Strukturierung von Metalloberflächen im Nanobereich mit lasergestützten Werkzeugen unter Verwendung eines Nanoimprinting-Verfahrens

09.12.2022

Möchten Sie erfahren, wie man eine Oberfläche mit mikro- und submikroskopischen Merkmalen strukturieren kann, ohne die Oberflächenchemie zu verändern? Werfen Sie einen Blick auf die gemeinsame Veröffentlichung der TU Wien, der TU Darmstadt und der Uni Saarland. Sie zeigen, dass ein Lasermuster mit sowohl mikro- als auch nanoskaligen Merkmalen während eines Nanoimprinting-Prozesses bei Raumtemperatur präzise von einem Werkzeug auf ein Metallsubstrat übertragen werden kann. Dabei werden die für den Laserprozess typischen chemischen Veränderungen vermieden.

In dieser Studie zeigen die Forscher, dass metallische Werkstoffe mit einer nanokristallinen Korngrösse während eines Nanoimprinting-Prozesses bei Raumtemperatur bis in den Mikro- und Nanometerbereich strukturiert werden können. Dabei werden Hartmetallstempel aus WC-Co mittels Direct Laser Interference Patterning (DLIP) strukturiert, wobei ein Array von getrennten Asperitäten mit einer Höhe von 4,7 µm und einem Abstand von 11,3 µm erzeugt wird. Zusätzlich werden laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) mit einem Abstand von 500 nm in Form einer hierarchischen Substruktur erzeugt. Die strukturierten Matrizen können aufgrund ihrer hohen Härte zur Verformung von metallischen Substraten verwendet werden. Zur Strukturreplikation wird das WC-Co-Werkzeug bei Raumtemperatur auf eine nanokristalline CuZn30-Modelllegierung gepresst.

Der Prozess der Musterübertragung vom harten metallischen Werkzeug auf die nanokristalline Legierung wird im Detail diskutiert: Bei niedrigen Anpressdrücken wirken die Unebenheiten auf den Werkzeugen als einzelne Kontaktpunkte, was zur Bildung von separaten Grübchen mit einer Tiefe von bis zu 0,8 µm in der nanokristallinen Legierung führt. Bei hohen Anpressdrücken wird das Werkzeugmuster, einschließlich der LIPSS, fast vollständig auf das Substrat übertragen. Die gebildeten Asperitäten ragen aus der Oberfläche heraus, mit einem Verhältnis von Höhe zu Breite von 0,4. Damit wird gezeigt, dass plastische Fließprozesse beim Prägen von nanokristallinen Legierungen die Replikation des DLIP-Werkzeugmusters bis hin zu nanoskaligen LIPSS ermöglichen. Die geprägte Anordnung von Oberflächenaspekten weist hydrophobe Eigenschaften auf, die auf einen kombinierten topographischen und chemischen Einfluss auf das Benetzungsverhalten zurückzuführen sind.