Strukturierung

Herstellung funktioneller Schichtstrukturen

Strukturierte Schichtabscheidungen zeigen in vielen Bereichen Vorteile gegenüber unstrukturierten Beschichtungen. Eine Steigerung der Rauheit bewirkt eine Vergrößerung der Oberfläche, wodurch die Dichte an funktionellen Gruppen und damit beispielsweise die Ankopplung von Biomolekülen an einen Biochip erhöht werden kann. Darüber hinaus kann eine Oberflächentopographie das Benetzungsverhalten beeinflussen und so Effekte wie Superhydrophilie oder -hydrophobie erzeugen. Definierte Punktmuster sind beispielsweise im biotechnologischen Bereich bei Biochipherstellung oder für »Lab-on-a-Chip«-Anordnungen interessant. Ein besonders effizientes Verfahren zur Abscheidung funktioneller strukturierter Schichten sind Atmosphärendruck-Plasmaverfahren, wie sie am Fraunhofer IST entwickelt werden. 

Strukturierungen durch metallische Drahtgeflechte und Schäume

Wird eine ausreichend hohe Wechselspannung an zwei durch mindestens ein dielektrisches Material getrennte Elektroden angelegt, bilden sich in dem Spalt zwischen den Elektroden Plasmafilamente aus. Durch das Einbringen von leitenden Materialien in den Plasmabereich wird die Ausbildung der Filamente beeinflusst. Verwendet man nun strukturierte leitfähige Materialien, zum Beispiel Metalldrahtgewebe, orientieren sich die Entladungen an den metallischen Strukturen im elektrischen Feld. Dies hat zur Folge, dass die erzeugte Schicht die metallische Struktur abbildet. Bei der Verwendung von metallischen Drahtgeflechten können so regelmäßige Punktstrukturen erzeugt werden. Je nach Maschenweite des verwendeten Gewebes wird das Punktmuster feiner oder gröber. Für die Abscheidung von unregelmäßigen Strukturen mit hoher Rauheit können offenporige leitfähige Schäume eingesetzt werden.

Effekte durch strukturierte Beschichtungen

Mittels Fluoreszenzmikroskopie wurde am Fraunhofer IST unter­sucht, wie stark eine Erhöhung der Rauheit und die damit verbundene Vergrößerung der Oberfläche zu einer Steigerung der Dichte an funktionellen Gruppen auf der Probe führt. Dazu wurden auf Glasobjektträgern aus dem Prekursor Ethin strukturierte und unstrukturierte Schichten abgeschieden. Im Anschluss wurden die Oberflächen mit einer dünnen homogenen Schicht aus Aminopropyltrimethoxysilan funktionalisiert und die Aminogruppendichte mittels Fluoreszenzmarker bestimmt. Die strukturierte Probe zeigte eine dreimal höhere Fluoreszenz als die unstrukturierte Probe, was auf eine signifikante Steigerung der Aminogruppenanzahl pro Objektträger hinweist. Durch die Abscheidung von stark partikulären und dadurch sehr rauen Silanschichten, die anschließend mit dem wasserabweisend wirkenden Octafluor­cyclobutan beschichtet wurden, konnten superhydrophobe Schichten mit Wasserkontaktwinkeln von 162 ° hergestellt werden. Im Vergleich dazu bilden sich auf einer unstrukturierten Schicht aus Octafluor­cyclobutan lediglich Kontaktwinkel von ca. 120 ° aus.

Strukturierung unter Einsatz eines metallisch beschichteten Dielektrikums

Zur gezielten Erzeugung von Filamenten wurden im IST-Anwendungszentrum für Plasma und Photonik in Göttingen metallische Strukturen spaltseitig direkt auf das Dielektrikum aufgebracht. Eine ca. 10 µm dicke Aluminium-Schicht wurde mittels einer Plasma gestützten Partikel-Schichtsynthese auf dem Dielektrikum abgeschieden und anschließend mit einem Laser strukturiert. Die Abscheidung erfolgte im nachfolgenden Beschichtungsprozess verstärkt in den Bereichen der metallischen Punkte. Eine sauber abgegrenzte Punktstruktur, wie sie mit den Drahtgeflechten abgeschieden werden kann, ist bisher nicht realisierbar. Vielversprechend ist die Verwendung einer gesputterten und anschließend gelaserten Gitterstruktur bei nur ca. 100 nm Schichtdicke: Es konnten stabile Punktmuster erzeugt werden.

Ausblick

Das Ziel weiterführender Entwicklung ist es, eine exakt einstellbare Strukturierung auch im dynamischen Prozess zu realisieren. Zudem wird angestrebt, in einem Prozessschritt sowohl eine Strukturierung als auch eine Funktionalisierung herzustellen.

 

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