Herstellung und Charakterisierung von metallischen Mikrostrukturen mit magnetischen Eigenschaften
Year: 2026
Type: dissertation
Abstract: Metallische Mikrostrukturen erfreuen sich einem großen Interesse für ein weites Anwendungsfeld, welches sich von der Plasmonik über die Luftfahrt- und Automobilindrustrie bis zur Biotechnologie und Medizin spannt. Die Herstellung solcher Strukturen stellt jedoch nach wie vor eine erhebliche Herausforderung für Wissenschaft und Technik dar. Besonders für ferromagnetische Mikrostrukturen, die für mikroelektronische Bauteile wie Sensoren und Aktuatoren bis hin zu vollständig magnetisch fernsteuerbaren Mikrorobotern relevant sind, gibt es bisher nur wenige Ansätze. In dieser Arbeit wird ein Konzept für die additive Fertigung metallischer Mikrostrukturen vorgestellt und exemplarisch anhand von Nickelstrukturen demonstriert. Dazu wird die Technik des kommerziellen Direkten Laserschreibens (DLW), die üblicherweise zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Polymerstrukturen auf der Mikroskala verwendet wird, mithilfe eines neu entwickelten Ansatzes auf die Herstellung metallischer Strukturen übertragen. Das Konzept basiert auf einem neu entwickelten Photolack, in dem drei eng miteinander verknüpfte photochemische Prozesse simultan und unter Belichtung kontinuierlich ablaufen. Ihr kombiniertes Zusammenwirken ermöglicht eine räumlich präzise Reduktion von Metallionen direkt im Fokusvolumen des Schreiblasers. Die photochemische Deoxygenierung erzeugt zunächst ein lokal sauerstofffreies Volumen, wodurch die Bedingungen für die beiden weiteren Prozesse geschaffen werden und der Einsatz des Lackes unter atmosphärischen Bedingungen möglich ist. Der zweite Prozess, eine sensibilisiert Triplett-Triplett Annihilation Upconversion (sTTA-UC), begrenzt den Reaktionsbereich aufgrund ihrer quadratischen Intensitätsabhängigkeit auf das definierte Fokusvolumen. Beim dritten Prozess handelt es sich um eine Photoredoxreaktion, in deren Verlauf Metallionen aus der Lösung reduziert werden, um Metallstrukturen zu bilden. Die experimentelle Umsetzung des Konzepts wird anhand eines speziell entwickelten Photolacks für die Herstellung von Nickelstrukturen demonstriert. Für die photochemische Deoxygenierung wird 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon (DMI) als deoxygenierendes Lösungsmittel eingesetzt. Erythrosin dient dabei als Sensibilisator sowohl für die Deoxygenierung als auch für die sTTA-UC. Als Annihilator der sTTA-UC kommt Perylen zum Einsatz, das gleichzeitig als Photokatalysator für die Photoredoxreaktion wirkt. Für die Photoredoxkatalyse werden Diisopropylethylamin (DIPEA) als Elektronendonor und Nickel(II)chlorid Hexahydrat \((\text{NiCl}_2\cdot 6\text{H}_2\text{O})\) als Metallvorstufe verwendet. Mittels eines kontinuierlich betriebenen Lasers mit 532 nm Wellenlänge in einem DLW-Aufbau kann die Herstellung von Nickel-Mikrostrukturen erfolgreich demonstriert werden. Untersuchungen der Strukturen hinsichtlich ihrer morphologischen Eigenschaften zeigen klar definierte 2,5D-Geometrien mit hoher Materialdichte und nur wenigen Poren mit charakteristischen Größen unterhalb von 1 \(\mu\)m. Materialanalytische Untersuchungen mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie bestätigen zudem eine hohe Nickeldichte in den Strukturen. Die magnetischen Eigenschaften werden mithilfe von Vibrationsprobenmagnetometrie (VSM) und Stickstoff-Fehlstellen (NV) Magnetometrie untersucht. Dabei kann für die gedruckten Strukturen ein ferromagnetisches Verhalten nachgewiesen werden, das dem von Nickel ähnlich ist. Abweichungen von den Literaturwerten lassen sich durch Materialanisotropien erklären, die aufgrund der geringen Strukturgröße einen signifikanten Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften haben. Die lokale Feldverteilung der Proben folgt überwiegend der Geometrie der Strukturen. Untergeordnete Domänen konnten mit den in dieser Arbeit durchgeführten Messungen nicht nachgewiesen werden. Insgesamt stellt diese Arbeit einen wichtigen Schritt dar, um die Möglichkeiten des Direkten Laserschreibens auf metallische und insbesondere ferromagnetische Materialien auszuweiten und legt damit ein Fundament für die Entwicklung von Mikrostrukturen mit auf die jeweilige Anwendung zugeschnittenen Struktureigenschaften.
Author: Kühl, Kristin E. J.
Language: German
Subfield: Industrial and Manufacturing Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7221566441