Advanced design of periodical structures by laser interference metallurgy in the micro/nano scale on macroscopic areas

Abstract

Methods for micro- and nanofabrication of structures are essential for many applications in different scientific areas like physics, chemistry, and materials science. In particular, interference lithography is a widely used method to produce periodic patterns over large areas. However, this method normally requires multiple steps to obtain the final structured surface. The Laser interference Metallurgy method is similar to the interference lithography technique in that an interference pattern is used. However, when using the interference metallurgy method the only step of processing is the irradiation of the surface of the sample with an interference pattern of a high-power pulsed laser without any subsequent steps like development of a photo resist and etching. This results in a direct, periodical, and local heating of the metal based on photo-thermal nature mechanisms with a welldefined long-range order. In this work, different aspects of the "Laser Interference Metallurgy'; method were studied. By means of the interference theory it was demonstrated that many different periodical patterns can be explored. Moreover, the design of advanced patterns has been verified by calculating the solution of the inverse problem. This means that, for a desired periodical pattern, it is possible to establish a configuration of electromagnetic waves that reproduces the pattern. Several metallic systems were irradiated with the laser interference patterns. In the case of thin metallic film systems, the changes in the topographic types that can be obtained can be explained in terms of the laser fluence which is required to melt or vaporize one or more of the layers of the film. Moreover, it was demonstrated that the local and periodical heat of the interference pattern can successfully serve to create a phase array in a microstructural scale. Bulk metals are structured by the flow of molten material along the surface tension gradient resulting from the temperature gradient. In several cases, the results were compared to thermal simulations. Laser fluences necessary to produce different topography regimes are consistent with the thermal simulations. The consistency of the thermal simulations with the experiments was further verified by means of in-situ electrical measurements. As examples of potential applications of metallic surfaces structured by laser interference metallurgy, the modulation of optical and tribological properties is discussed.

Methoden zur Mikro- und Nanostrukturierung sind unabdingbar für viele Anwendungen in unterschiedlichen Wissenschaftszweigen wie z.B. der Physik, Chemie oder in den Materialwissenschaften. Insbesondere die Interferenz-Lithographie ist eine weit verbreitete Methode, um periodische großflächige Mikrostrukturen zu erzeugen. Allerdings beinhaltet die Anwendung dieser Methode mehrere Prozeßschritte um die gewünschte Strukturierung zu realisieren. Bei der Laser Interferenz Metallurgie wird ähnlich wie bei der Interferenz Lithographie die Probe mit einem Interferenzmuster belichtet. Dieser Belichtungsschritt ist im Gegensatz zur Lithographie der einzige Bearbeitungsschritt. Weitere Schritte wie Entwicklung oder Ätzen entfallen. Bei der Laser-Interferenzmetallurgie erfolgt die Belichtung mit einem gepulsten Hochleistungslaser. Dabei werden einzelne kohärente Lichtstrahlen an der Oberfläche zur Interferenz gebracht, woraus eine direkte, ferngeordnet periodische und lokale Aufheizung des Metalls aufgrund photothermischer Wechselwirkungen erfolgt. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Laser-Interferenzmetallurgie untersucht. Durch die Anwendung der entsprechenden Interferenz-Theorie wird gezeigt, daß verschiedenste periodische Muster bzw. Strukturen verwirklicht werden können. Eine bestimmte Form eines Interferenzmusters kann mittels Lösung des inversen Problems eingestellt werden. Daher kann für beliebige Interferenzmuster die entsprechende Konfiguration von elektromagnetischen Strahlen berechnet werden, die bei Interferenz dieses Muster reproduzieren. Mehrere metallische Systeme wurden mit Laser Interferenzmustern bestrahlt. Im Fall von metallischen Dünnfilmen können die Änderungen in der Topographie mit der Laserfluenz erklärt werden, die nötig ist, um ein oder mehrere Schichten zu schmelzen oder zu verdampfen. Desweiteren wurde demonstriert, daß der lokale und periodische Wärmeeintrag durch das Interferenzmuster erfolgreich zur Bildung neuer intermetallischer Phasen führen kann. Die Strukturierung von Bulk-Metallen erfolgt durch Materialfluss entlang des Oberflächenspannungsgradienten, der aus dem Temperaturgradienten resultiert. In verschiedenen Fällen wurden die Ergebnisse mit thermischen Simulationen verglichen. Die Laserfluenz, die nötig ist, um ein bestimmtes Topographie-Regime zu verwirklichen, ist konsistent mit den thermischen Simulationen. Die Konsistenz der thermischen Simulationen mit den Experimenten wurde weiterhin durch elektrische in-situ Messungen verifiziert. Als Beispiele für potentielle Anwendungen der mittels Laserinterfernzmetallurgie strukturierten Oberflächen wird die Modulation von optischen und tribologischen Eigenschaften diskutiert.