Methoden der Simulation und Charakterisierung von nanostrukturierten ultrahydrophoben Oberflächen für optische Anwendungen

Flemming, Marcel GND

In this thesis, a quantitative relationship between roughness characteristics and wetting properties of randomly rough surfaces was established. Based on roughness characterization by Power Spectral Density function (PSD), a wetting parameter was derived andempirically correlated with the wetting property, which was characterized by the contact angle.Using the wetting parameter, a novel approach for the design of ultrahydrophobic optical coatings with light scattering below an application-relevant threshold was developed. The thin film roughness is “virtual” varied during the design process. Optimum roughness parameters are acquired by prediction and assessment of wetting properties as well as light scattering. The results are used as a target for the systematic optimization of the coating process.The roughness of artificial ultrahydrophobic surfaces was analyzed by atomic force microscopy (AFM) and LSM in order to identify values of the wetting parameter which are related to ultrahydrophobicity.During the design process, the predicted light scattering has to be compared with an application dependent threshold. For architectural glass e.g. an optically esthetic appearance is essential. In order to find the corresponding scatter threshold, experiments linking visual inspection with quantitative total scatter values were carried out.The roughness design was performed for single layers of different thicknesses and a multilayer antireflective (AR) coating. In the case of the AR coating, solutions, which combine ultrahydrophobic wetting properties with low light scattering and color neutral transparency, were found.Optical coatings manufactured according to the design targets were investigated by AFM regarding wetting-relevant and scatter-relevant roughness components. The wetting properties were characterized by dynamic contact angle measurements and correlated with the wetting parameter. An Al2O3 single layer exhibited ultrahydrophobic wetting property and total scatter values below the acceptance threshold in good agreement with the predictions of the design process.The characterization of thin film nanoroughness using AFM is significantly influenced by the geometry of the probe tip. Tip size effects on the PSDs were estimated by a novel experimental approach.

In dieser Arbeit wurde für stochastisch raue Oberflächen erstmals ein quantitativer Zusammenhang zwischen der Rauheitscharakteristik und den Benetzungseigenschaften hergestellt. Grundlage bildet die statistische Beschreibung der Oberflächenrauheit mit Hilfe der spektralen Leistungsdichtefunktion (PSD). Aus der PSD wurde ein Benetzungsparameter hergeleitet, der eine empirische Korrelation zu den Benetzungseigenschaften, charakterisiert durch den Kontaktwinkel, aufweist.Auf Grundlage des Benetzungsparameters erfolgte die Entwicklung einer neuartigen Prozedur zum Design ultrahydrophober optischer Beschichtungen, die gleichzeitig ein applikationsspezifisch niedriges Streulichtniveau aufweisen. Im Designprozess erfolgt dazu eine „virtuelle” Variation der Schichtrauheit. Durch die Vorhersage und Bewertung der Benetzungs- und Lichtstreueigenschaften können geeignete Rauheitsparameter ermittelt werden. Diese dienen bei der technischen Umsetzung als Zielparameter für die systematische Optimierung des Beschichtungsprozesses.Zur Definition eines hinreichenden Ultrahydrophobie-Kriteriums für den Benetzungsparameter wurde die Rauheitscharakteristik technisch rauer ultrahydrophober Oberflächen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und LSM untersucht.Im Designprozess war eine Bewertung der Lichtstreuung hinsichtlich der visuellen ästhetischen Eignung im Architekturglasbereich notwendig. Hierfür wurden über eine Korrelation der visuellen Streulichtbewertung zur quantitativen Streulichtmessgröße TS (totaleStreuung) entsprechende Akzeptanzgrenzwerte definiert.Das Rauheitsdesign wurde für Einfachschichten verschiedener Dicke sowie für ein Antireflex-Schichtsystem durchgeführt. Für letzteres konnten Rauheitsdesignvarianten ermittelt werden, die ultrahydrophobe Benetzungseigenschaften mit einem für Architekturglas geeigneten Lichtstreuniveau sowie Farbneutralität verbinden.Mittels AFM erfolgte eine Analyse der benetzungs- und streulichtrelevanten Rauheitskomponenten von optischen Schichten, die nach den Vorgaben des Rauheitsdesigns hergestellt wurden. Die Benetzungseigenschaften wurden mittels dynamischer Kontaktwinkelmessungen charakterisiert und mit dem Benetzungsparameter korreliert. Eine Al2O3-Schicht wies ultrahydrophobe Eigenschaften sowieWerte der totalen Streuung unterhalb der ermittelten Akzeptanzgrenze auf, in Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Designprozesses.Bei der Charakterisierung von nm-Rauheitskomponenten von optischen Schichten mittels AFM spielt die Geometrie der Messspitze eine entscheidende Rolle. Deren Einfluss auf die ermittelten PSDs wurde mittels eines neuartigen experimentellen Untersuchungsansatzes analysiert.

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Flemming, Marcel: Methoden der Simulation und Charakterisierung von nanostrukturierten ultrahydrophoben Oberflächen für optische Anwendungen. 2007.

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