Smart surfaces are a source of innovation in the 21^st Century. Potential applications can be found in a wide range of fields where improved optical, mechanical or biological properties can enhance the functions of products. In the last years, a method called Direct LaserInterference Patterning (DLIP) has demonstrated to be capable of fabricating a wide range of periodic surface patterns even with resolution at the nanometer and sub-micrometer scales. This article describes recent advances of the DLIP method to process 2D and 3D parts. Firstly, the possibility to fabricate periodic arrays on metallic substrates with sub-micrometer resolution is shown. After that, different concepts to process three dimensional parts are shown, including the use of Cartesian translational stages as well as an industrial robot arm. Finally, some application examples aredescribed.

Starting from a simple concept, transferring the shape of an interference pattern directly to the surface of a material, the method of Direct Laser Interference Patterning (DLIP) has been continuously developed in the last 20 years. From lamppumped to high power diode-pumped lasers, DLIP permits today for the achievement of impressive processing speeds even close to 1 m²/min. The objective: to improve the erformance of surfaces by the use of periodically ordered microand nanostructures. This study describes 20 years of evolution of the DLIP method in Germany. From the structuring of thin metallic films to bulk materials using nano- and picosecond laser systems, going through different optical setups and industrial systems which have been recently developed. Several technological applications are discussed and summarized in this article including: surface micro-metallurgy, tribology, electrical connectors, biological interfaces, thin film organic solar cells and electrodes as well as decorative elements and safety features. In all cases, DLIP has not only shown to provide outstanding surface properties but also outstanding economic advantages compared to traditional methods.

Periodic surfaces structures with micrometer or submicrometer resolution produced on the surface of components can be used to improve their mechanical, biological or optical properties. In particular, these surfaces can control the tribological performance of parts, for instance in the automotive industry. In the recent years, substantial efforts have been made to develop new technologies capable to produce functionalized surfaces. One of these technologies is Direct Laser Interference Patterning (DLIP), which permits to combine high fabrication speed with high resolution even in the sub-micrometer range. In DLIP, a laser beam is split into two or more coherent beams which are guided to interfere on the work piece surface. This causes modulated laser intensities over the component’s surface, enabling the direct fabrication of a periodic pattern based on selective laser ablation or melting. Depending on the angle between the laser beams and the wavelength of the laser, the pattern’s spatial period can be perfectly controlled. In this study, we introduce new modular DLIP processing heads, developed at the Fraunhofer IWS and the Technische Universität Dresden for high speed surface laser patterning of polymers and metals. For the first time it is shown that effective patterning speeds of up to 0.90 m2/min and 0.36 m²/min are possible on polymer and metals, respectively. Line- and dot-like surface architectures with spatial periods between 7 μm and 22 μm are shown.

Direct Laser Interference Structuring (DLIP) is a manufacturing technology capable to functionalize large areas with high-precision periodic patterns. However, for industrial use of this emerging technology, solutions must be developed for specific requirements. With the objective of optimizing Direct Laser Interference Patterning in terms of process speed, an advanced optical module was developed that permits to superimpose two laser beams obtaining the interference pattern within an elongated area (linear spot) to meet the requirements of high-speed processing. After that, the influence of the process parameters on the quality of the surface patterns produced with the developed optical assembly was determined. It could be shown that the pulse overlap, in contrast to the applied average fluence, has a significant influence on the resulting structure heights of the produced patterns. Furthermore, it became apparent that during the course of the process, the underlying physical process dynamics seem to change, which was indicated by the resulting structure heights variations over the process. The gained findings will make a contribution to improving the quality of surface patterns produced with DLIP and to enabling reliable manufacturing qualities in the future.

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.

Moderne optoelektronische Dünnfilmapplikationen erfordern den Einsatz effizienter großflächiger Elektrodensysteme, die einerseits über sehr gute Leitfähigkeitseigenschaften verfügen und andererseits eine hohe Transparenz in einem breiten Wellenlängenspektrum aufweisen. Momentan wird für derartige Anwendungen zum Großteil der Werkstoff Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt, dessen Hauptbestandteil Indium nur in geringen Mengen auf der Erde vorkommt. Für die Erhaltung der Marktfähigkeit und zur Weiterentwicklung der Dünnschichtelektronik ist es nötig, dieses Ressourcenproblem zu lösen. Eine Möglichkeit zur Substitution von ITO ist die Verwendung dünner metallischer Filme als transparente Elektroden. Die vorliegende Dissertationsschrift untersucht in diesem Zusammenhang die Anwendung der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP). Um hinreichend große optische Transparenz bei entsprechender elektrischer Leitfähigkeit zu erhalten, werden Dünnschichtensysteme aus Kupfer, Aluminium, Chrom und Silber mit verschiedenen periodischen Lochmustern zwischen 1,5-2,7 µm perforiert. Im Anschluss werden die bearbeiteten Probenkörper hinsichtlich ihrer optischen, elektrischen und topografischen Eigenschaften vermessen. Die umfangreichen gewonnenen Daten werden in einer Auswertung zusammengefasst und mit Resultaten aus numerischen Modellrechnungen verglichen. Neben den Ergebnissen zur Effizienzsteigerung der Dünnfilme untersucht die vorliegende Arbeit die laserinduzierte Ablationsdynamik metallischer Filme auf Glassubstrat zwischen 5-40 nm Schichtdicke.

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

Die Kontrolle physikalischer Phänomene auf Oberflächen durch bestimmte Topographien ist eines der Ziele oberflächentechnischer Verfahren. Die Oberflächentopographie kann durch oberflächenmodifizierende Verfahren wie Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und das Direkte Laserschreiben (DLW) verändert werden. Dadurch können definierte und kontrollierte Mikro- und Nanostrukturen auf verschiedenen Materialien erzeugt werden. Darüber hinaus können spezifische Topographien entworfen und großflächig nachgebildet werden, welche die gleichen Oberflächeneigenschaft gewährleisten können. Diese Arbeit schlägt neue Ansätze zur Verbesserung der Mikro- und Nano-Oberflächenstrukturen vor, die durch DLIP auf Metalloberflächen erzeugt werden. DLIP Experimente werden in der Zweistrahlkonfiguration entweder mit infraroten Nano- oder Pikosekundenlasern durchgeführt. Damit werden die Möglichkeiten zur Verbesserung und Kontrolle von Oberflächeneigenschaften durch die Mikrofertigung mit Strukturperioden von 0,2 µm bis 7,2 µm erweitert. Anschließend wird die Homogenität der Oberflächentextur auf Basis der Pulsverteilung und der Laserparameter optimiert. Ein quantitatives Messschema der Homogenität, das auf etablierten Parametern wie mittlere Strukturhöhe, seiner Standardabweichung und Kurtosis basiert, wird vorgestellt. Darüber hinaus wird die Herstellung hierarchischer linien- und säulenartiger Mikrostrukturen mittels DLIP in Abhängigkeit von der Anzahl der Pulse und der Fluenz untersucht. Zusätzlich zu den Mikrostrukturen, die der Interferenzverteilung entsprechen, wurden gleichzeitig laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) erzeugt, die zu hierarchischen Mikro- und Nanostrukturen führen. Überdies wird als weitere Technologie das DLW eingesetzt, um Mikrozellen im Bereich von 17 µm bis 50 µm zu generieren. Anschließen werden Mikro- und Nanostrukturen mittels DLIP auf den Mikrozellen hergestellt. Die finale Topographie besteht aus multiskaligen hierarchischen Mikro- und Nanostrukturen. Um den Durchsatz des DLIP-Verfahrens zu verbessern, wird ein Ablationsmodell entwickelt und mit experimentellen Daten verifiziert. Das Modell ermöglicht die Berechnung von Strukturtiefe in Abhängigkeit von optimalen Laserprozessparametern. Darüber hinaus wird die Benetzbarkeit auf den Mikrosäulen im Rahmen des Füllfaktors und der Kombination von hierarschischen und einskalen Strukturen ausgewertet. Dazu wird ein hydrophobes Lösungsmittel auf die hierarchischen Strukturen aufgetragen, um den Wasserkontaktwinkel auf bis zu 152 ° ± 2 ° und die Kontaktwinkelhysterese von 4 ° ± 2 ° zu erreichen. Mikrosäulen mit einer Periode von 5,20 µm werden auf einer Flugzeugtragfläche hergestellt. Auf diese Weise wird der mögliche Einfluss von Mikrostrukturen auf die Ermüdungseigenschaften untersucht. Schließlich werden Mikrosäulen mit ca. 40 % geringeren Reibungskoeffizienten als die Referenz in einem grenzflächengeschmierten Bereich getestet. Zusammenfassend kann ausgesagt werden, dass die durch DLIP erzeugten Mikrosäulen eine vielversprechende und gut realisierbare Struktur für die Oberflächenfunktionalisierung von Metallen darstellen.:Selbstständigkeitserklärung Abstract Kurzfassung Acknowledgments Symbols and abbreviations 1 Motivation 2 Theoretical background 2.1 Laser-matter interactions 2.2 Principle of interference 2.3 Wetting on solid surfaces 2.4 Introduction to friction 2.5 Introduction to fatigue 3 State of the art 3.1 Properties of natural surfaces 3.2 Texturing techniques for creating micro/nanoroughness 3.3 Surface microstructuring of metals using pulsed laser sources 3.3.1 Direct Laser Writing 3.3.2 Direct Laser Interference Patterning 3.3.3 Laser-Induce Periodic Surface Structures 3.3.4 Challenges for laser surface texturing methods 3.4 Surface properties affected by laser micro/nano texturing on metals 3.4.1 Impact of laser surface textures and chemistry on wettability 3.4.2 Control of the friction coefficient 3.4.3 Impact on fatigue performance 4 Materials and methods 4.1 Materials 4.2 Direct Laser Writing 4.3 Direct Laser Interference Patterning 4.4 Surface chemical treatment 4.5 Characterisation methods 4.5.1 Water Contact Angle 4.5.2 White Light Interferometry and Confocal Microscopy 4.5.3 Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 4.5.4 Raman Spectroscopy 4.5.5 X-ray Photoelectron Spectroscopy 4.5.6 Tribological test 4.5.7 Fatigue test 5 Results and discussion 5.1 Interference structuring of Ti6Al4V using nanosecond laser pulses 5.1.1 Strategy to fabricate homogeneous DLIP line-like structures 5.1.2 Development of topographical parameters for homogeneity quantification 5.1.3 Impact of process parameters on surface structure homogeneity 5.2 Interference structuring of stainless steel using picosecond laser pulses 5.2.1 Fabrication of hierarchical periodic micro/nanostructures 5.2.2 Control of nanostructure orientation 5.2.3 Fabrication of hierarchical pillar-like microstructures 5.2.4 Control of nanostructures on hierarchical periodic microstructures 5.3 Fabrication of multi-scale periodic structures by DLW and DLIP 5.3.1 Laser surface texturing of Ti6Al4V 5.3.2 Laser surface texturing of Al2024 5.4 Structuring of a large aircraft surface for a flight test 6. Development of an analytical ablation model for ps-DLIP 7. Surface properties of textured materials 7.1 Determination of wetting behaviour 7.1.1 Wetting transition on single and hierarchical microstructures 7.1.2 Surface chemistry influence on wetting 7.1.3 Wetting response after the chemical surface modification 7.2 Wetting on multi-scale periodic structures fabricated by DLW and DLIP 7.3 Tribological properties of laser treated surfaces 7.4 Influence of laser treated surfaces on fatigue 8. Conclusions and outlook References Curriculum Vitae List of publications

Nature-inspired surfaces provide an endless potential for innovations and exploitations in material science and engineering for a broad range of applications. Particularly, significant progress has been achieved in the fields of ice formation and wetting phenomena on metallic surfaces. One of the most relevant wetting states is superhydrophobicity, which is characterized by the complete repellency of water droplets upon impinging on a surface. A superhydrophobic surface can be accompanied by additional functions such as anti- icing, corrosion-resistance or self-cleaning. A particularly attractive material to implement functional surfaces is aluminum, due to its outstanding mechanical properties such as lightweight and high strength combined with an excellent electrical conductivity and affordable price. Functionalized aluminum surfaces can further increase the added value of technical aluminum products which are used in the automotive, aerospace and life science industry among others. A promising strategy to achieve multifunctionalities is by fabricating micrometer and submicrometer features on the material’s surface. Thus, surface texturing of aluminum components is an extremely relevant topic in science and engineering which affects all facets of our lives. Until now, micropatterned aluminum surfaces, that combine water- repellent, self-cleaning and icephobic properties, have not yet been completely explored. The present doctoral thesis focuses on structuring aluminum substrates to fabricate multifunctional surfaces with superhydrophobic, self-cleaning and anti-icing properties. To accomplish this goal, scanner-based direct laser writing (DLW) and two- and four-beam direct laser interference patterning (DLIP) are applied to pattern micrometer and sub- micrometer features on aluminum. They are employed separately to fabricate single-scale textures, as well as in combination in order to obtain multi-scale geometries and complex patterns. The laser texturing parameters are optimized to maximize the addressed functionalities and their influence on the microstructure are studied. In order to explain the wetting and freezing behavior of the functional surfaces, numerical heat transfer simulation models are applied. The most promising textures are then selected and tested under realistic icing conditions simulating the freezing behavior of water droplets on aircraft parts during flight. Moreover, a new method to characterize the self-cleaning efficiency of laser-patterned aluminum is developed. The textured aluminum surfaces attained a water-repellent functionality with a static water contact angle of up to 163° and a sliding angle of 12° without chemical post-processing. This functionality permitted a self-cleaning property where the DLIP and DLW+DLIP structures provided a maximum self-cleaning efficiency with remaining contamination as low as 1 %. The ice-repellent characterization at a temperature of -20°C revealed that in all investigated laser-structured surfaces the freezing time of 8 μl droplets increased up to three times compared to an unstructured reference. Moreover, it was demonstrated, that optimized surface textures led to a reduction of the ice adhesion strength by up to 90 %.:Selbstständigkeitserklärung Kurzfassung Abstract Acknowledgements Table of content List of abbreviations and symbols 1 Motivation 2 Theoretical principles and definitions 3 State of the art 4 Materials and methods 5 Results and discussion 6 Conclusions 7 Outlook Literature Curriculum vitae of the author List of publications / Von der Natur inspirierte Oberflächen bergen ein endloses Potential für Innovationen auf den Gebieten der Materialwissenschaft und demonstrieren ein breites Anwendungsfeld. Insbesondere in den Bereichen der Eisbildung und der Benetzungsphänomene auf Metalloberflächen wurde ein bedeutender Fortschritt erzielt. Einer der relevantesten Benetzungszustände ist der der Superhydrophobizität, welcher sich durch die vollständige Abweisung von Wassertropfen auszeichnet, sobald diese auf eine Oberfläche auftreffen. Eine superhydrophobe Oberfläche kann von zusätzlichen Funktionen wie Vereisungsschutz, Korrosionsbeständigkeit oder Selbstreinigung begleitet werden. Dabei ist besonders der Werkstoff Aluminium zur Realisierung funktionaler Oberflächen attraktiv, aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften wie etwa ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hervorragender elektrischer Leitfähigkeit ergänzt durch einen günstigen Preis. Funktionalisierte Aluminiumoberflächen können die Wertschöpfung von technischen Aluminiumprodukten deutlich erhöhen. Diese werden u.a. im Automobilsektor, in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder im Life-Science-Bereich eingesetzt. Ein vielversprechender Ansatz zur Realisierung multifunktionaler Eigenschaften basiert auf der Herstellung von Mikrometer- und Submikrometer-Strukturen auf der Oberfläche. Daher stellt die Texturierung von Aluminiumkomponenten ein äußerst relevantes Thema in der Wissenschaft und Technik dar, da sie sämtliche Facetten unseres täglichen Lebens tangiert. Bis heute sind laser-strukturierte Aluminiumoberflächen, die wasserabweisende, selbstreinigende und eisabweisende Eigenschaften vereinen, noch nicht vollständig erforscht. Die zugrunde liegende Dissertation thematisiert die Strukturierung von Aluminiumsubstraten zur Herstellung multifunktionaler Oberflächen mit superhydrophoben, selbstreinigenden und vereisungsmindernden Eigenschaften. Dafür, werden direktes Laserschreiben (engl. Direct laser writing, DLW) sowie die direkte Laserinterferenzstrukturierung (engl. Direct laser interference patternin, DLIP) auf Aluminium angewendet. Die Verfahren werden sowohl separat zur Herstellung von einskaligen Texturen als auch in Kombination eingesetzt, um mehrskalige komplexe Muster zu fertigen. Die Strukturierungsparameter werden zur Maximierung der erwähnten Eigenschaften hin optimiert, und ihr Einfluß auf die Mikrostruktur wird untersucht. Um das Benetzungs- und Vereisungsverhalten der funktionalisierten Oberflächen zu erklären, werden numerische Simulationsmodelle eingesetzt. Die vielversprechendsten Texturen werden unter realistischen Vereisungsbedingungen getestet, welche das Gefrierverhalten von Wassertropfen auf Flugzeugbauteilen während des Fluges simulieren. Darüber hinaus wird eine neue Methode zur Charakterisierung der Selbstreinigungseffizienz von laserstrukturiertem Aluminium entwickelt und angewendet. Die texturierten Aluminiumoberflächen erhielten ohne chemische Nachbearbeitung eine wasserabweisende Funktionalität mit einem statischen Wasserkontaktwinkel von bis zu 163° und einem Gleitwinkel von 12°. Diese Funktionalität ermöglichte eine Selbstreinigungseigenschaft, bei der die DLIP- und DLW+DLIP-Strukturen die höchste Effizienz mit einer Restverunreinigung von bis zu 1 % erzielten. Die eisabweisende Charakterisierung bei einer Temperatur von -20°C offenbarte, dass bei allen untersuchten laserstrukturierten Oberflächen die Vereisungszeit von 8 μl Wassertropfen bis um das Dreifache anstieg, im Vergleich zur unstrukturierten Referenz. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass optimierte Oberflächentexturen zu einer Reduzierung der Eis- Adhäsionskraft um bis zu 90 % führten.:Selbstständigkeitserklärung Kurzfassung Abstract Acknowledgements Table of content List of abbreviations and symbols 1 Motivation 2 Theoretical principles and definitions 3 State of the art 4 Materials and methods 5 Results and discussion 6 Conclusions 7 Outlook Literature Curriculum vitae of the author List of publications

Moderne optoelektronische Dünnfilmapplikationen erfordern den Einsatz effizienter großflächiger Elektrodensysteme, die einerseits über sehr gute Leitfähigkeitseigenschaften verfügen und andererseits eine hohe Transparenz in einem breiten Wellenlängenspektrum aufweisen. Momentan wird für derartige Anwendungen zum Großteil der Werkstoff Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt, dessen Hauptbestandteil Indium nur in geringen Mengen auf der Erde vorkommt. Für die Erhaltung der Marktfähigkeit und zur Weiterentwicklung der Dünnschichtelektronik ist es nötig, dieses Ressourcenproblem zu lösen. Eine Möglichkeit zur Substitution von ITO ist die Verwendung dünner metallischer Filme als transparente Elektroden. Die vorliegende Dissertationsschrift untersucht in diesem Zusammenhang die Anwendung der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP). Um hinreichend große optische Transparenz bei entsprechender elektrischer Leitfähigkeit zu erhalten, werden Dünnschichtensysteme aus Kupfer, Aluminium, Chrom und Silber mit verschiedenen periodischen Lochmustern zwischen 1,5-2,7 µm perforiert. Im Anschluss werden die bearbeiteten Probenkörper hinsichtlich ihrer optischen, elektrischen und topografischen Eigenschaften vermessen. Die umfangreichen gewonnenen Daten werden in einer Auswertung zusammengefasst und mit Resultaten aus numerischen Modellrechnungen verglichen. Neben den Ergebnissen zur Effizienzsteigerung der Dünnfilme untersucht die vorliegende Arbeit die laserinduzierte Ablationsdynamik metallischer Filme auf Glassubstrat zwischen 5-40 nm Schichtdicke.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 4 2.1 Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Elektroden 4 2.1.1 Verdampfungsverfahren 4 2.1.2 Sputterverfahren 5 2.1.3 Metallorganische Gasphasenepitaxie – MOCVD 6 2.2 Schichtwachstum von Metallfilmen in PVD-Verfahren 7 2.3 Elektrische Eigenschaften von Dünnschicht-Elektroden 9 2.3.1 Mechanismen der elektrischen Leitung in Festkörpern 9 2.3.2 Elektrische Charakteristika von Indiumzinnoxid-Schichten 10 2.3.3 Elektrische Charakteristika dünner Metallschichten 10 2.4 Optische Eigenschaften dünner Schichten 13 2.4.1 Wechselwirkung von Licht mit Materie 13 2.4.2 Lichtmanipulation durch periodische Strukturen 14 2.4.3 Optische Eigenschaften transparenter ITO-Schichten 17 2.4.4 Optische Eigenschaften metallischer Dünnschichten 18 2.5 Grundlagen lasergestützter Bearbeitungsmethoden 19 2.5.1 Materialablation durch gepulste Laserstrahlung 19 2.5.2 Theoretische Grundlagen zur Bestimmung der Ablationsschwelle 21 2.6 Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen 22 2.6.1 Elektronenstrahl-Lithographie 23 2.6.2 Sequentielles Laserstrukturieren 24 2.6.3 Strukturieren mit Laserinterferenz 25 2.7 Aktueller Forschungsstand zur DLIP dünner Metallschichten 29 2.7.1 DLIP metallischer Filme mit Nanosekunden-Pulsen 29 2.7.2 DLIP metallischer Filme mit Pikosekunden-Pulsen 35 3 Experimentelle Arbeit 37 3.1 Entwicklung numerischer Rechenmodelle 37 3.1.1 Modellierung des Interferenzvolumens 37 3.2 Thermische Simulationen 38 3.3 Experimente und Versuchsanordnungen 42 3.3.1 Verwendete Lasersysteme 42 3.3.2 Vorgehensweise zur Bestimmung der Ablationsschwellwerte 42 3.3.3 Laser-Annealing metallischer Dünnschichten 43 3.3.4 Direkte Laserinterferenzstrukturierung 44 3.3.5 Übersicht der verwendeten Dünnfilmsubstrate 47 3.3.6 Mess- und Analysemethoden 49 4 Auswertung und Diskussion 55 4.1 Ermittlung der Ablationsschwellwerte 55 4.1.1 Ablationsschwellwerte bei Nanosekunden-Pulsen 55 4.1.2 Ablationsschwellwerte bei Pikosekunden-Pulsen 58 4.2 Charakterisierung unbehandelter Dünnschichten 58 4.2.1 Topographische Eigenschaften unbehandelter Metalldünnschichten 58 4.2.2 Optische und Elektrische Eigenschaften unbehandelter metallischer Filme 59 4.3 Charakterisierung lasergeglühter Metalldünnschichten 60 4.3.1 Optische Eigenschaften lasergeglühter Metallfilme 60 4.3.2 Elektrische Eigenschaften lasergeglühter Metallschichten 61 4.3.3 Schlussfolgerungen aus den Annealing-Experimenten 63 4.4 Ergebnisse der Modellrechnungen 63 4.4.1 Mathematische Simulation der Interferenzeigenschaften 63 4.5 Charakterisierung DLIP-strukturierter Metalldünnschichten 67 4.5.1 DLIP-Strukturierung von Silberdünnschichten ns-Pulsen 67 4.5.2 DLIP-Strukturierung von Silberdünnschichten mit ps-Pulsen 71 4.5.3 DLIP-Strukturierung von Kupferdünnschichten mit ns-Pulsen 77 4.5.4 DLIP-Strukturierung von Kupferdünnschichten mit ps-Pulsen 89 4.5.5 DLIP-Strukturierung von Aluminiumdünnschichten mit ns-Pulsen 93 4.5.6 DLIP-Strukturierung von Aluminiumdünnschichten mit ps-Pulsen 106 4.5.7 DLIP-Strukturierung von Chromdünnschichten mit ns-Pulsen 111 4.5.8 Charakterisierung DLIP-strukturierter Vielschicht-Substrate 116 4.6 Optische Charakterisierung 118 4.6.1 Optische Eigenschaften mittels ns-Pulsen strukturierter Filme 119 4.6.2 Optische Eigenschaften mittels ps-Pulsen strukturierter Filme 127 4.6.3 Optische Charakterisierung DLIP-strukturierter Vielschicht-Substrate 129 4.7 Elektrische Eigenschaften 131 4.7.1 Schichtwiderstand DLIP-strukturierter Metallelektroden 131 4.7.2 Schichtwiderstand DLIP-strukturierter Vielschicht-Elektroden 140 5 Zusammenfassung 144 6 Ausblick 149 7 Literaturverzeichnis 150 8 Anhang 161