Forschung

Nanophotonische "Metalinse" könnte Vakuum-UV-Markt aufmischen

12.05.2022 - Nicht nur die Halbleiterherstellung kann von verschlanktem Equipment profitieren.

Photonik­forscher der Rice University haben eine potenziell bahn­brechende Techno­logie für den Markt der Ultra­violett-Optiken entwickelt. Durch präzises Ätzen von Hunderten winziger Dreiecke auf der Oberfläche eines mikro­skopisch dünnen Zin­koxid­films haben Naomi Halas und ihr Team eine optische Linse geschaffen, die ein­treffendes lang­welliges UV-A-Licht in eine gebündelte Vakuum-UV-Strah­lung (VUV) umwandelt. Die als „Metalinse“ (engl. „metalens“) vor­gestellte neue Er­rungen­schaft könnte in der Zukunft ganze Geräte­schränke ersetzen und den Vakuum-UV-Markt auf­mischen.

VUV-Strahlung wird in der Halb­leiter­herstellung, der Foto­chemie und der Material­wissenschaft verwendet. Bisher war die Arbeit mit VUV-Strahlung kostspielig, unter anderem, weil sie von fast allen für die Her­stellung herkömmlicher Linsen verwendeten Glas­arten absorbiert wird.

„Diese Arbeit ist besonders viel­ver­sprechend angesichts der jüngsten Erfolge bei der Her­stellung von Meta-Ober­flächen mit CMOS-kompatiblen Prozessen“, bewertet Professorin Naomi Halas die jüngst veröffent­lichte Metalens-Ergebnisse ihres Teams. „Dies ist zwar eine Grund­lagen­studie, aber sie weist eindeutig auf eine neue Strategie für die Her­stellung kompakter optischer VUV-Kompo­nenten und -Geräte im Hoch­durchsatz­verfahren hin.“

Die mikroskopisch kleine Metalinse – ihr Durch­messer beträgt gerade einmal 45 Mikro­meter – ist mit rund 8400 geätzten Nano­dreiecken aus Zinkoxid übersäht und kann – wie Hallas Team nun zeigte – UVA-Licht von 394 Nano­meter Wellen­länge in VUV-Licht von 197 Nano­meter Wellen­länge umwandeln, wobei das aus der Linse austretende Licht mit einer 21-fach höheren Intensität auf einen Punkt von 1,7 Mikrometer Durchmesser fokussiert wird.

Catherine Arndt, Mit­autorin der Studie und Doktorandin in Halas Forschungs­gruppe, beschreibt die vordere Oberfläche der Metalinse als deren Haupt­merkmal. Auf ihr sind die ZnO-Nano­resonatoren in konzen­trischen Kreisen angeordnet. „Die Grenz­fläche ist der Ort, an dem sich die gesamte Physik abspielt", so Arndt. „Wir bewirken eine Phasen­ver­schiebung des ein­fallenden Lichts, indem wir sowohl seine Ge­schwindig­keit als auch seine Richtung ändern. Dabei brauchen wir das ent­stehende VUV-Licht an­schließend nicht zu sammeln, weil wir es mit Hilfe der Elektro­dynamik direkt an der Grenz­fläche, an der wir es erzeugen, schon umleiten.“

„Herkömmliche Materialien erzeugen normalerweise kein VUV-Licht“, erklärt erklärt die Physikerin weiter. „Es wird heute mit nicht­linearen Kristallen hergestellt, die sperrig und teuer sind und oft unter Export­kontrolle stehen. Das Ergebnis ist, dass VUV-Technologie ziemlich teuer ist.“

Frühere Arbeiten zeigten, dass eine Meta-Oberfläche VUV erzeugen kann, indem sie langwelliges UV durch einen Frequenz­ver­dopplungs­prozess, die so genannte Erzeugung der zweiten Harmonischen, aufwärts kon­vertiert. Aber VUV ist kost­spielig, zum Teil, weil es nach der Erzeugung teuer nur zu mani­pulieren ist. Kommerziell erhältliche Systeme dafür könnten laut Arndt Schränke so groß wie Kühl­schränke oder Klein­wagen füllen und Zehn­tausende von Dollar kosten. 

„Bei der „Metalens“ versucht man nun, sowohl das Licht zu erzeugen als auch es zu manipulieren", preist die Doktorandin den neuen Ansatz. „Im sichtbaren Wellen­längen­bereich ist die Metalens-Technologie sehr effizient geworden. Virtual-Reality-Headsets nutzen sie. Metalinsen wurden in den letzten Jahren auch für sichtbare und infrarote Wellenlängen demonstriert, aber niemand hatte es bisher bei kürzeren Wellenlängen geschafft. Und viele Materialien absorbieren VUV. Für uns war es also eine große Herausforderung zu sehen, ob es uns gelingen würde."

Zusammen mit Din Ping Tsai von der Universität Hong Kong, der die komplizierte Oberfläche der Metalinse herstellte, Ming Lun Tseng von Taiwan’s National Yang Ming Chiao Tung Universität und weiteren Kollegen konnte Arndt zeigen, dass Umwandlung und Fokussierung der Strahlung mithilfe der Metalinse möglich sind. Als nächsten Schritt sieht sie nun das Ausloten der Verbesserungsmöglichkeiten der neuen Linse.

Rice Universität / LK

 

 

 

 

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