Alexander Fromm

Die steigende Nachfrage nach hochsensitiven, aber kostengünstigen, optischen Sensoren in der Biodiagnostik erfordert die vermehrte Applikation immer dünnerer Metallbeschichtungen auf optischen Gläsern und zunehmend auf optischen Kunststoffen wie COC. Bei der Detektion fluoreszierender Moleküle auf Basis von oberflächenplasmonischen Effekten kommt es jedoch bei der Verwendung gängiger Haftvermittlerschichten wie Titan zu signifikanten Verlusten in der Messsignalintensität. In einer Forschungskollaboration mit dem Institut für Mikrointegration der Universität Stuttgart wurden deshalb Untersuchungen zur Haftung ultradünner Goldschichten auf Polymer- und Glassubstraten durchgeführt. Ein Ziel war es zu prüfen, ob durch eine Plasmavorbehandlung des Substrats eine ausreichende Schichthaftung und -beständigkeit auch ohne die Verwendung einer Titan-Haftschicht erreicht werden kann. Die Messung der Schichthaftung stellte sich dabei als große Herausforderung dar. Gründe sind die geringe Schichtdicke sowie die hohe Duktilität der Goldschichten.

Die Gruppe »Tribologische und funktionale Schichtsysteme« des MikroTribologie Centrums µTC unterstützte die Forschungsarbeiten und brachte die Methode des Nano-Scratch-Tests mit ein. An den nur 50 nm dünnen Goldschichten wurden Scratches mit extrem geringen, linear ansteigenden Lasten von 100 nN bis 10 mN durchgeführt, teilweise mit einer Überlagerung einer sinusoidalen Schwingung senkrecht zur Ritzrichtung. Der Radius der Diamantspitze betrug dabei lediglich 5 µm. Die ritzinduzierten Schichtschädigungen konnten dabei in-situ lichtmikroskopisch beobachtet werden. Zur Aufklärung der Schadensmechanismen wurden die Scratches zusätzlich mit Elektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgen­spektroskopie (EDX) charakterisiert. Auf diese Weise war es möglich, den Einfluss von Plasmabehandlungsschritten auf die Schichthaftung mit dem Einfluss von Titan-Haftschichten zu vergleichen. Außerdem konnte die Wirkung von Temperaturwechseltests auf die Schicht­be­ständigkeit bewertet werden. Die Ergebnisse der Scratch-Tests waren gut mit Ergebnissen aus Gitterschnitttests der Universität Stuttgart vergleichbar bzw. ergänzten diese.

Die Ergebnisse der Zusammenarbeit wurden unter dem Titel »Evaluation of the Adhesion Strength of Ultrathin Gold Coatings on Substrates of Soda-Lime Glass and Cyclo-Olefin-Polymer by Cross-Cut and Scratch Tests under the Influence of a Thermal Shock Test for Use in Biosensors« als Open Access Artikel publiziert. 

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