LAVA - Wechselwirkung zwischen Rohmaterial und Laserstrahlung

Lasermaterialbearbeitung

Unterschiedlichste Lasertypen mit den jeweils charakteristischen Strahlungseigenschaften bilden ein vielseitiges und flexibles Werkzeug zur präzisen Bearbeitung verschiedenster Werkstoffe.
LAVA - Wechselwirkung zwischen Rohmaterial und Laserstrahlung
Foto: CSI/FSU

Nanopartikel

Laser-Co-Vaporisation (CoLAVA) Laser-Co-Vaporisation (CoLAVA) Grafik: Janet Grabow/FSU

Laservaporisation (LAVA)

Funktionelle Nanopartikel sind von zunehmender Bedeutung bei der Entwicklung von Hybridmaterialien für die Energie- und Umwelttechnik sowie für biomedizinische Anwendungen. Im Mittelpunkt unserer Forschungsarbeiten steht die Synthese funktioneller keramischer Nanopartikel mittels CO2-Laservaporisation (LAVA).

DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.01.010

Das hochflexible LAVA-Verfahren bietet die Möglichkeit, nahezu beliebige keramische Verbindungen in Nanopartikel und Nanopulver zu überführen. So können phasenreine Oxide, definiert einstellbare Mischkristalle (z.B. Perowskite, Spinelle) und Defektstrukturen (z.B. dotierte Halbleiter) sowie intrapartikuläre Dispersionskeramiken (z.B. Al2O3-ZrO2) und Einlagerungen von Nanokristalliten (z.B. FexOy) in nanostrukturierten Glasmatrizes als Nanopartikel hergestellt werden.

DOI: 10.1038/srep20589 // DOI: 10.1039/c5nr00845j

Die erhaltenen sphärischen Nanopartikel können durch technologische Fertigungsverfahren in Hochleistungsverbundwerkstoffen und Hybridsystemen integriert werden. Hierbei dient neben konventionellen sowie generativen Verfahren zur Herstellung nanoporöser bzw. dicht gesinterter Strukturen insbesondere das Vorbild Natur als Ideengeber für innovative Ansätze zur Erzeugung biomimetischer Verbundstrukturen. Die gezielte Kontrolle der Materialeigenschaften verbunden mit den vielfältigen Wegen zur Weiterverarbeitung der Nanopulver eröffnet somit vollkommen neue Möglichkeiten, innovative funktionelle Werkstoffe und Hybridmaterialien zu entwickeln. Ihr Anwendungsspektrum umfasst die Energietechnik (z.B. nanoporöse Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Akkus; neuartige Halbleitermaterialien für Farbstoffsolarzellen), die Umwelttechnik (z.B. poröse Hybridstrukturen für die photokatalytische Reinigung von Wasser bzw. Luft im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums) und biomedizinische Anwendungen (z.B. piezoelektrische Werkstoffe für die Knochenregeneration; mit Wirkstoffen funktionalisierbare magnetische Nanopartikel für die Tumortherapie und Diagnostik; neuartige Funktionskeramiken für künstliche Gelenke).

DOI: 10.1039/D0NR09053K

Oberflächenmodifizierung

Laserstrukturierung Laserstrukturierung Foto: CSI/FSU

Laserstrukturierung

Bei der Laserstrukturierung kommen vorwiegend CO2- und Ultrakurzpulslaser sowie spezielle Modulationstechniken zum Einsatz, um Materialoberflächen im µm- und nm-Bereich präzise zu strukturieren. Die Basis hierfür bildet die detaillierte Untersuchung der Wechselwirkungsprozesse zwischen Laserstrahlung und Werkstoff. Insbesondere auf dem Gebiet der CO2-Lasermaterialbearbeitung steht mit einem speziellen gütegeschalteten CO2-Laser und den bereits in vielfältigen Anwendungen etablierten Modulatoren umfangreiche experimentelle Technik zur Verfügung, um µm-Strukturen in Metall-, Glas-, Keramik- und Polymeroberflächen einzubringen. Diese Strukturen lassen sich anschließend durch nachgeschaltete additive Fertigungsprozesse (2-Photenpolymerisation, Selektives Laser Sintern) sowie durch das Verfahren der Pulsed-Laser-Deposition auf einer weiteren hierarchischen Ebene funktionalisieren.

DOI: 10.1016/j.optlaseng.2014.09.007

Laser-induced Periodic Surface Structures (LIPSS) Laser-induced Periodic Surface Structures (LIPSS) Foto: CSI/FSU

Laser-induced Periodic Surface Structures (LIPSS)

Ein weiterer Gegenstand aktueller Forschung ist die Erzeugung laser-induzierter periodischer Oberflächenstrukturen (engl.: „laser-induced periodic surface structures“, kurz: LIPSS) mittels Ultrakurzpulslaser. LIPSS entstehen auf der Materialoberfläche im Fokusspot in Folge der Wechselwirkung mit der gepulsten Laserstrahlung. Die periodischen Strukturen liegen dabei in der Größenordnung der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung, wobei ihre Orientierung maßgeblich durch die Polarisationsrichtung vorgegeben wird.

http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.01.056

Ein wesentlicher Schwerpunkt der Untersuchungen ist es deshalb, über die definierte Steuerung verschiedenster Laser- und Prozessparameter (z.B. Laserwellenlänge, Polarisationszustand und Laserfluenz) die Ausbildung der LIPSS-Strukturen auf Metallen, Gläsern, Keramiken, Polymeren und Kompositwerkstoffen zu beeinflussen und somit für potenzielle Anwendungen zu optimieren.

Eine wichtige Grundlage hierfür bildet das grundlegende Verständnis des Entstehungsprozesses der verschiedenen LIPSS-Typen, der in der Literatur noch immer kontrovers diskutiert wird. Eine umfangreiche Zusammenfassung der verfügbaren Theorien und Modellvorstellungen wurde unlängst in Laser & Photonics Reviews veröffentlicht.

https://doi.org/10.1002/lpor.202000215

Durch die LIPSS-Bildung entstehen Oberflächen mit einer definierten, nanoskaligen Topographie, die im Zusammenspiel mit den chemischen Eigenschaften vielfältige funktionelle Eigenschaften zur Folge hat. Neben einem modifizierten Absorptions-, Transmissions- und Reflexionsverhalten der Oberfläche führen die LIPSS zu spezifischen Strukturfarben, die aus den beugenden Eigenschaften der gitterartigen Oberflächenstrukturen resultieren. So lassen sich je nach Strukturgröße auf relativ einfache Weise antireflektierende Oberflächen erzeugen oder Produkte gegen Fälschung sichern.

Mittels LIPSS strukturierte Oberflächen zeichnen sich darüber hinaus durch ein verändertes Benetzungsverhalten aus, das sich merklich vom Ausgangssubstrat unterscheiden kann. Stark benetzende, superhydrophile Oberflächen kommen beispielsweise bei der Wassergewinnung zum Einsatz, wohingegen bei stark benetzenden, superhydrophoben Oberflächen der auch vom Lotusblatt bekannte Selbstreinigungseffekt genutzt wird. Ein Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt in der Erzeugung definierter Benetzungszustände (Strukturgradienten, hierarchische Strukturen), um einen gerichteten Flüssigkeitstransport beispielweise für Anwendungen in der Mikrofluidik (Lab on a Chip) zu realisieren.

Gerichtete Flüssigkeitstransport basierend auf Gradientenstrukturen
Video: Universität Jena
Gerichtete Flüssigkeitstransport basierend auf Leidenfrost-Effekt
Video: Universität Jena
ZnO-Beschichtung einer Kohlenstofffaser mittels PLD; Appl. Surf. Sci. 399 (2017) 282-287 ZnO-Beschichtung einer Kohlenstofffaser mittels PLD; Appl. Surf. Sci. 399 (2017) 282-287 Foto: CSI/FSU

Pulsed Laser Deposition (PLD)

Das PLD-Verfahren bietet eine flexible und vielseitige Methode, beliebige Substratmaterialien mit funktionellen Beschichtungen zu versehen. Mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls wird hierbei das Targetmaterial abgetragen, in den Plasmazustand überführt und auf einem gegenüberliegenden Substrat abgeschieden. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt in der Erzeugung kristalliner und amorpher Metalloxidschichten (z.B. TiO2, ZnO) auf glatten und strukturierten Oberflächen sowie Textilien, wodurch sich neue Ansätze für die Entwicklung textiler Farbstoffsolarzellen oder katalytisch wirksamer textiler Strukturen realisieren lassen.

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.12.046

Pulsed Laser Deposition (PLD) - Anlage Pulsed Laser Deposition (PLD) - Anlage Foto: CSI/FSU

Hierzu wird ein leistungsstarker gütegeschalteter CO2-Laser als Energiequelle verwendet, da sich die infrarote Laserstrahlung besonders gut zur Ablation keramischer Materialien eignet. Die Beschichtung kann hierbei prinzipiell unter Ultrahochvakuum sowie unter spezifischen Atmosphären (Inert- und Reaktivgase) durchgeführt werden. Die PLD-Versuchsanlage ist mit einer Substratheizung, die mit einem separaten CO2-Laser betrieben wird, ausgestattet und erlaubt über eine stickstoffgekühlte Targethalterung die Durchführung des MAPLE-Verfahrens (Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation), mit dem sich z.B. Nanopartikel, Polymere und biologische Materialien abscheiden lassen.