Nanostrukturierung von Metalloberflächen mittels Ultrakurzpulslaser

Abstract

Die Entstehung periodischer Oberächenstrukturen bei der Bestrahlung unterschiedlicher Materialien mit Laserpulsen ist ein gut dokumentiertes Phänomen. Diese Strukturen werden als LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structures) bezeichnet. Üblicherweise liegt ihre Periodizität im Bereich der Wellenlänge der Laserstrahlung. Bei der Bestrahlung mit ultra-kurzen Laserpulsen im Bereich einiger zehn Femtosekunden, wurde in den letzten Jahren eine weitere Art dieser Strukturen entdeckt, deren Periodizität deutlich unterhalb der von konventionellen LIPSS liegt. Sie werden dementsprechend als HSFL (High Spatial Frequency LIPSS), im Gegensatz zu den konventionellen LSFL (Low Spatial Frequency LIPSS) bezeichnet. Beide Varianten verändern die Oberächeneigenschaften der Substrate. Neben den optischen Eigenschaften wird die Benetzbarkeit der strukturierten Fläche und damit auch das Anschmutzverhalten, die Reibungseigenschaften und das Vereisungsverhalten beeinusst. Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurden LIPSS, sowie nicht periodische Nanostrukturen auf Kupfer-, Messing- und Aluminium-Proben, sowie Proben aus rostfreiem Stahl hergestellt. Ausgewählte Proben wurden anhand lichtmikroskopischer Aufnahmen, elektronenmikroskopischer Aufnahmen, energiedispersiver Röntgen Analyse und anhand des Kontaktwinkels, der sich zwischen Probe und demineralisiertem Wasser einstellt, charakterisiert. Das Vereisungsverhalten ausgewählter Proben wurde beobachtet. Auf den Probematerialien Kupfer, Messing und rostfreier Stahl konnten HSFL, teilweise mit Periodenlängen unter 100 nm erzeugt werden. Im Zuge der Versuche mit Kupferproben wurde das Phänomen der Abhängigkeit der farblichen Erscheinung der strukturierten Proben von der Bearbeitungsrichtung entdeckt. Es konnten starke Indizien dafür gefunden, dass diese farbliche Erscheinung von den durch die Bearbeitung gebildeten Kupferoxiden abhängig ist.

The formation of periodic surface structures on metalls as a result of laser-irradiation is a well documented phenomenon. These structures are called LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structures). Conventional LIPSS show a periodicity in the range of the wavelength of the laser radiation. A new type of LIPSS has been identied in the recent years. These LIPSS occur only at irradiation with ultra-short laserpulses. As their periodicity is cleary below those of conventional LIPSS, they are called HSFL (High Spatial Frequency LIPSS), whereas the conventional LIPSS are called LSFL (Low Spatial Frequency LIPSS). Both types of LIPSS modify properties of the substrate surface like optical properties, wettabillity of the surface and thereby the contamination behaviour as well as the friction properties and the icing behaviour. LIPSS, as well as non periodic nanostructures have been fabricated on copper-, brass-, aluminium- and stainless steel - samples in the course of this work. Selected samples have been anaylzed by the means of lightmicroscopy, electronmicrosopy, energydispersive x-ray analysis and by measuring the contact angle, which establishes between the structured surface and demineralized water. HSFL, partly with periods below 100 nm, have been fabricated on copper-, brass- and stainless steel - samples. The phenomenon of the dependence of the surfaces color appearence on the machining direction was discoverd. Strong indications could be found for copper oxides as the cause for the color appearence. These copper oxides have been generated during the laser treatment.