Lotuseffekt auf hydrophober Oberfläche

Funktionale Oberflächen tragen dazu bei, Werkstoffe ohne Änderung der Volumeneigenschaften an ihre Umgebung anzupassen. Zum einen kann die Oberfläche hydrophop/oleophob oder hydrophil/oleophil eingestellt werden, aber auch die Interaktion in physiologischer Umgebung (Biokompatibilität) lässt sich durch dünne Beschichtungen mit Schichtdicken im Bereich Nanometer bis Mikrometer maßgeschneidert einstellen. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Barriere gegen Diffusion von Gasen oder Flüssigkeiten. Damit können mit dünnen Schichten auch mechanisch flexible Bauteile oder aktive Implantate gegen harsche Umgebungen geschützt werden. Insbesondere für den Fall, dass die zu schützende Elektronik Gleichspannungspotenziale aufweist, ist eine 100-prozentige schützende Wirkung gegen Korrosion unabdingbar. Die Miniaturisierung von Medizinprodukten verlangt auch zunehmend hochspannungsfeste und biokompatible Isolationsschichten mit kleiner Schichtdicke.

Die Fähigkeit zur gezielten Herstellung von Strukturen im Größenbereich Mikrometer (1 µm = 10⁻⁶ m) bis hin zu Nanometer (1 nm = 10⁻⁹ m) gehört zur Kernkompetenz in der Mikrosystemtechnik und damit auch im iMST. Die Strukturierung erfolgt dabei meist in einem zweistufigen Prozess, bei dem die Strukturen zunächst mittels Photolithographie in einen photosensitiven Lack erzeugt werden und diese dann nachfolgend mittels Ätztechnik in die darunterliegende Dünnschicht übertragen werden („negative Strukturierung“) oder z.B. durch Elektroplating abgeformt werden („additive Strukturierung“). Kleinste Strukturen bis 0,6 µm (laterale Dimension) und Toleranzen von rund +10% können am iMST durch maskengebundene Photolithographie und Laserdirektschreiben erzeugt werden. Als Ätztechniken für den zweiten Strukturierungsschritt, bei dem die Photoresiststrukturen in die Dünnschicht übertragen werden, stehen verschiedene nasschemische Verfahren für hochselektives Ätzen sowie für höchste Anforderung bei der Strukturgüte Reaktives Ionenätzen (RIE) mit hoher Anisotropie zur Verfügung.

Ein besonderes Forschungsfeld am iMST ist die Herstellung von quasi 3D-Mikrostrukturen mittels der sogenannten „Grayscale-Technologie“, zu der am iMST drei unterschiedliche Verfahren untersucht werden. Hier können Strukturhöhen bzw. –tiefen von typisch bis zu 50 µm erzeugt werden.

Zur Nanostrukturierung von Silizium wird an der Erzeugung von selbstorganisierter Nanostrukturen durch elektrochemisches Anodisieren von Silizium geforscht (poröses Silizium). Durch gezielte Nanostrukturierung können dabei z.B. Multilayer mit genau eingestelltem Brechungsindex als optische Filterschichten im sichtbaren bis zum MIR (mittleres Infrarot) erzeugt werden. Diese porösen Schichten werden am iMST auch für verschiedene Sensorprinzipien genutzt.

Für die Direktstrukturierung von dünnen Folien (z.B. 50 µm dick) steht ein ns-Laser (Nd:YAG, Wellenlänge von 1064 nm) zur Verfügung, allerdings können damit nur Strukturen im Größenbereich oberhalb 20 µm hergestellt werden.

Miniaturisierte Sensoren und Aktoren sind Beispiele von Mikrosystemen und werden heute milliardenfach in PKW oder auch in Smart Phones eingesetzt. Am iMST ist eine langjährige Expertise in der Entwicklung mikromechanischer Sensoren und Aktoren (sogenannte MEMS-Sensoren und –Aktoren), vor allem auf Basis des Werkstoffes Silizium vorhanden. Hierzu gehören auch optische Systeme, die z.B. zur Fokussierung, in Laserscannern oder zur Filterung von Licht genutzt werden können, wozu jeweils aktorische Funktionen verwendet werden. In den letzten Jahren beschäftigt sich viele Forschungsprojekte am iMST mit flexiblen, auf Polymeren beruhenden Sensor-Aktor-Systemen. Der Anwendungsbereich liegt dabei meist in der Medizintechnik. Als Technologieplattform wird meist SOI (Silicon on insulator) genutzt.

Neben der beschriebenen Kompetenz im Bereich Mikro- und Nanostrukturierungstechnik werden zur zielgerichteten Entwicklung von Sensor- und Aktorsystemen sogenannte Finite-Elemente-Methoden verwendet, mit denen ganz unterschiedliche physikalische Fragestellungen und Systeme simuliert werden können.  Durch den Einsatz dieser sogenannten „multiphysics-Simulation“ können mehrfach zu durchlaufende, aufwändige Testfahren weitgehend vermieden werden und Sensor- und Aktorprototypen anhand vorgegebener Anforderungen prototypisch gezielt realisiert werden.

Beispiele für in den letzten Jahren entwickelte Sensoren:

Querschnittspräparation einer Barriereschicht aus Aluminium/Titanoxid Nanolaminat

Die Oberflächen- und Grenzflächenanalytik im iMST beschäftigt sich mit der Untersuchung der Oberfläche und Schichtmorphologie einer Probe, also mit dem strukturellen Aufbau und dem Gefüge einer Schicht. Neben Rauheit und Stufenhöhe wird bei Bedarf auch eine chemische Analyse der Oberfläche und des oberflächennahen Bereiches erstellt. Dabei können Kontaminationen der Oberfläche, chemische Zusammensetzung des oberflächennahen Bereiches, oder beispielsweise auch die Benetzbarkeit als Folge einer Aktivierung der Oberflächen untersucht werden. Um die Schichteigenschaften des oberflächennahen Bereiches zu untersuchen werden in der Regel Querschnitts-Präparationen durchgeführt. Bei porösen Materialien kann damit zum Beispiel auch die Porengröße in die Tiefe hinein bestimmt werden. Die Querschnitts Präparationen kommt aber insbesondere auch bei Multilagen-Schichten (Nanolaminate) zum Einsatz.

Als verwendete Analysemethoden kommen unter anderem zum Einsatz:

• Lichtmikroskopie
• Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX)
• Transmissionselektronenmikroskopie mit EDX und Elektronenenergieverlustspektroskopie
• Rasterkraftmikroskopie
• Kontaktwinkelmessung
• Ellipsometrie
• Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer

Insbesondere bei Schichten mit Strukturgrößen im Nanometer- oder Mikrometerbereich können mit diesen Analysemöglichkeiten grundlegende Fragestellungen und Validierungen von Schichteigenschaften durchgeführt werden. Das nachfolgende Bild zeigt eine Querschnittspräparation einer Barriereschicht bestehend aus einem Aluminiumoxid/Titanoxid Nanolaminat, welches mit Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellt wurde. Das Bild wurde im Transmissionselektronenmikroskop aufgenommen.