Azopolymer ermöglicht lichtunterstützten Prägedruck von Nanomustern auf Oberflächen
Strukturfarben entstehen, wenn Licht an einer Oberflächenstruktur unterschiedlich gebrochen wird. Chinesische Wissenschaftler haben eine neuartige Lithographietechnik entwickelt, mit der solche Nanostrukturen bei Raumtemperatur in flexible Oberflächen geprägt werden können. Grundlage dieser Technik ist ein Azopolymer, das unter Lichteinstrahlung seine mechanochemischen Materialeigenschaften verändert, heißt es in der Zeitschrift Angewandte Chemie. Auch biegsame und weiche Substrate sind für die Nanoprägung geeignet.
Sehr fein strukturierte Oberflächen sind in vielen sensitiven Bereichen gefragt, wie zum Beispiel für fälschungssichere Geldscheine und bei der Herstellung von Computerchips. In der Elektronikindustrie werden die Schaltkreise durch ein photolithographisches 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 Photolack 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. Haifeng Yu von der Peking University hat deshalb eine Lithographietechnik für Nanostrukturen entwickelt, die ganz ohne Aufheizschritt auskommt. Hierfür entwickelte er einen neuartigen lichtempfindlichen Photolack. Kern dieses Photolacks ist eine Substanz namens Azobenzol. Azobenzolmoleküle wechseln bei der Einstrahlung von Licht einer bestimmten Wellenlänge von einer geraden in eine geknickte Form. Eingebunden in das Polymergerüst des Photolacks verursacht das Azobenzol damit eine Änderung der mechanochemischen Eigenschaften des Azopolymers. Der Knick im Molekül mache den ganzen Lack flüssig, erläutern die Autoren.
Azopolymerlack ermöglicht die Prägung von Nanostrukturen auf Oberflächen: UV-Licht verflüssigt den Lack, sichtbares Licht härtet das Azopolymer aus und lässt die Prägung von Nanostrukturen entstehen. Copyright: Wiley-VCH
Um das Nanomuster zu prägen, verflüssigten die Autoren 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-Lithographie“ (AT-NIL), also Lithographie zur heizfreien Prägung von Nanostrukturen.
Die geprägte biegsame Oberfläche schillerte vielfarbig. Winzige Buchstaben oder Ornamente änderten ihre Farbschattierung, abhängig von dem Winkel, in welchem sie betrachtet wurden. Mit dieser Technik lassen sich 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 Autoren. Anwendungen seien in allen Bereichen denkbar, wo Hitze die Prägung von Nanostrukturen beeinträchtigt und die Justierung von Materialeigenschaften durch Licht Vorteile bietet.
Originalpublikation:
https://doi.org/10.1002/ange.201914201
