In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, die die zur Verfügung stehende Pulsenergie von Hochleistungslasern effektiv nutzen und in einem Schritt eine Vielzahl einzelner periodisch angeordneter Strukturen herstellen. Dazu wird durch optische Strahlformung ein Laserstrahl mit mehreren Intensitätsmaxima hergestellt. Dazu wurden das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und die Microlensarray-Strukturierung (MLAS) genutzt. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, großflächig periodische Strukturen in einem einstufigen Verfahren herzustellen. Beim DLIP werden mit einem Laserpuls, aufgrund von Interferenzeffekten mehrere tausend Linien oder Punkte auf bis zu Quadratzentimeter großen Flächen erzeugt. Microlensarrays (MLA) sind optische Elemente mit einer periodischen Linsenanordnung, die mehrere Brennpunkte aus einem einzigen Laserstrahl erzeugen. Durch die Verwendung als Fokussieroptik können einige tausend Laserpunkte mit einem einzigen Puls erzeugt werden. Anhand verschiedener Materialien werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken untersucht und die Qualität der Strukturen im Hinblick auf die geplante Anwendung untersucht. Die für diese Arbeit genutzten Materialien sind ausschließlich nichtmetallische Werkstoffe. Es werden die Keramiken Hydroxylapatit, Aluminium- und Zirkonoxid, die leitfähigen Dünnschichten aluminium- und bordotiertes Zinkoxid und Indiumzinnoxid auf Glassubstrat und der Kunststoff PET untersucht. Hydroxylapatit ist eine Keramik die aufgrund ihrer guten Biokompatibilität in Knochen- und Zahnimplantaten verwendet wird. Eine Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Verbesserung des Zellwachstums. Aluminium- und Zirkonoxid werden ebenfalls in Gelenkimplantaten verwendet jedoch als Gleitfläche. Eine Strukturierung dieser Flächen verringert möglicherweise Reibung und Verschleiß in ähnlicher Weise wie bei Metallen bereits mehrfach gezeigt. Hier werden aufgrund der benötigten Strukturgrößen mit Perioden von mehreren Mikrometern sowohl DLIP als auch MLAS genutzt. Die leitfähigen Schichten und das PET finden vorrangig in optischer Elektronik Anwendung. Diese findet zunehmende Bedeutung in Form von Solarzellen und Lichtemittierenden Dioden. Die periodische Strukturierung des Substrates oder des beschichteten Substrates bringt ein Beugungsgitter in diese Elemente ein. Bestehende Untersuchungen haben bereits einen positiven Effekt von lithografisch hergestellten Beugungsgittern nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob DLIP ebenfalls einen positiven Effekt hat.

In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, die die zur Verfügung stehende Pulsenergie von Hochleistungslasern effektiv nutzen und in einem Schritt eine Vielzahl einzelner periodisch angeordneter Strukturen herstellen. Dazu wird durch optische Strahlformung ein Laserstrahl mit mehreren Intensitätsmaxima hergestellt. Dazu wurden das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und die Microlensarray-Strukturierung (MLAS) genutzt. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, großflächig periodische Strukturen in einem einstufigen Verfahren herzustellen. Beim DLIP werden mit einem Laserpuls, aufgrund von Interferenzeffekten mehrere tausend Linien oder Punkte auf bis zu Quadratzentimeter großen Flächen erzeugt. Microlensarrays (MLA) sind optische Elemente mit einer periodischen Linsenanordnung, die mehrere Brennpunkte aus einem einzigen Laserstrahl erzeugen. Durch die Verwendung als Fokussieroptik können einige tausend Laserpunkte mit einem einzigen Puls erzeugt werden. Anhand verschiedener Materialien werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken untersucht und die Qualität der Strukturen im Hinblick auf die geplante Anwendung untersucht. Die für diese Arbeit genutzten Materialien sind ausschließlich nichtmetallische Werkstoffe. Es werden die Keramiken Hydroxylapatit, Aluminium- und Zirkonoxid, die leitfähigen Dünnschichten aluminium- und bordotiertes Zinkoxid und Indiumzinnoxid auf Glassubstrat und der Kunststoff PET untersucht. Hydroxylapatit ist eine Keramik die aufgrund ihrer guten Biokompatibilität in Knochen- und Zahnimplantaten verwendet wird. Eine Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Verbesserung des Zellwachstums. Aluminium- und Zirkonoxid werden ebenfalls in Gelenkimplantaten verwendet jedoch als Gleitfläche. Eine Strukturierung dieser Flächen verringert möglicherweise Reibung und Verschleiß in ähnlicher Weise wie bei Metallen bereits mehrfach gezeigt. Hier werden aufgrund der benötigten Strukturgrößen mit Perioden von mehreren Mikrometern sowohl DLIP als auch MLAS genutzt. Die leitfähigen Schichten und das PET finden vorrangig in optischer Elektronik Anwendung. Diese findet zunehmende Bedeutung in Form von Solarzellen und Lichtemittierenden Dioden. Die periodische Strukturierung des Substrates oder des beschichteten Substrates bringt ein Beugungsgitter in diese Elemente ein. Bestehende Untersuchungen haben bereits einen positiven Effekt von lithografisch hergestellten Beugungsgittern nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob DLIP ebenfalls einen positiven Effekt hat.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 4 2.1 Verfahren zur Herstellung periodischer Strukturen 4 2.1.1 Überblick 4 2.1.2 Laserabtragende Verfahren 5 2.1.3 Photolithografische Verfahren 16 2.2 Ausgewählte Anwendungen von Oberflächenstrukturen 19 2.2.1 Optimierung der Effizienz von organischer Elektronik 19 2.2.2 Veränderung der biologischen Eigenschaften 25 2.2.3 Veränderung der tribologischen Eigenschaften 27 3 Materialien und Methoden 29 3.1 Verwendete Materialien 29 3.1.1 Eigenschaften der verwendeten Keramiken 29 3.1.2 Eigenschaften der verwendeten transparenten leitfähigen Oxide 30 3.1.3 Eigenschaften des verwendeten Polyethylenterephthalat 31 3.1.4 Übersicht zu allen Materialkennwerten 32 3.2 Experimenteller Aufbau 33 3.2.1 Verwendetes Lasersystem 33 3.2.2 Bestimmung der Ablationsschwellfluenzen 33 3.2.3 Klassischer Laserinterferenzstrukturierungsaufbau 35 3.2.4 Strukturierung mittels Microlensarray (MLA) 37 3.2.5 Übersicht der untersuchten Materialien und Methoden 38 3.3 Charakterisierungsmethoden 39 3.3.1 Charakterisierung der Oberflächentopographie 39 3.3.2 Charakterisierung der optischen Eigenschaften 40 3.3.3 Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften 40 3.3.4 Charakterisierung der tribologischen Eigenschaften 41 3.4 Thermische Simulation 41 4 Ergebnisse und Diskussion der Oberflächenstrukturierung 43 4.1 Strukturierung von Keramiken 43 4.1.1 Bestimmung der Ablationsschwellen der Keramiken 43 4.1.2 Direkte Laserinterferenzstrukturierung der Keramiken 46 4.1.3 Microlensarray-Strukturierung der Keramiken 59 4.2 Ergebnisse der Strukturierung der transparenten leitfähigen Oxide 73 4.2.1 Bestimmung der Ablationsschwellen 73 4.2.2 Strukturierung von Aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO) 75 4.2.3 Strukturierung von bordotiertem Zinkoxid (ZnO:B) 89 4.2.4 Strukturierung von Indiumzinnoxid (ITO) 100 4.3 Ergebnisse der Strukturierung von PET 106 4.4 Übersicht der ermittelten Parameter 118 5 Entwicklung neuer Strukturierungskonzepte und deren Möglichkeiten 121 5.1 Vergleich der Strukturierung von Keramiken mit MLAS und DLW 121 5.2 Kombination der DLIP Technik mit einem Galvanometer-Scanner 126 5.3 Konzept zur Integration der DLIP Technik in ein Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren 131 5.4 Theoretisch Erreichbare Strukturierungsgeschwindigkeiten der neuen Bearbeitungskonzepte 134 6 Zusammenfassung 136 Literatur 141