Forschung & Entwicklung

Lichtunterstützter Prägedruck von Nanomustern auf Oberflächen

Strukturfarben entstehen, wenn Licht an einer Oberflächenstruktur unterschiedlich gebrochen wird. Eine neuartige Lithografietechnik ermöglicht, solche Nanostrukturen bei Raumtemperatur in flexible Oberflächen prägen zu können.

Sehr fein strukturierte Oberflächen sind in vielen Bereichen gefragt, zum Beispiel für fälschungssichere Geldscheine und bei der Herstellung von Computerchips. In der Elektronikindustrie werden die Schaltkreise durch ein fotolithografisches Verfahren auf eine Oberfläche gedruckt. Hierbei wird ein lichtempfindlicher Lack durch eine Maske bestrahlt. In den unbedeckten Bereichen baut das ultraviolette Licht den Lack ab und die zersetzten Bereiche werden abgewaschen. Damit das UV-Licht den Fotolack abbauen kann, muss er jedoch zuvor aufgeheizt werden.

Die meisten Lacke schrumpfen jedoch etwas beim Abkühlen. Das ist insbesondere bei der Herstellung von nanogroßen Strukturmustern problematisch. Forscher von der Peking University haben deshalb eine Lithografietechnik für Nanostrukturen entwickelt, die ganz ohne Aufheizschritt auskommt. Hierfür stellten sie einen neuartigen lichtempfindlichen Fotolack auf Azobenzolbasis her. Azobenzolmoleküle wechseln bei der Einstrahlung von Licht einer bestimmten Wellenlänge von einer geraden in eine geknickte Form. Eingebunden in das Polymergerüst des Fotolacks verursacht das Azobenzol damit eine Änderung der mechanochemischen Eigenschaften des Azopolymers. Der Knick im Molekül macht den ganzen Lack flüssig.

Um das Nanomuster zu prägen, verflüssigten die Wissenschaftler zunächst den auf eine biegsame Folie aufgebrachten Azopolymerlack durch UV-Licht-Bestrahlung. Dann drückten sie eine transparente, nanostrukturierte Silikonfolie auf die verflüssigten Bereiche und bestrahlten die Schichten mit sichtbarem Licht. Dadurch härtete das Azopolymer aus, und zwar in den angenommenen Nanostrukturen der Silikonfolie. Durch eine Maske bestrahlten die Wissenschaftler dann den gehärteten Lack mit UV-Licht, um die unbedeckten Bereiche erneut zu verflüssigen. Als letzten Prägeschritt drückten sie eine weitere Folie auf das Azopolymer und härteten die neu entstandene Prägung wieder durch sichtbares Licht aus. Diese Technik nannten sie athermische Nanoimprint-Lithografie (AT-NIL).

Die geprägte biegsame Oberfläche schillerte vielfarbig. Winzige Buchstaben oder Ornamente änderten ihre Farbschattierung, je nachdem, in welchem Winkel sie betrachtet wurden. Mit dieser Technik lassen sich aber nicht nur Strukturfarben herstellen, heißt es in der Studie. „Das Verfahren lässt sich auf viele weitere Substrate wie Siliziumwafer und andere lichtaktive Materialien übertragen“, glauben die Forscher. Anwendungen seien in allen Bereichen denkbar, wo Hitze die Prägung von Nanostrukturen beeinträchtigt und die Justierung von Materialeigenschaften durch Licht Vorteile bietet.

von mn

Originalveröffentlichung:

[B. Yang, F. Cai, S. Huang, H. Yu, Athermal and Soft Multi‐Nanopatterning of Azopolymers: Phototunable Mechanical Properties, Angew. Chem (2020), DOI: 10.1002/ange.201914201]

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