Fabrication and Testing of Microstructures and Composites by Means of Multi-Photon Lithography

Fortschritte in der Halbleiter-Verarbeitungstechnologie führten zu einer kontinuierlichen Integration von elektronischen Komponenten auf immer kleinerer Grundfläche und damit zur Miniaturisierung von elektronischen Geräten. Ebenso wird kleinskalige additive Fertigung, wie die Multi-Photonen Lithographie, eine schnelle, präzise und anpassungsfähige Produktion von komplex-geformten Geometrien auf einem mikroskopischem Maßstab ermöglichen. Obwohl eine noch junge Technik im Vergleich zu anderen industriellen Fertigungstechnologien, revolutioniert sie schon heute innovative Forschungsfelder wie Photonik, Biotechnologie, Medizin und viele mehr. In diesem Zusammenhang beinhaltet folgende Arbeit zwei Schwerpunkte. Der Erste ist die Entwicklung von Charakterisierungstechniken um direkt mit Multi-Photonen Lithographie hergestellten Probenkörper, die erhaltenen Photopolymer, sowie Komposit-System-Eigenschaften, wie etwa Adhäsion, zu testen. Dafür wurde eine übliche Biegebalken-Probengeometrie für additive Fertigung adaptiert und zusätzlich eine neue Geometrie entwickelt, welche Zugversuche mittels eines "Push-to-Pull" Ansatzes erleichtert. Beide wurden für in situ rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen und auch Anwendungen mit hohem Probendurchsatz verwendet, um fortgeschrittene experimentelle Charakterisierungen durchzuführen. Die "Push-to-Pull"-Strukturen, welche unterschiedliche zweikantige, gekerbte Zugprobengeometrie enthielten, ermöglichten eine "Essential Work of Fracture" Charakterisierung, wobei mehrere Hundert individuelle Proben getestet wurden. Mehrere Biegebalkenproben wurde gezielt mit Poren versehen, um durch in situ rasterelektronenmikroskopische Experimente Rissablenkung an den eingebrachten Materialinhomogenitäten zu studieren. Der zweite Fokus lag auf adhäsionsvermittelnden Funktionalisierungsbehandlungen und der Abscheidung von metallischen Beschichtungen, welche entscheidend sind um funktionserweiternde Kompositstrukturen zu erzeugen. Diesbezüglich wurde der Effekt von funktioneller Silanisierung zur Erhöhung der Adhäsion von Multi-Photonen Lithographie-produzierten Teilen durch miniaturisierten Zugproben untersucht. Im Zuge einer weiteren Arbeit wurde einerseits die Filmqualität von physikalisch-gasphasen-abgeschieden Schichten auf Multi-Photonen-Lithographie-Oberflächenstrukturen bewertet und andererseits strukturierte metallisierte Elektroden produziert. Diese wurden zusätzlich im Hinblick auf die Wasserstoffentwicklungsaktivität untersucht, um den Effekt der Oberflächen-Strukturierung zu quantifizieren. Zusammengefasst konnten neue vielsetige methodologische Herangehensweisen angewandt werden um Material- und Grenzflächeneigenschaften zu charakterisieren, wobei einzigartige Möglichkeiten von Multi-Photonen Lithographie genutzt wurden. Daher eröffnen die Resultate von allen durchgeführten Einzelarbeiten neue Möglichkeiten für das Design von miniaturisierten Geräten.