Nano-Massenfertigung

Hunderte von Nanostrukturen gleichzeitig haben japanische Forscher mit einem Laserstrahl hergestellt.

Die optische Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen mit Hilfe von Laserstrahlen eröffnet schier unerschöpfliche Möglichkeiten. Komplizierte zweidimensionale Muster, dreidimensionale Skulpturen, räumliche Strukturen mit gewünschten mechanischen Eigenschaften, periodisch strukturierte photonische Kristalle - all das kann man schon jetzt auf optischem Wege herstellen.

Bei der optischen Fertigung wird ein Resin, ein organisches Material, das durch Licht polymerisiert werden kann, einem stark gebündelten Laserstrahl ausgesetzt. Dort wo das flüssige Resin vom Licht getroffen wird, polymerisiert es und härtet aus. Auf diese Weise kann man ein zwei- oder dreidimensionales Objekt pixel- oder voxelweise in das Resin schreiben. Anschließend wird das Objekt aus der Flüssigkeit herausgezogen und gesäubert. So lassen sich Objekte herstellen, deren kleinste Details im Bereich der benutzten Lichtwellenlänge liegen.

Vor vier Jahren hatten Satoshi Kawata und seine Kollegen von der Universität Osaka weltweit Aufsehen mit einer nur 10 Mikrometer großen dreidimensionalen Skulptur eines Bullen erregt. Die Skulptur, die sie durch Photopolymerisierung eines Resins hergestellt hatten, zeigte Details, die deutlich kleiner waren als die benutzte Lichtwellenlänge. Dies war dadurch möglich geworden, dass die Forscher nichtlineare optische Prozesse für die Photopolymerisierung ausnutzten.

Das UV-empfindliche Resin wurde einer stark gebündelten infraroten Laserstrahlung ausgesetzt. Dort wo die Intensität besonders groß war, konnten auch infrarote Photonenpaare die Polymerisierung in Gang setzen. Der räumliche Bereich, in dem die Lichtintensität dafür ausreichte, hatte einen Durchmesser von ca. 100 nm. Entsprechend kleine Pixel oder Voxel ließen sich mit diesem Verfahren herstellen.

Durch das neue Verfahren kann man z. B. den Buchstaben N innerhalb von 5 Minuten gleichzeitig 227-mal schreiben. (Quelle: Kato)

Jetzt haben Kawata und seine Mitarbeiter ihr Verfahren so weiterentwickelt, das es sich für die Massenproduktion von Mikro- und Nanostrukturen einsetzen lässt. Dazu fächern sie den Laserstrahl mit Hilfe von Mikrolinsen in Hunderte von Teilstrahlen auf. Sie benutzten eine Anordnung von 1681 Mikrolinsen, die gleichmäßig über eine Fläche von einem Quadratzentimeter verteilt waren. Das gepulste Laserlicht wurde zunächst verstärkt und dann durch die Mikrolinsenanordnung geschickt, die das Laserlicht in Hunderte von Brennpunkten bündelte, deren Lichtintensität für die Zweiphotonen-Polymerisierung des Resins ausreichte.

Ein millimetergroßer Resintropfen auf einem Objektträger wurde dem aufgefächerten Laserlicht ausgesetzt. Durch waagerechte Bewegung der Linsenanordnung ließen sich zweidimensionale Strukturen in das Resin schreiben. Auf diese Weise konnten die Forscher innerhalb von 5 Minuten gleichzeitig 227-mal den Buchstaben N schreiben. Indem sie den Objektträger mit dem Resintropfen zusätzlich auf und ab bewegten, konnten sie auch winzige dreidimensionale Strukturen herstellen, die etwa die Form von Schraubenfedern hatten. Jede Feder bestand aus 150 Voxeln, die jeweils einen Belichtungsvorgang benötigten. Insgesamt dauert der computergesteuerte Fertigungsvorgang etwa 30 Minuten.

Die parallele Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen mit Licht lässt sich nicht nur für eine Massenproduktion nutzen. Sie könnte auch, so spekulieren die Forscher, eingesetzt werden, um kompliziert aufgebaute optische Metamaterialien herzustellen. Solche Materialien haben einen negativen Brechungsindex und stellen die optischen Brechungsgesetze auf den Kopf. Aus ihnen könnte man Linsen mit völlig neuartigen Eigenschaften herstellen. Das Zusammenspiel von Licht und Nanostrukturen hätte dann eine neue Stufe erreicht.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Jun-ichi Kato et al.: Multiple-spot parallel processing for laser micronanofabrication. Appl. Phys. Lett. 86, 044102 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.1855404 
• Homepage von Satoshi Kawata:
  http://www.skawata.com/ 
• Micro/Nano-Laserfertigung durch Zweiphotonen-Photopolymerisation:
  http://lasie.ap.eng.osaka-u.ac.jp/res_2pfab.html 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Materialwissenschaften.

Weitere Literatur:

• Jesper Serbin et al.: Fabrication of woodpile structures by two-photon polymerization and investigation of their optical properties. Optics Express 12, 5221 (2004).
  http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-12-21-5221 (frei!) 
• S. Kawata et al.: Finer features for functional microdevices. Nature 412, 697 (2001).
  http://dx.doi.org/10.1038/35089130 
• John B. Pendry and David R. Smith: Reversing Light With Negative Refraction. Physics Today 57 (6), 37 (2004).
  http://www.physicstoday.org/vol-57/iss-6/p37.html