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Nanotechnologie Löcher von weniger als 250 nm bohren

| Redakteur: Beate Christmann

Forschern der Universität Kassel ist es gelungen, Nanolöcher in Quarzglas zu bohren, die kleiner als der Brennpunkt des verwendeten Lasers sind. Damit ist ihnen einen großer Fortschritt bei der kontrollierten Herstellung von Nanostrukturen geglückt.

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Abbildung der anfänglich sehr kurzen Laserimpulse, die in zeitliche Airy-Impulse umgeformt und dann auf eine Quarzglasprobe fokussiert werden. Auf der rechten Seite unten ist ein Querschnitt eines tiefen Nanolochs zu sehen, das mit einem einzigen Laserschuss erzeugt wurde.
Abbildung der anfänglich sehr kurzen Laserimpulse, die in zeitliche Airy-Impulse umgeformt und dann auf eine Quarzglasprobe fokussiert werden. Auf der rechten Seite unten ist ein Querschnitt eines tiefen Nanolochs zu sehen, das mit einem einzigen Laserschuss erzeugt wurde.
(Bild: Uni Kassel)

Bei der Forschung nach Technologien zur Prägung von Nanostrukturen wurden in den vergangenen Jahren riesige Fortschritte erzielt. Es gibt bereits eine Reihe von Techniken, zu denen auch das Schreiben mittels Laser zählt. Jedoch stellen sich auch bei dem mittlerweile gängigen Verfahren immer wieder Herausforderungen ein. Physikern und Nanostrukturwissenschaftlern des Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT) der Universität Kassel ist es nun gelungen, mit neuartigen Laserimpulsen bislang unbekannte Wege bei Bearbeitung von Nanostrukturen zu eröffnen: Mit angepassten Laserimpulsen bohrten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Löcher von weniger als 250 nm Durchmesser, aber 7 µm Tiefe in Quarzglas.

Die Nanotechnologie eröffnet bei der Entwicklung von Elektronik, optischen Kommunikationsmitteln und der Biomedizin völlig neue Möglichkeiten. Dabei geht es um die Prägung von Strukturen, die kleiner als 1 µm sind – was wiederum weniger als ein Hundertstel des Durchmessers eines Haares darstellt. Diese sogenannten Nanostrukturen verleihen Materialien Eigenschaften, die diese in einem größeren Maßstab nicht besitzen.

Ein gängiger Weg, um Strukturen in ein Substrat zu schreiben, ist es, unerwünschtes Material mit Hilfe eines hochintensiven Lasers zu verdampfen. Allerdings gibt es bei diesem Verfahren bedeutende Einschränkungen. Zum einen interagieren diese Laser mit der Oberfläche der meisten Materialen. Noch wichtiger: Die Wellenlänge des Lasers gibt den minimalen Brennpunkt und damit die Größe der geprägten Strukturen vor. Für sichtbares Licht liegt diese Wellenlänge bei 400 bis 800 nm – größer als einige heute übliche Computerkomponenten.

Laserimpuls mit optimaler Zeitstruktur

Den Physikern und Nanostrukturwissenschaftlern des CINSaT ist es nun gelungen, Nanolöcher in Quarzglas zu bohren, die kleiner als der Brennpunkt des verwendeten Lasers sind. Die Löcher haben einen Durchmesser von weniger als 250 nm bei einer Wellenlänge von 800 nm. Dabei weisen diese Löcher eine Tiefe von bis zu 7 µmn auf – ein Größenverhältnis, das bei derart kleinen Strukturen auf anderem Wege kaum zu erreichen ist. „Noch nie wurden auf diese Art Löcher gebohrt, die so klein und gleichzeitig so tief sind“, freut sich Doktorandin Nadine Götte, die bei der Durchführung der Experimente federführend war. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt mit Unterstützung des Open-Access-Publikationsfonds der Kasseler Universitätsbibliothek im renommierten Fachjournal Optica veröffentlicht.

Die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Thomas Baumert (Leiter des Fachgebiets Experimentalphysik III - Femtosekundenspektroskopie und ultraschnelle Laserkontrolle) und Prof. Dr. Hartmut Hillmer (Leiter des Fachgebiets Technische Elektronik) benutzte Laserimpulse, die etwa eine Billionstel Sekunde lang sind. Das alleine reichte aber noch nicht aus: Mit einer selbstentwickelten Technik modellierten sie den Laserimpuls und produzierten sogenannten „zeitliche Airy-Impulse“. Einfach gesagt wird dabei nicht der kürzeste mögliche Impuls produziert, sondern einer, der eine optimale Zeitstruktur hat, um möglichst viel Energie in das Material einzubringen. Dieser Mechanismus umgeht auch das Problem, das die meisten Impulse schon an der Oberfläche des Materials absorbiert werden. Stattdessen entstehen durch gezielte Stimulation des Materials tiefe und schmale Kanäle.

Die Kasseler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen ihre Erkenntnisse nun in Anwendungen erproben. So wollen sie testen, ob sich damit winzige Filter für die optische Datenübertragung herstellen lassen. Andere Anwendungen könnten das gezielte Durchlöchern von Zellmembranen oder die Nanochirurgie sein.

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