Characterisation of laser processed bio-compatible materials and the realisation of electro optical diffraction gratings

Laser processing methods using excimer lasers have become very attractive for processing materials and the fabrication of micro and nano optical components. Diffraction gratings are used in a wide range of applications and require different fabrication methods. These components can be fabricated from a variety of biocompatible polymers. In this work, an Argon Fluoride (ArF) excimer laser operating at a wavelength of 193 nm has been used to process chitosan and agarose substrates. These materials have been characterised for differing laser processing conditions. Diffraction gratings and component demonstrators have been realised using Laser Direct writing (LDW) and nanoimprinting lithography (NIL). Characterisation of the ArF 193 nm laser work involves ablation threshold, optical absorption measurements and quantification of structural and morphological changes. This results can be used to identify the ideal laser fluence to be used for the production of a diffraction grating and similar optical components fabricated from chitosan. An ablation threshold of chitosan at 193 nm wavelength has been measured as 85 mJcm⁻² and an optical absorption coefficient of 3×10³ cm⁻¹.A diffraction grating structure, measuring 12 μm, was generated in biocompatible materials films; chitosan and agarose, using a laser processing method. The results showed that the interaction between the laser and these materials can potentially open the pathway for a wide range of practical, real world applications such as optical and biomedical applications. Diffraction gratings with a feature size of 1 μm were successfully formed on the biocompatible material free standing films using a NIL technique. Microstructure cross grating patterning made of chitosan and agarose have been fabricated by ArF excimer laser processing using a mask projection ablation technique. Temperature rise calculations have been carried out by COMSOL™ Multi-Physics v5.3 using a Finite Element Method (FEM), to predict the temperature rise during laser ablation processing of chitosan and agarose. In addition, COMSOL™ Multi-physics v5.3 has been used to simulate the electric field in the vicinity of a diffraction grating that is illuminated with light from a HeNe laser emitting at a wavelength of 632.8 nm.The final experimental work investigated the possibility of realising 5CB liquid crystal doped chitosan diffraction gratings doped with Sudan Black B (SBB) dye to enhance the absorption properties at 632.8 nm. Diffraction gratings was fabricated using two intersecting beams from a HeNe laser. Polymer Dispersed Liquid Crystal (PDLC) chitosan doped with 5CB and SBB dye diffraction gratings were experimentally characterised

Integrated polymer photonics : fabrication, design, characterization and applications

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Self-assembled nanostructures for photon management in optoelectronic devices

Für den Erfolg der Photovoltaik (PV) und der organischen Leuchtdioden (OLED) sind erhebliche Fortschritte bei der Kostensenkung und Effizienzsteigerung erforderlich. Beide Ziele können durch den Einsatz von Nanostrukturen für das Photonenmanagement gleichzeitig erreicht werden. Die grundlegenden Ziele des Photonenmanagements sind die Verringerung der Reflexion des einfallenden Lichts, die Verbesserung der Absorption oder die Verstärkung der Auskopplung sowie die Anpassung der optischen Eigenschaften eines Bauelements für den Einsatz in verschiedenen Arten von Energieumwandlungssystemen. Für eine optimale Effizienz von Solarzellen und OLEDs sollten die Nanostrukturen einen erweiterten Spektral- und Winkelbereich aufweisen. In dieser Hinsicht hat das Photonenmanagement auf der Grundlage ungeordneter Nanostrukturen in vor kurzem große Aufmerksamkeit erregt. Solche photonischen Schichten arbeiten in einem breiteren Spektralbereich als vergleichbare periodische Strukturen und besitzen optische Eigenschaften, die im Gegensatz zu rein zufälligen Strukturen leicht vorhergesag- und eingestellbar sind. In dieser Arbeit wird das Photonenmanagement durch planare, ungeordnete 2D-Nanostrukturen für optoelektronische Dünnschichtbauelemente vorgestellt. Die Nanostrukturen sind so konzipiert, dass sie als antireflektierende oder effizient streuende Strukturen fungieren, deren primäres Ziel es ist, die optische Absorption von Dünnschicht-Solarzellen zu verbessern und ihre Energieumwandlungseffizienz zu erhöhen. Die entwickelte Methodik und die Strukturen haben direkte Auswirkungen auf den Bereich der OLED-Bauelemente. Die entwickelten Strukturen eingesetzt, um die Auskopplungseigenschaften von OLEDs zu verbessern, die einen vergleichbaren spektralen Wirkungsbereich wie Solarzellen besitzen. Voraussetzung für alle experimentellen Untersuchungen ist eine ausgereifte Herstellungsmethode zur Erzeugung von Nanostrukturen mit kontrollierbaren Störungseigenschaften, bei der eine vielseitige, großflächige nasschemische Methode eingesetzt wird, die auf der lateralen Phasentrennung einer Polymermischung beruht. Diese nasschemische Methode wird häufig durch Schleuderbeschichtung durchgeführt, die es nicht erlaubt, phasengetrennte Nanostrukturen (PSN) in beliebige 2D-Designs einzubauen, wie es für ihren Einsatz in kommerziellen Produkten erforderlich ist. Andererseits können additive Fertigungsverfahren wie Tintenstrahldrucker nahezu jede geometrisch komplexe Form im Mikrometer- bis Makromaßstab herstellen. Da die meisten herkömmlichen Tintenstrahldrucker jedoch nur eine Auflösung im Mikromaßstab aufweisen, sind sie für die Entwicklung von nanostrukturierten Materialien und Bauelementen noch nicht geeignet. In dieser Studie werden erstmals beide Mängel behoben und gleichzeitig die kostengünstige Attraktivität und Vielseitigkeit der Phasentrennung durch Homopolymermischungen bewahrt, indem die einzigartigen Vorteile des Tintenstrahldrucks genutzt werden. Unter optimierten Bedingungen werden digital druckbare PSN vom Mikrometer- bis in den Sub-100 nm-Bereich nach einem vorgegebenen 2D-Layout realisiert. Diese PSN können auf verschiedenen starren und flexiblen Substraten mit einer Geschwindigkeit von 45 cm/s hergestellt werden. Der vorgeschlagene Ansatz eröffnet außerdem zahlreiche neue Möglichkeiten für die Nanofabrikation, einschließlich der dynamischen Variation von PSN während des Tintenstrahldrucks, entweder durch Anpassung der Druckauflösung von Pixel zu Pixel für eine bestimmte Tintenformulierung oder durch die Verwendung mehrerer Polymer-Tinten. Darüber hinaus werden PSN in der Regel aus Polymeren mit niedrigen Glasübergangstemperaturen hergestellt, was ihre praktische Bedeutung für die Nanoimprint-Lithografie (NIL) einschränkt, da solche PSN bei hohem Druck und hoher Temperatur zu Verformungen in der Prägeebene neigen. Um dieses Manko zu überwinden, werden in dieser Arbeit die einzigartigen Vorteile eines anorganisch-organischen Hybridpolymers (OrmoStamp) genutzt, welches in der Industrie bereits als Material für Prägestempel in der UV- und thermisch basierten NIL bekannt geworden ist. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass Nanostempel auf der Basis von PSN (aus OrmoStamp) direkt auf verschiedenen starren und flexiblen Substraten mit Hilfe eines Phasentrennungsprozesses hergestellt werden können. Dies ermöglicht den direkten Einsatz von PSN in der NIL ohne zusätzliche lithographische oder replikative Zwischenschritte. So können schleuderbeschichtete und gedruckte sowie geprägte PSN das Photonenmanagement in vielfältigen nanophotonischen Anwendungen verbessern, wie hier durch ihren Einsatz in Solarzellen und OLEDs zur Steigerung der Leistungseffizienz demonstriert wird. Für Solarzellen werden zwei verschiedene optische Managementtechniken erforscht. Die erste Methode konzentriert sich auf die Entwicklung von lichtstreuenden Schichten für Solarzellen, entweder durch eine Bottom-up- oder eine Top-down-Strategie. Bei der Bottom-up-Strategie werden PSN in die Rückseite von Solarzellen aus hydrogeniertem amorphem Silizium (a-Si:H) eingebracht, bevor ein Reflektor abgeschieden wird, um lichtstreuende Reflektoren zu realisieren. Diese lichtstreuenden Reflektoren erzielen einen besseren Wirkungsgrad als ein Bauelement, das auf einem kommerziellen lichtstreuenden Substrat basiert. Darüber hinaus werden ergänzende optische Simulationen an einem akkuraten 3D-Modell durchgeführt, um die überlegenen Lichtsammeleigenschaften der entwickelten Streureflektoren zu analysieren und allgemeine Designregeln abzuleiten. In der Top-Down-Strategie werden PSN verwendet, um eine Resist-Ätzmaske zu strukturieren, die für die Übertragung ungeordneter Nanolöcher in eine dünne a-Si:H-Schicht durch Trockenätzung verwendet wird. Die Studie begann mit der Durchführung dreidimensionaler optischer Simulationen, um die Auswirkungen der Unordnung auf die ursprünglich periodischen Anordnungen von Nanostrukturen systematisch zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass quasi-ungeordnete Strukturen zu breiteren Spektral- und Winkelantworten führen, was für PV-Anwendungen eindeutig von Vorteil ist. Nach dem Top-Down-Ansatz wird eine Verbesserung der integralen Absorption um bis zu 93% bei normalem Einfall und um bis zu 200% bei großen Einfallswinkeln im Vergleich zu einem ungemusterten Absorber gezeigt.Darüber hinaus kann eine ähnliche Struktur als Nanostempel in einer Top-Down-Strategie dienen, wobei die Perowskit-Schichten durch die Nanostempel unter Verwendung eines thermischen NIL-Systems nanogeprägt werden. Für den nanostrukturierten Perowskitfilm wird eine erhöhte integrierte Absorption und eine gesteigerte Photolumineszenz von 7%$_{rel}$ bzw. 121%$_{rel}$ erzielt. Dieser Weg ebnet den Weg für Rolle-zu-Rolle verarbeitbare "photonisierte" Absorber. Die zweite Methode konzentriert sich auf die Entwicklung von Antireflexionsschichten durch zusätzliche Anpassung des PSN an die Abmessungen unterhalb der Wellenlänge. Das hier betrachtete Design besteht aus einer Frontelektrode, Indium-Zinn-Oxid (ITO), die formschlüssig auf die PSN aufgebracht wird. Im optimalen Fall führen die nanostrukturierten ITO-Elektroden zu einer Erhöhung des Transmissionsgrads um 7%$_{rel}$ im Vergleich zu planaren Referenzstrukturen. Die Antireflexionseigenschaften werden genutzt, um die Photostromdichte von 4-poligen Perowskit/Kristallsilizium (Perowskit/c-Si)-Tandemsolarzellen zu erhöhen. Perowskit/c-Si-Tandem-Zellen mit nanostrukturiertem ITO weisen eine höhere Kurzschlussstromdichte (2,9 mA/cm$^{2}$ absolute Verstärkung) und PCE (1,7% absolute Verstärkung) in der unteren c-Si-Solarzelle im Vergleich zur Referenz auf. Schließlich wird in dieser Arbeit die Bedeutung der genannten Erkenntnisse für das umgekehrte Problem - die Lichtextraktion in OLEDs - aufgezeigt. In der ersten untersuchten Konfiguration nutzt diese Arbeit die leicht abstimmbaren Lichtstreueigenschaften von ungeordneten Titandioxid-Nanosäulen, die aus einer selbstorganisierenden Struktur und einem lösungsmittelbasierten Lift-off-Prozess resultieren. Die anschließende Planarisierung dieser Nanosäulen durch eine dünne Epoxidschicht gewährleistet eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Bauelemente - ein Aspekt, der bei nanowelligen Substraten oft kritisch ist - und bewahrt eine starke räumliche Überlappung der eingefangenen optischen Moden mit den lichtstreuenden Strukturen. Zur Veranschaulichung wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Design die Effizienz einer von unten emittierenden OLED ($\mathbf{\lambda_{peak}}$=520 nm) um +22%$_{rel}$ und die Winkelemissionscharakteristik im Vergleich zu planaren Bauelementen verbessert. In der zweiten untersuchten Konfiguration werden im Tintenstrahldruckverfahren hergestellte lichtauskoppelnde PSN mit verschiedenen 2D-Designs getestet, wie sie für den Einsatz in gedruckten OLED-Bauelementen vorgesehen sind. Dabei wird ein transparentes Anodenmaterial direkt auf das PSN aufgebracht, was zu einer Strukturierung der Grenzfläche zwischen Anode und organischen Schichten und einer resultierenden Streuung der Wellenleitermoden führt. Eine OLED ($\mathbf{\lambda_{peak}}$=520 nm), die ein gedrucktes PSN enthält, weist bei einer Leuchtdichte von 1000 cd/m$^{2}$ im Vergleich zu einem planaren Referenzelement eine um 57% höhere Effizienz auf. Dieser Ansatz lässt sich in eine Hochdurchsatz-Fertigungsroutine integrieren und kann leicht auf andere OLED-Layouts erweitert werden

SCALABLE TOPOGRAPHY-INDUCED CELL ALIGNMENT FOR TISSUE ENGINEERING APPLICATIONS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Advances in laser-based surface texturing for developing antifouling surfaces: A comprehensive review

Surface fouling is a major challenge faced within various engineering applications, especially in marine, aerospace, water treatment, food and beverage, and the energy generation sectors. This can be prevented or reduced in various ways by creating artificial surface textures which have fouling resistance properties. Ultrafast laser texturing provides an efficient method for the texturing of surfaces of different materials with high accuracy, precision, and repeatability. Laser texturing methods can enhance the production of well-defined surface nano- and microscale patterns. These surfaces with nano- and micro-scale patterning can be tailored to have inherent properties such as hydrophobicity, hydrophilicity, and resistance to fouling. This review gives an overview of the various types of fouling that can occur, the properties affecting a surface's fouling resistance, as well as the latest physical and chemical strategies for the generation of antifouling surfaces. Surfaces architectures which have inherent antifouling capabilities are presented. This review focuses on the utilization of the higher precision laser-based texturing offered from femtosecond laser systems for enhance fouling resistance. The process parameters to fabricate these textures and the current state of art femtosecond laser sources are presented and discussed. The challenges and future research requirements in the field of laser-based methods to fabricate antifouling surfaces are presented

Subwavelength structures induced by laser direct writing and applications for data storage devices

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Functional surface micropatterns by dewetting of thin polymer films

Patterned polymer surfaces are of great importance with respect to an increasing number of technological and bio-medical applications, due to their great versatility in terms of chemical composition, properties and processing techniques. Surface micro-patterning by spontaneous dewetting of thin polymer films represents a versatile and robust process to fabricate surfaces with controlled topography and chemistry at the micro-scale. In this Thesis, we used polymer dewetting in combination with complementary approaches to engineer both surface chemistry and the ordering of the dewetting patterns. The dewetting of poly(D,L-glycolide-co-lactide) (PLGA) thin films on polystyrene (PS) was combined with the grafting of protein-repellent poly(ethylene glycol) (PEG), in order to form topographical and chemical surface micropatterns consisting in protein-adhesive PS domains surrounded by protein-repellent PEG-grafted PLGA films. The produced micropatterned surfaces were used for site-specific protein adsorption, and represent a promising platform for biological applications, such as proteomics, single-cell studies and tissue engineering. Spatially ordered surface micropatterns were obtained by combining polymer dewetting with microcontact printing and colloidal lithography, respectively. The dewetting of thin PS films was guided within specific regions of the substrate by prestamping of the silicon substrate with self-assembled monolayers of an alkylsilane by microcontact printing. Ordered micropatterns consisting in arrays of holes with tunable size were obtained by exploiting the spontaneous dewetting of poly(4-vinyl pyridine) (P4VP) thin films on PS from the holes produced by colloidal imprinting with two-dimensional colloidal crystals assembled on the polymer bilayer

Functional surface micropatterns by dewetting of thin polymer films

Patterned polymer surfaces are of great importance with respect to an increasing number of technological and bio-medical applications, due to their great versatility in terms of chemical composition, properties and processing techniques. Surface micro-patterning by spontaneous dewetting of thin polymer films represents a versatile and robust process to fabricate surfaces with controlled topography and chemistry at the micro-scale. In this Thesis, we used polymer dewetting in combination with complementary approaches to engineer both surface chemistry and the ordering of the dewetting patterns. The dewetting of poly(D,L-glycolide-co-lactide) (PLGA) thin films on polystyrene (PS) was combined with the grafting of protein-repellent poly(ethylene glycol) (PEG), in order to form topographical and chemical surface micropatterns consisting in protein-adhesive PS domains surrounded by protein-repellent PEG-grafted PLGA films. The produced micropatterned surfaces were used for site-specific protein adsorption, and represent a promising platform for biological applications, such as proteomics, single-cell studies and tissue engineering. Spatially ordered surface micropatterns were obtained by combining polymer dewetting with microcontact printing and colloidal lithography, respectively. The dewetting of thin PS films was guided within specific regions of the substrate by prestamping of the silicon substrate with self-assembled monolayers of an alkylsilane by microcontact printing. Ordered micropatterns consisting in arrays of holes with tunable size were obtained by exploiting the spontaneous dewetting of poly(4-vinyl pyridine) (P4VP) thin films on PS from the holes produced by colloidal imprinting with two-dimensional colloidal crystals assembled on the polymer bilayer