakurzen Laserimpulsen. 50 Mal kurz hintereinander wird ein Impuls von nur 30 Femtosekunden Dauer auf das Material geschickt, berichten die Wissenschafter im Fachblatt "Applied Physics A". Eine Femtosekunde sind 10-15 Sekunden. 30 Femtosekunden, bezogen auf eine Sekunde, sind also genauso kurz wie 30 Sekunden im Verhältnis zu 32 Millionen Jahren.

"Wenn Sie normalerweise einen Strahl eines Lasers dieser Art fokussieren, tritt Beugung auf, die Ihnen nach den Gesetzen der klassischen Fernfeldoptik die erzielbare Auflösung etwa auf die Hälfte der Wellenlänge begrenzt", erklärt Jörn Bonse von der BAM. Also wären eigentlich nur etwa 400 nm möglich gewesen. Doch wie konnten die Wissenschafter dann diese winzigen regelmäßigen Strukturen - es handelt sich immerhin um eine Größenordnung von einem Zehntel der Wellenlänge - gezielt auf einer Titanoberfläche erzeugen?

Eine Frage der richtigen Einstellung

Den BAM-Wissenschaftern gelang es, zusammen mit Kollegen vom Max-Born-Institut für Nichlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) Berlin, die richtigen Parameter für den Effekt zu finden: Also wie viel Impulse brauche ich und wie viel Energie pro Fläche dürfen die einzelnen Impulse übertragen? "Diese Riefenstrukturen sehen wir nur ganz knapp oberhalb einer Schwelle, an der überhaupt eine Veränderung am Material erfolgt", berichtet der Physiker Bonse. Wird die Energiedichte geringfügig erhöht, dann entstehen viel größere Riefen mit Perioden von einigen 100 nm.

Die richtigen Parameter zu finden war nicht einfach, das Verfahren selber ist aber vergleichsweise unkompliziert und industriekonform. Man arbeitet unter Luft und muss nicht aufwendig ein Vakuum erzeugen, wie es notwendig wäre, wenn man Laser einsetzen würde, die eine Wellenlänge von deutlich unter 200 nm erzeugen. Und es ist ein Verfahren, das in einem Schritt durchgeführt werden kann.

Ungeklärte Fragen

Woher die kleinen Strukturen kommen, darüber rätseln die Forscher noch. Es gibt verschiedene Ansätze, aber ganz verstanden ist der Prozess noch nicht. Im biomedizinischen Bereich sehen die Wissenschafter die Bearbeitung von Implantaten als einen Bereich der Anwendung. Durch diese winzigen Riefenstrukturen – so die Hoffnung der Wissenschafter – könnte das bearbeitete Material besser vom Körper aufgenommen werden und Zellen es einfacher haben, sich auf der Oberfläche anzusiedeln. Bisher hat man sich bei den Versuchen auf Titan konzentriert. "Der Vorgang ist aber auf andere Materialien übertragbar", sagt der Physiker Jörg Krüger von der BAM. (red, derStandard.at, 25.07.2013)

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