Optimierung, Analyse und Anwendung der direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP)

Abstract

Die direkte Laserinterferenzstrukturierung (direct laser interference patterning – DLIP) ist ein Verfahren zur Herstellung periodischer Oberflächen auf Mikrometerebene. Zu den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten zählt u. a. die Manipulation des Benetzungsverhaltens, der Reflektivität oder der Reib- und Verschleißeigenschaften in Tribosystemen. Dabei stellt die großflächige gleichmäßige Strukturierung, insbesondere im Kurzpulsregime, aufgrund der vorhandenen Wärmeeinflusszonen und der damit verbundenen, oft unerwünschten Reaktionen eine Herausforderung dar. Eine zur Verbesserung des Aufbaus nötige objektive reproduzierbare Bewertung der auftretenden Störungen und Inhomogenitäten ist dabei aufgrund der Periodizität der Oberfläche schwierig, da Standardkenngrößen diese nicht berücksichtigen. In dieser Arbeit wird ein Hybridverfahren aus Maskenabbildung und klassischer DLIP entwickelt, womit sich Störbereiche bei großflächiger Kurzpulsstrukturierung um über 90 % reduzieren lassen. Zudem wird mittels Gini- und Fourier-Analyse eine Methodik konstruiert, die es erstmalig erlaubt, die Qualität und Homogenität einer periodischen Oberfläche für nahezu frei wählbare Eigenschaften objektiv zu bewerten. Zuletzt wird an einer homogen strukturierten Wolframprobe demonstriert, dass sich mittels der Kombination aus In-situ-Tribometer und spezieller Kontaktsoftware Informationen bezüglich der realen Kontaktfläche gewinnen lassen und so deren Verlauf experimentell abgeschätzt werden kann.

Direct laser interference patterning (DLIP) is a one-step process for fabricating periodic surfaces at the micrometer scale. Among the numerous applications are manipulations of the wetting behavior, the reflectivity or the friction and wear properties in tribosystems. Large-area uniform patterning is a challenge, especially in the short-pulse regime, due to the presence of heat-affected zones and the associated undesirable effects. An objective reproducible evaluation of the occurring disturbances and inhomogeneities, which is necessary to improve the pattern, is difficult due to the periodicity of the surface since standard parameters do not consider them. In this work, a hybrid technique combining mask imaging and classical DLIP is developed, which can reduce disturbance areas in large-area short-pulse patterning by more than 90%. Furthermore, a methodology is constructed by means of Gini and Fourier analysis, which for the first time allows the quality and homogeneity of a periodic surface to be objectively evaluated for almost freely selectable attributes. Finally, a homogeneously structured tungsten sample is used to demonstrate that a combination of an in-situ tribometer and special contact software can be used to obtain information about the real contact surface and thus to experimentally estimate its evolution.