Trick machts möglich

Forscher bauen mit Laser feinste Nanostrukturen

(Bild: Johannes-Kepler-Universität Linz)

Mit einer an der Uni Linz weiterentwickelten Methode können spezielle Materialen durch Laser derart gezielt ausgehärtet werden, dass extrem feine dreidimensionale Nanostrukturen entstehen. Üblicherweise gibt die Wellenlänge des Laserlichts vor, wie klein die so aufgebauten Strukturen bestenfalls werden können. Diese Grenze konnten die Forscher nun mit einem Trick entscheidend verschieben.

Bei dem neuen Verfahren wird das Prinzip eines 3D-Druckers auf den Nanometerbereich übertragen. Ein Team um Thomas Klar vom Institut für Angewandte Physik der Uni Linz verfolgen den Ansatz, Nanostrukturen in flüssigem Fotolack herzustellen, der genau dort aushärtet, wo ein Infrarot-Laserstrahl fokussiert wird.

Der Fokus des Laserstrahls wandert wie ein Stift durch den Lack, erzeugt dabei aus vielen Punkten Striche und in weiterer Folge ganze Strukturen. Die einzelnen Punkte können jedoch nicht beliebig verkleinert werden, da sich durch die Wellenlänge des Laserlichts ein natürliches Limit - genannt Beugungsgrenze - ergibt. "Man kann bestenfalls auf einen Kreisdurchmesser von etwa einer halben Wellenlänge fokussieren", so Doktorand Richard Wollhofen im Gespräch. Auch bei besonders kurzwelligem ultraviolettem Laserlicht ist hier irgendwann der Plafond erreicht.

"2-Photonen-Lithographie"weiterentwickelt
Bei der sogenannten "2-Photonen-Lithographie" werden zwei Lichtteilchen (Photonen) gleichzeitig benötigt, um die für das Aushärten notwendigen Starter-Moleküle anzuregen. Diese Bedingung ist aber nur im Fokus des Lasers erfüllt. Dadurch erreicht man ein gezieltes Auslösen einer chemischen Reaktion, die zum Aushärten führt, wie der Forscher erklärte.

Mit der Weiterentwicklung der 2-Photonen-Lithographie zur "STED-Lithographie" gelang es Wollhofen aber, diese Grenze zu verschieben. Ein zweiter Laserstrahl umhüllt den Fokus des Anregungslasers ringförmig. "Man hat dann dieses kleine angeregte Volumen und der zweite Laser hat den Zweck, dass er die Starter-Moleküle rundherum wieder ausschaltet", so der Forscher. So wird das Aushärten im Randbereich der Brennpunkte weitestgehend verhindert und die Strichbreite auf lediglich ein Tausendstel der Breite eines Haares verkleinert.

Strichbreite deutlich verkleinert
Auf diese Weise gelang es, Linien zu erzeugen, die nur sieben Prozent der Wellenlänge des Anregungslasers breit sind. Die Beugungsgrenze wurde also deutlich unterschritten. Aus den Linien lassen sich dann Gitter und aus Schichten aufgebaute kleine dreidimensionale Objekte (wie die Spinne im Bild) aus Polymeren herstellen.

Mit beiden Lasern gemeinsam können die Wissenschaftler zudem den Beginn der Reaktion räumlich sehr genau kontrollieren. "Ein Problem ist, dass die Reaktion aber ein wenig darüber hinaus läuft", so Wollhofen. Der Strich wird also trotz des Lasers, der diesen Prozess entscheidend eindämmt, im Nachhinein noch ein wenig breiter. Die Forscher arbeiten nun daran, neue Materialien zu finden, in denen der Prozess von Haus aus bereits schneller stoppt, was dann noch feinere Strukturen ermöglichen würde.