Nanostructuring of indium tin oxide with sub-15 femtosecond laser pulses for technical and biomedical applications

Abstract

Modern laser technologies enable the production of nanostructures on a relatively large area for a variety of applications. Nonlinear effects occurring at high light intensities, such as multiphoton absorption, allow structuring in dimensions below the diffraction limit. While existing applications for 2D confined nanostructures are essentially based on selforganizing structures without a well definable profile or in combination with complex processing steps, precisely flexible defined nanostructures were fabricated in this work. It is about the interaction of a tightly focused near infrared sub-15 femtosecond laser (repetition rate: 85 MHz) with sputtered polycrystalline ITO thin films exhibiting different electrical conductivities. Depending on the choice of parameters, total ablation, periodic nano-cuts or else crystal modifications can be generated, rendering the ITO layer resistant to a subsequent etching step. Using this innovative approach, nanowires attached to the substrate or even freestanding nanowires (in combination with a selectively etchable sacrificial layer) with a length-to-width ratio of more than one hundred were prepared. The applicability of such nanowires for self-heating resistive gas sensors for detection of oxidizing gases was demonstrated. As another demonstrator, ITO bioelectrodes were trimmed with respect to their impedance by coherent sub-20 nm wide and several microns long nano-cuts.

Moderne Lasertechnologien ermöglichen eine relativ großflächige Herstellung von Nanostrukturen für eine Vielzahl von Anwendungen. Bei hohen Lichtintensitäten auftretende nichtlineare Effekte, wie z.B. Multiphotonenabsorption, erlauben das Unterschreiten der Beugungsgrenze. Während existierende Anwendungen für räumlich 2D beschränkte Nanostrukturen wesentlich auf selbstorganisierenden, wenig steuerbaren Profile in Kombination mit aufwändigen Prozessen basieren, konnten in der vorliegenden Arbeit präzise definierbare Nanostrukturen hergestellt werden. Zentraler Punkt dieser Arbeit ist die Wechselwirkung eines eng fokussierten nahinfraroten Sub-15-Femtosekunden-Laserstrahls (Wiederholrate: 85 MHz) mit gesputterten ITO-Dünnschichten, die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten aufweisen. Je nach Wahl der Parameter können totale Ablation, periodische Nanoschnitte aber auch Kristallmodifikationen erreicht werden, die die ITO-Schicht resistent gegenüber einem nachfolgenden Ätzschritt machen. Mit diesem innovativen Prozessansatz konnten substratgebundene bzw. freistehende (in Kombination mit einer selektiv ätzbaren Opferschicht) Nanodrähte mit einem Längen-zu-Breiten-Verhältnis von mehr als einhundert hergestellt werden. Die Verwendbarkeit solcher selbstheizbarer Drähte zur resistiven Detektion von oxidierenden Gasen konnte demonstriert werden. Als weiterer Demonstrator wurden ITO-Bioelektroden mit kohärenten sub-20 nm-breiten und mehrere Mikrometer langen Nanoschnitten bezüglich ihrer Impedanz modifiziert.