Neue Einblicke in die Herstellung von Nanokanälen mit Femtosekunden-Laserpulsen

Jüngste Fortschritte bei der Herstellung von Nanostrukturen haben zu ihrer Anwendung in mehreren Bereichen geführt, darunter Biomedizin, Chemie, Werkstofftechnik und Umweltsanierung.

Insbesondere Nanokanäle (Nanostrukturen mit mindestens einer physikalischen Dimension kleiner als 100 nm) werden aktiv auf ihre potenzielle Verwendung in der DNA-Streckung, Nanofluidik und künstlichen Membranen untersucht.

Beispielsweise wird bei herkömmlichen DNA-Testmethoden, die auf der Polymerase-Kettenreaktion basieren, ein einzelnes mutiertes Gen leicht als Rauschen behandelt. Innerhalb von Nanokanälen mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm kann das DNA-Molekül entlang einer Linie gestreckt werden. Dadurch ist es möglich, die Basenpaare einzeln entlang einer einzelnen DNA zu untersuchen, wodurch das einzelne mutierte Gen genau entdeckt werden kann.

Die meisten Anwendungsbereiche würden von Nanokanälen profitieren, die auf harten und spröden Materialien wie Siliziumoxid, Diamant und Saphir hergestellt werden, die eine hohe chemische Stabilität und Haltbarkeit in rauen Umgebungen bieten. Leider ist die Herstellung tiefer Nanokanäle auf solchen Materialien eine Herausforderung – bisher wurden nur oberflächliche Nanokanäle über lithografische Techniken weit verbreitet und erfolgreich reproduziert.

Ein Forscherteam der Xi’an Jiaotong University, China, konzentriert sich auf eine vielversprechende Technologie zur Herstellung von Nanostrukturen: Femtosekundenlaser-Direktschreiben (FLDW). Einfach ausgedrückt verwendet FLDW extrem kurze (10–15 s) und energiereiche Laserpulse mit hoher Präzision, um gewünschte Nanostrukturen (z. B. Nanolöcher, Nanoporen und Nanoschlitze) zu erzeugen.

In ihrer neuesten Studie, veröffentlicht in Advanced Photonics Nexusnutzte das Team erfolgreich FLDW, um Silica-Nanokanäle mit einem Durchmesser von 30 nm, kleiner als in früheren Studien berichtet, und einem Seitenverhältnis von über 200 zu erzeugen. Dies wurde einem neuartigen Laser-Materie-Wechselwirkungsphänomen zugeschrieben, das im Prozess entdeckt wurde .

Bei ihrer Arbeit setzte das Team einen Bessel-Strahl ein – einen Laserstrahl, der seine Form bei der Ausbreitung und sogar bei Fokussierung auf einen kleinen Punkt beibehält. Ein einzelner Bessel-Strahlimpuls mit einer Wellenlänge von 515 nm (von einem 1030-nm-Laser durch Frequenzverdopplung erhalten) wird genau im richtigen Abstand von der Oberfläche einer Kieselsäureprobe fokussiert.

Einige Experimente mit unterschiedlichen Laserpulsenergien und Probenabständen zeigten sehr beeindruckende Ergebnisse. Bei niedriger Pulsenergie wurde je nach Probenabstand ein 30 nm großer Nanokanal oder eine reine Kraterstruktur nahe (weniger als 1 μm) an der Silicaoberfläche entdeckt. Unter hoher Pulsenergie würde sich tief im Innern (5 μm unterhalb) der Materialmasse ein viel längerer Hohlraum mit gleichzeitig einem Krater an der Oberfläche bilden.

Nach sorgfältiger theoretischer Analyse und Simulationen erkannte das Team, dass eine bisher unbeobachtete Laser-Material-Wechselwirkung im Spiel war, die das Team „oberflächenunterstützenden Materialauswurf“ nennt. In diesem Prozess öffnet die Entfernung von oberflächlichem Material ein Fenster für die Ausdehnung und den Ausstoß von vergastem Material tiefer in der Masse, wodurch Hohlräume in der inneren „heißen Domäne“ erzeugt werden, die durch den Bessel-Strahl erzeugt wird.

Paulina Segovia-Olvera, Mitherausgeberin von Advanced Photonics Nexusstellt fest, dass diese Arbeit in hohem Maße zum Wissensvorsprung auf dem Gebiet der Materialbearbeitung mit Lasern beiträgt: „Diese Arbeit liefert neue Einblicke in die Grundlagen der Laserinteraktion mit Materie. Sie zeigt, dass es möglich ist, Nanokanalstrukturen mit Abmessungen weit darunter herzustellen die Beugungsgrenze, die typischerweise die untere Grenze für die Größe der Nanostrukturstruktur für die traditionelle laserbasierte Fertigung festlegt.

Angesichts dieses Wissensfortschritts kann diese Studie den Weg für die Einführung von FLDW als robuste, flexible und kostengünstige Methode zur Herstellung von Nanokanälen mit Submikrometer-Präzision ebnen. Dies kann wiederum dazu beitragen, seine Anwendung in anderen Bereichen wie Genomik, Katalyse und Sensoren voranzutreiben.