Schwarz, Nicolai (2024)
Laserdirektschreiben metallischer Nanostrukturen mittels Zwei-Photonen-Absorption aus der Gasphase.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027520
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der hier vorgestellte Lösungsansatz ermöglicht das Laserdirektschreiben metallischer Nanostrukturen aus der Gasphase mittels Zwei-Photonen-Absorption (2PA). Es wurden metallhaltige Prekursoren identifiziert, die sich zur photolytischen Bindungsaufspaltung eignen. Dazu wurden vor allem Metalle untersucht, deren plasmonische Anregung im optisch sichtbaren Bereich liegt. Dazu gehören Silber, Gold und Kupfer. In dieser Arbeit wurden Experimente mit Vinyltriethylsilan(Hexafluoroacetylacetonat)-Silber(I) ((hfac)Ag(VTES)) und Vinyltrimethylsilan(Hexafluoroacetylacetonat)Kupfer(I) ((hfac)Cu(VTMS)) durchgeführt. Für diese Prekursoren wurde die optische Absorption mittels UV/VIS-Spektroskopie ermittelt und deren Verdampfungseigenschaften charakterisiert. Der Prekursor wurde dabei in einer eigens konstruierten Prozesskammer verdampft und photolytisch auf ein Substrat abgeschieden. Die Strukturgröße lag im Nanometerbereich unterhalb des Beugungslimits. Dies wurde durch den optischen, nichtlinearen Effekt der 2PA erreicht. Die Anregung eines Moleküls mit zwei Photonen findet nur in Bereichen mit sehr hoher Photonendichte statt, z. B. im Zentrum eines fokussierten, gepulsten Laserstrahls mit kurzen Pulsdauern im fs-Bereich. Zur Generierung solcher kurzen Pulse wurde ein Titan:Saphir-Laser (Ti:Sa-Laser) benutzt. Der Prekursor (hfac)Ag(VTES) wurde in Vorversuchen auf seine Eignung zur photolytischen Gasphasenabscheidung überprüft. Sowohl das Belichten des flüssigen Prekursors mit einem 405 nm-Diodenlaser, als auch die Abscheidung aus der Gasphase durch eine Einphotonenabsorption mit Hilfe eines Excimerlasers (193 nm) sind erfolgreich verlaufen. Eine Abscheidung mittels 2PA durch den Ti:Sa-Laser konnte in flüssigem Prekursor erbracht werden, welche als Basis für eine Abscheidung aus der Gasphase diente. Die Abscheidung erfolgte zunächst planar zweidimensional und wurde dann in die dritte Dimension erweitert. Für beide Abscheidungsarten wurden Prozessfenster, abhängig von Laserleistung, Temperatur und Schreibgeschwindigkeit, ermittelt. Quasidreidimensionale Nanostrukturen konnten abgeschieden werden, deren Gesamthöhe bei einigen 100nm liegt. Darauf aufbauend wurden Schreibstrategien zur Abscheidung dreidimensionaler Nanostrukturen entworfen und erprobt, um größere, freistehende Strukturhöhen zu erreichen. Dazu wurden die laterale Breite und die Höhe der Strukturen in Relation zur Belichtungszeit und Laserleistung gesetzt. Freistehende dreidimensionale Strukturen mit beliebigen Freiformen im Nanometerbereich konnten noch nicht hergestellt werden. Die Abscheidung von zweidimensionalen Silber-Nanostrukturen aus der Gasphase unterhalb der Beugungsgrenze mittels 2PA konnte erfolgreich auf verschiedenen Substraten wie Glas, Saphir, Indiumzinnoxid (ITO) und Silizium demonstriert werden. Es konnten klar definierte Strukturen mit einer minimalen Größe von bis zu 400nm abgeschieden werden. Die Silberstrukturen wurden mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) auf ihre elementare Zusammensetzung untersucht und weisen einen Silberanteil von 86% auf. Zusammenhängende Gitterstrukturen, die plasmonische Eigenschaften aufweisen sollen, konnten mit diesem Verfahren erzeugt und spektroskopisch auf charakteristische Banden hin im FTIR-Mikroskop untersucht werden.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen