A multi-method study of femtosecond laser modification and ablation of amorphous hydrogenated carbon coatings
Quelle: BAM
Beschichtungen auf Kohlenstoffbasis sind eine interessante Klasse von Dünnschichtmaterialien, deren Eigenschaften sie zu vielversprechenden Kandidaten für High-Tech-Anwendungen machen. Sie können auf beliebig geformten Oberflächen in einem sehr effizienten Verfahren mit einem hohen Maß an Kontrolle über die Schichteigenschaften hergestellt werden. Sie haben interessante mechanische Eigenschaften wie Härte bis hin zum diamantähnlichen Bereich, hohes Elastizitätsmodul und Biokompatibilität. Neben den mechanischen Aspekten dieser Materialien sind auch interessante optische und elektrische Anwendungen für Kohlenstoffschichten im Gespräch. Die leistungsfähigen mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoffschichten erschweren deren Bearbeitung nach der Beschichtung.
Die Lasermaterialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen bietet eine mögliche Lösung für dieses Problem. Mit dieser Technik lassen sich Oberflächen sehr lokal mit einer minimalen Größe der Wärmeeinflusszone abtragen oder modifizieren. Um diesen Prozess zu verstehen und zu optimieren, ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie die Laserbearbeitung Materialien beeinflusst, insbesondere im Bereich der Modifikation unterhalb der Ablationsschwelle. Eine präzise Kontrolle der Materialeigenschaften durch Laserbehandlung kann den Weg zu vielen Anwendungen ebnen, bei denen die genaue Einstellung der dielektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften eines Beschichtungsmaterials mit mikroskopischer Auflösung erforderlich ist.
In der vorliegenden Arbeit haben wir die korrelative abbildende Spektroskopie zur Analyse dünner amorpher wasserstoffhaltiger Kohlenstoffschichten (a-C:H) eingesetzt. Als zentrale Brückenmethode verwendeten wir die spektroskopische Imaging-Ellipsometrie (SIE), die die gleichzeitige Bestimmung der lokalen dielektrischen Funktion und der Schichtdicke eines dünnen Schichtmaterials mit einer lateralen Auflösung im Mikrometerbereich ermöglicht. Wir kombinierten dies mit topographischen Messungen mittels Weißlicht-Interferenzmikroskopie und Profilometrie, sowie mit Raman-Spektroskopie. Zusammen liefern diese Methoden ein vollständiges Bild der Behandlung von Dünnschichtmaterialien mit Laserlicht im Ablations- und Sub-Ablationsbereich. Zum ersten Mal haben wir die lokale dielektrische Funktion nach Laserbearbeitung dieser Materialklasse in Abhängigkeit von der Position relativ zum Laserstrahl bestimmt. Es ist uns gelungen, Schwellenwerte für die Ablation und die Materialveränderung zu bestimmen, sowie zum ersten Mal einen Interferenz-Mechanismus in der Laserablation abhängig von der optischen Absorption des Materials nachzuweisen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Validierung aller Ergebnisse durch Korrelation von Parametern aus verschiedenen Methoden (Hybride Metrologie), die eine sehr hohe Verlässlichkeit der Ergebnisse ermöglicht.
A multi-method study of femtosecond laser modification and ablation of amorphous hydrogenated carbon coatings
Kenta Hirahara, Jörn Bonse, Jörg Krüger, Matthias Weise, Elena Ermilova, Robert Schusterbauer, Andreas-Neil Unterreiner, Andreas Hertwig
Applied Physics A, A 130, 860, 2024