Sub-100 nm HSFL-Nanostrukturen auf Titanlegierung erzeugt mit ps-Laser-Pulswiederholraten von 400 kHz.
Quelle: BAM, Fachbereich Oberflächen- und Dünnschichtanalyse
Im Rahmen eines von der EU geförderten Forschungsprojektes (LaserImplant) wurde die Oberflächenchemie und -topographie eines Laser-nanostrukturierten Titanimplantat-Werkstoffs hinsichtlich der Tauglichkeit und Skalierbarkeit der Bearbeitungsmethode für einen industriellen Prozess untersucht. Die Ergebnisse wurden auf der vergangenen Frühjahrstagung der European Materials Research Society im Fachsymposium „Making light matter: lasers in material sciences and photonics“ vorgestellt und sind kürzlich in der Fachzeitschrift Physica Status Solidi A publiziert worden.
Ultrakurzgepulste Laserstrahlung bietet die besondere Möglichkeit, periodische Oberflächenstrukturen mit sub-Wellenlängen Perioden weit unterhalb der optischen Beugungsgrenze “selbstorganisiert“ (sogenannte HSFL, engl. High Spatial Frequency Laser-Induced Periodic Surface Structures) zu erzeugen. Ein Werkstoff, der sich hierfür besonders gut eignet und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin bietet sind Titan-Legierungen.
In der Publikation wurden morphologische, topografische und chemische Oberflächenveränderungen (z.B. die Oxidation) untersucht, die durch die ps-Laser-Bearbeitung von Ti-6Al-4V-Legierungen an Luft hervorgerufen werden. Dazu wurde ein multimethodischer Ansatz verwendet, der Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie, taktile Profilometrie, Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) mit Tiefenprofilierung, sowie Photoelektronen-Spektroskopie mit harter Röntgenstrahlung (HAXPES) umfasst. Schwerpunkt der Studie ist die Frage, wie sich die Anzahl der Laserbearbeitungsdurchgänge oder die Laserpuls-Wiederholrate auf die HSFL auswirken und ob deren potenzielle Skalierung industrielle Anforderungen erfüllt.
Die Studie zeigt, dass es für HSFL-Nanostrukturen auf Titanwerkstoffen möglich ist, die Bearbeitungsgeschwindigkeit über die ps-Laser-Pulswiederholrate industrietauglich auf bis zu 400 kHz zu steigern, ohne dass es zu limitierenden Wärmeakkumulations-Effekten kommt. Die HSFL-Nanostrukturen sind dabei durch eine gradierte oberflächennahe Oxidation (von Ti2O3 hin zu TiO2) über Tiefen von wenigen zehn Nanometern begleitet.
Chemical and topographical changes upon sub-100-nm laser-induced periodic surface structure formation on titanium alloy: the influence of laser pulse repetition rate and number of over-scans
Kai Müller, Francesca Mirabella, Xenia Knigge, Marek Mezera, Matthias Weise, Mario Sahre, Karsten Wasmuth, Heike Voss, Andreas Hertwig, Jörg Krüger, Jörg Radnik, Vasile-Dan Hodoroaba, Jörn Bonse
publiziert in Physica Status Solidi A, 2023, Aufsatznummer: 2300719, Seiten 1 bis 12
BAM Abteilung Materialchemie
BAM Fachbereich Oberflächen- und Dünnschichtanalyse
BAM Fachbereich Material- und Oberflächentechnologien