Schaltbare optische Metaflächen aus Phasenwechselmaterial

  • 22. December 2015

Laserpulse verursachen reversiblen Wechsel zwischen amorpher und kristalliner Phase mit variablem Brechungsindex.

Kein Objektiv kommt ohne filigrane Mikromechanik aus, um seinen Fokus zu verändern. Auch Wärme, UV-Licht, Strompulse und Magnet­felder können die optischen Eigen­schaften von Materialien gezielt ändern. Auf eine neue Methode für eine bessere Kontrolle von Transparenz und Brechungs­index setzt eine Forscher­gruppe an der University of Southampton in Groß­britannien. Das Team verwendet ein Phasen­wechsel­material, das sich mit kurzen Femto­sekunden-Pulsen bei sehr hoher räumlicher Auflösung kontrolliert zwischen amorpher und kristalliner Phase schalten lässt. Mit dieser Methode realisierten die Forscher zahlreiche optische Komponenten von einer Fresnel-Linse über Holo­gramme bis hin zu schaltbaren Meta­materialien.

Phasenwechselmaterial

Abb.: Mit Laserpulsen kann ein Phasenwechselmaterial zwischen amorpher und kristalliner Phase mit jeweils unterschiedlichen optischen Eigenschaften geschaltet werden. (Bild: E. Rogers et al., U. Southampton)

„Wir haben eine neue und flexible Plattform entwickelt, um neue optische Komponenten zu kreieren“, sagt Edward Rogers. Zusammen mit Kollegen der Nanyang Technical University in Singapur nutzten er und sein Team als Phasen­wechsel­material eine Chalcogenid-Verbindung aus Germanium, Antimon und Tellur (GST), das für nicht­flüchtige elektronische Daten­speicher genutzt wird. Auch in wieder­beschreibaren DVDs wird diese Legierung verwandt. Das Material deponierten sie – kombiniert mit dünnen Schutz­schichten aus Zink­sulfid und Silizium­dioxid – mit einem Sputter­verfahren mit einer Dicke von siebzig Nano­metern auf einem hoch­reinen Glasträger.

Die GST-Schicht heizten die Forscher auf eine Temperatur zwischen der Glas­übergangs­temperatur (373 K) und Schmelz­punkt (900 K) auf, um es vom amorphen in einen meta­stabilen kubisch-kristallinen Zustand zu überführen. Mit extrem kurzen Laser­pulsen (85 Femto­sekunden, 730 nm Wellenlänge) konnten sie den kristallinen Zustand punktuell wieder in die amorphe Phase umbilden. Beide Phasen unter­schieden sie signifikant in ihren dielek­trischen Eigen­schaften. Die kurzen Laser­pulse waren ebenso geeignet, eine GST-Schicht aus einer semi­kristallinen Phase sowohl in den kristallinen als auch zurück in den amorphen Zustand zu schalten. Mit starker Fokussierung des Lasers konnten so sehr kleine Volumen von einem fünfzigstel Kubik­mikro­meter kontrolliert verändert werden.

Fresnel-Linse

Abb.: Abhängig vom Muster konzentrischer Kreise aus kleinen kristallinen Materialabschnitte in einem amorphen Umfeld lassen sich die optischen Eigenschaften einer Fresnel-Linse verändern. (Bild: E. Rogers et al., U. Southampton)

Dank dieser Vielfalt legten Rogers und Kollegen die Grundlage, um eine gewünschte Phase mit hoher räumlicher Auflösung in die GST-Legierung schreiben und auch wieder löschen zu können. Als erste Demonstration variabler optischer Eigen­schaften strukturierten sie eine GST-Schicht mit symmetrischen Ringen aus transparenten und milchigen Phasen zu einer Fresnel-Linse. Über wiederholte Schreib­prozesse konnten sie die numerische Apertur zwischen 0,9 und 0,95 variieren. Über mehrere verschiedene Phasen­zustände der Phasen­wechsel­legierung ließen sich auch verschiedene Grau­stufen erzeugen, über die sich ein Holo­gramm mit 71 Mikro­meter Kanten­länge per Laser in das Material bannen ließ.

Anspruchsvoller gestaltete sich die Fertigung einer Fresnel-Struktur, die Licht verschiedener Wellen­länge fokussieren konnte. Auch dazu genügte die räumliche Auflösung des Laser­schreib­verfahrens, um teils reflektierende, teils durch­sichtige Pixel in die GST-Legierung zu schreiben. Da sich der Brechungs­index zwischen amorpher und kristalliner Phase deutlich vonein­ander unter­scheidet, nutzten die Forscher ihre Methode für die Struktu­rierung eines dielek­trischen Meta­materials, das eine Resonanz im nahen Infra­rot­bereich zeigte. Je nach Form eines zwei­dimensionalen Muster ausge­richteter, kristalliner Bereiche umgeben von einem amorphen Film ließ sich die Resonanz­frequenz auch wunsch­gemäß innerhalb des IR-Spektral­bereichs verändern.

Mit dieser Anwendung eines erprobten Phasen­wechsel­materials eröffnen die Wissen­schaftler einen neuen Weg, um optische Module und sogar Meta­materialien günstig und schnell angepasst an die Wunsch­bedingungen fertigen zu können. In weiteren Versuchen könnten auch die per Laser geschalteten Material­bereiche weiter schrumpfen, um auch Meta­materialien für den sichtbaren Spektral­bereich zu erschaffen. Rogers und Kollegen sind davon überzeugt, dass sich damit interessante Möglich­keiten in der Nano­photonik oder auch für stark komprimierte optische Daten­speicher ergeben.

Jan Oliver Löfken

RK

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