Mehr Kontrolle über die Herstellung von Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen mithilfe ultraschneller Laser gewinnen

Die Oberflächenfunktionalisierung mittels Mikro-/Nanostrukturierung ist nicht nur ein florierendes, von der Bionik inspiriertes Forschungsgebiet, sondern auch von großer Bedeutung für verschiedene praktische Anwendungen. Der Schlüssel zum Erreichen verschiedener Oberflächenfunktionen ist die Herstellung von Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen mit kontrollierten Abmessungen, Hierarchien und Zusammensetzungen, was den kontinuierlichen Fortschritt der Mikro-/Nano-Herstellungstechniken vorantreibt.

Forscher des Laser Materials Processing Research Center an der School of Materials Science and Engineering der Tsinghua-Universität, China, haben jahrelang lasergestützte Herstellungstechniken zur Vorbereitung von Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen entwickelt und ihre funktionellen Anwendungen erforscht.

Das Werk mit dem Titel „Lokalisierte In-situ-Abscheidung: eine neue Dimension der Kontrolle bei der Herstellung von Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen mittels ultraschneller Laserablation“ wurde veröffentlicht in Grenzen der Optoelektronik.

Die Forscher haben die Fähigkeit entwickelt, die mikro- und nanoskaligen Merkmale separat und fein zu steuern und zu steuern, wie sie kombiniert werden, um verschiedene Arten von mehrstufigen Strukturen zu bilden, sagen die Forscher. Zu den von ihnen untersuchten Funktionen und Anwendungen gehören extreme Benetzbarkeit, Vereisungsschutz, breitbandige Lichtabsorption, Strukturfarben, solare Wasserverdunstung, thermisches Grenzflächenmanagement, tribologische Eigenschaften, oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie und Photoelektrokatalyse für Energieanwendungen usw.

Einer ihrer kontinuierlichen Forschungsschwerpunkte besteht darin, mithilfe ultraschneller Laser eine bessere Kontrolle über die Strukturherstellung zu erlangen und flexiblere Herstellungsansätze zu entwickeln. Zusätzlich zur Steuerung des ultraschnellen Laserablationsprozesses haben sie kürzlich gezeigt, dass auch die In-situ-Ablagerung von Partikeln nach der ultraschnellen Laserablation von Festkörperoberflächen kontrolliert und als lokalisierter mikroadditiver Prozess zur Anhäufung hierarchischer Oberflächenstrukturen genutzt werden kann.

Die Bildung von Plasmafahnen ist ein universelles Phänomen, das bei der gepulsten Laserablation von Festkörpern auftritt. Die Produkte (Nanopartikel) aus den Plasmafahnen können zur Verwendung durch externe Flüssigkeiten (im Fall der Laserablation in Flüssigkeiten) oder Substrate (im Fall der gepulsten Laserabscheidung) gesammelt werden.

Im Gegensatz dazu lagern sich bei der ultraschnellen Laseroberflächenstrukturierung einige der Nanopartikel aus den Plasmafahnen in situ wieder auf den bestrahlten Oberflächen ab. Für bestimmte Anwendungen spielen die in situ abgeschiedenen Strukturmerkmale eine wichtige Rolle bei der Verbesserung von Oberflächeneigenschaften wie Lichtabsorption, Empfindlichkeit und Energieumwandlung.

Ob und wie der In-situ-Ablagerungsprozess kontrolliert werden kann, bleibt jedoch eine offene Frage. Ihre jüngsten Studien zeigten die Möglichkeit, den In-situ-Ablagerungsprozess zu steuern, z. B. um festungsartige Strukturen auf Mikrokegelanordnungen aufzubauen, anstatt nur zufällig verteilte Nanopartikel zu produzieren. Der enthüllte Mechanismus der Laser-Materie-Wechselwirkung kann zukünftige Forschungsinteressen dazu anregen, neue Möglichkeiten bei der Herstellung funktionaler Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen mithilfe ultraschneller Laser zu erkunden.