Antireflexschicht aus Nanostrukturen

  • 26. October 2016

Hohe Transmission bei stark redu­zierter Licht­reflexion durch Nano­säulen auf der Ober­fläche.

Der Nachtfalter macht es vor: Seine Augenoberflächen sind so beschaffen, dass sie ein­fal­lendes Licht kaum reflek­tieren. Keine Licht­reflexe – das schützt das Insekt bei Nacht davor, entdeckt zu werden. Weniger Reflexion bedeutet außerdem, dass das ein­fallende Licht optimal für das Sehen genutzt werden kann. Der Trick aus dem Reich der Insekten hat Wissen­schaftler dazu inspi­riert, ihn bei optischen Bau­teilen anzu­wenden. Auch hier ist eine hohe Licht­durch­lässig­keit gewünscht, während Licht­refle­xionen stören. Bisher versieht man Linsen, Objek­tive, Bild­schirme oder Laser-Bau­teile daher mit Anti­reflex­beschich­tungen. Doch diese haben Nach­teile: Sie wirken nur in einem engen Wellen­längen­bereich und nicht bei jedem belie­bigen Licht­ein­fall­winkel.

Antireflex

Abb.: Minerva mit Tarnkappe: Die beiden linken Abbil­dungen zeigen das Emblem unter einer Quarz­glas­ober­fläche mit 450 Nano­meter hohen Säulen, die beiden rechten unter einer unstruk­tu­rierten Referenz. Der Durch­messer der Abbil­dungen beträgt jeweils 25 Milli­meter. Die beiden oberen Bilder wurden unter einem Beob­ach­tungs­winkel von null Grad auf­ge­nommen, die beiden unteren unter einem Winkel von dreißig Grad. Die Prozent­an­gaben be­ziehen sich auf die Trans­mission (oben), bezie­hungs­weise die Re­fle­xion (unten; Bild: Z. Diao, MPI-IS).

Genau das soll das Nachtfalter-Prinzip ändern. Die Forscher vom MPI für Intel­li­gente Systeme haben sich das natür­liche Vorbild genau ange­sehen. „Die Augen­ober­fläche ist von dicht neben­ein­ander stehenden, säulen­artigen Struk­turen übersät, die nur wenige Hundert Nano­meter hoch sind und nach oben hin spitz zulaufen“, sagt Zhaolu Diao, der in der Abteilung „Neue Bio­materi­alien und Bio­systeme“ unter der Leitung von Joachim Spatz forscht. Die Säulen bewirken, dass sich der optische Brechungs­index mit Ein­dringen in diese Grenz­schicht konti­nuier­lich ändert – aus­gehend von dem der umge­benden Luft bis hin zu dem des eigent­lichen Materials der äußeren Augen­schicht. Dieser all­mäh­liche Über­gang des Brechungs­index ist ent­schei­dend dafür, dass ein­fallen­des Licht so gut wie nicht reflek­tiert wird und daher fast voll­ständig in die Augen ein­dringen kann. „Damit das Ganze funk­tio­niert, muss der Abstand zwischen den einzel­nen Säulen deut­lich kleiner sein als die Wellen­länge des ein­fal­len­den Lichts“, erklärt Diao.

Um das Prinzip zu imitieren, suchten die Wissenschaftler nach Ver­fahren, die glatte Material­ober­flächen in eine Nano­säulen­land­schaft ver­wandeln. Dabei ent­wickelten sie einen zwei­stu­figen Prozess. Im ersten Schritt scheiden sie auf der Ober­fläche Gold­partikel in räum­lich regel­mäßigen Mustern groß­flächig ab, und zwar so gleich­mäßig, dass die Gold­punkte den Knoten­punkten einer Waben­struktur ent­sprechen. Im zweiten Schritt, einem chemischen Ätz­prozess, dienen diese Metall­inseln als Maske: Unter­halb der Gold­punkte wird kein Material weg­geätzt, so dass die ge­wünschten säulen­artigen Figuren stehen bleiben − und das auf Flächen von rund zwei mal zwei Zenti­metern.

Schon in der Vergangenheit gab es mit dieser Technik erste Erfolge, aller­dings nur für kurz­welliges UV-Licht und sicht­bares Licht. Für länger­welliges nahes Infra­rot-Licht stand eine erfolg­reiche Anwen­dung hin­gegen noch aus. Der Grund: Die bisher reali­sierten Säulen­höhen von maximal fünf­hundert Nano­metern reichen nicht aus, um auch für diese Wellen­längen die ge­wünschten Trans­missions­grade von 99,5 Prozent oder mehr zu ermög­lichen. „Je größer die Wellen­länge des Lichts, das man durch­leiten möchte, desto höher müssen die Nano­struk­turen sein“, so Diao.

Die Arbeitsgruppe verfeinerte daher ihr Verfahren. Dabei fanden die Forscher einen Weg, um die abge­schie­denen Gold­inseln zu ver­größern. „Das hat es uns schließ­lich ermög­licht, den anschlie­ßenden Ätz­prozess tiefer in das Material hinein­wirken zu lassen“, sagt Diao. Den Forschern gelang es damit, Säulen bis zu einer Höhe von rund zwei­tausend Nano­metern zu erzeugen. Die Technik ermöglicht es darüber hinaus sogar, die genaue geo­me­trische Form der Nano­säulen zu beein­flussen − etwa, in welcher Weise der Durch­messer der Pfeiler von unten nach oben ab­nimmt, wie spitz sie also zu­laufen. Dabei zeigte sich: Säulen, deren Durch­messer sich mög­lichst gleich­mäßig ver­ändert, sorgen später für die höchsten Trans­missions­werte.

Die Wissenschaftler testeten diverse Säulenhöhen im Experi­ment. Dabei bestä­tigte sich: Je höher, desto größer war auch die Wellen­länge des Lichts, für das die beste Trans­mission erzielt wurde. Mit 1,95 Mikro­meter hohen Säulen etwa lag das Trans­missions­maximum bei fast 2400 Nano­metern und damit deut­lich im NIR-Bereich. Zugleich erhöhte sich mit der Säulen­höhe der Wellen­längen­bereich, für den Trans­missions­grade von bis zu 99,8 Prozent erzielt wurden. Bei den 1,95 Mikro­meter hohen Säulen er­streckte sich diese hohe Durch­lässig­keit auf einen Spektral­bereich von rund 450 Nano­metern. Bei kleineren Struk­turen war das dagegen nur für ein rund 250 Nano­meter breites Fenster der Fall.

Hohe Transmission, einhergehend mit stark reduzierter Licht­refle­xion – das sorgt auch für mög­liche Tarn­anwen­dungen, denn ein ent­sprechend behan­deltes Material unter­scheidet sich optisch prak­tisch nicht mehr von seiner Umge­bung. Die Umrisse eines vor eine Kamera gehal­tenen, quadra­tischen Quarz­glas-Stücks waren nach dem Ätz­prozess weder mit bloßem Auge noch mit der Kamera zu er­kennen. Deckten die Forscher mit ihrem prä­pa­rierten Quarz­glas dagegen eine Abbil­dung ab, so ließ sich diese auch schräg von oben noch ein­wand­frei er­kennen. Quarz­glas mit unbe­han­delter Ober­fläche reflek­tierte das ein­fal­lende Licht da­gegen so stark, dass bereits bei einem Blick­winkel von dreißig Grad nichts mehr zu er­kennen war.

Zunächst erprobten die Forscher ihr Verfahren modell­haft an Quarz­glas. Künftig wollen sie das Vor­gehen aber auch an optischen Gläsern und an Saphir testen. Sollte sich die Methode auch dafür bewähren, dürfte dies viel­fältige Einsatz­mög­lich­keiten er­öffnen. „Ein wich­tiges Gebiet wären ganz sicher Hoch­leistungs­laser, die im infra­roten Licht­bereich arbeiten“, sagt Diao. Gerade bei bestimmten Laser­systemen, bei denen das Licht zur Ver­stärkung immer wieder durch das­selbe optische Bauteil geschickt wird, sum­mieren sich kleine Refle­xions­ver­luste schließ­lich zu spür­baren Leistungs­ein­bußen. Trifft der­selbe Licht­strahl fünfzig Mal auf eine Grenz­fläche, an der 99,5 Prozent durch­ge­lassen werden, gehen am Ende 23 Prozent der Energie ver­loren. Gelänge es, die Trans­mission auf 99,8 Prozent zu steigern, würde der Verlust nur noch zehn Prozent be­tragen. Speziell bei Laser-Anwen­dungen hätte das Ver­fahren noch einen weiteren Vor­teil: Im Praxis­ver­such hat sich die nano­struk­tu­rierte Ober­fläche als robuster gegen die hohen Laser­energien erwiesen als die üblichen Anti­reflex­beschich­tungen.

Weitere Anwendungen könnten Linsen, Objektive oder auch Touch­screens sein. „Das Ver­fahren funk­tio­niert nicht nur auf ebenen Flächen, sondern auch bei gebo­genen Ober­flächen“, so Diao. Das wäre insbe­sondere für Linsen wichtig, etwa im Kamera- oder Mikro­skopie-Bereich. Ehe die Technik bei Touch­screens zum Einsatz kommen kann, muss aller­dings noch ein Problem gelöst werden: Das Berühren mit den Fingern hinter­lässt Konta­mina­tionen, welche die Trans­missions­eigen­schaften mit der Zeit stark beein­träch­tigen. Zwar lassen sich solche Verun­reini­gungen mit normalem Labor­alkohol ebenso leicht ent­fernen wie von einer glatten Glas­ober­fläche. Für eine Anwen­dung bei berühr­baren Bild­schirmen suchen die Forscher aller­dings noch nach einer ele­gan­teren Lösung.

MPI-IS / RK

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