Dünne Metaoberflächen statt dicker Linsen

Metaoberflächen können dazu beitragen, optische Systeme künftig dünner zu bauen – bei gleich­zeitiger Erhöhung der Funktionalität. Das Problem: Herkömmliche Verfahren zur Herstellung konnten bisher oft nur kleine Metaoberflächen, häufig kleiner als ein Quadrat­milli­meter, realisieren. Forschern des Fraunhofer-Instituts für angewandte Optik und Feinmechanik ist es jetzt erstmals gelungen, mithilfe der Elektronen­strahl­lithografie eine Meta­oberfläche mit einem Durchmesser von fast dreißig Zentimetern herzustellen – ein Weltrekord.

In Wissenschaft und Forschung kommen Meta­ober­flächen schon länger zum Einsatz. Allerdings sind die Bauteile hier oft nur einige Quadrat­milli­meter groß. Für die akademische Forschung ist das ausreichend, für viele industrielle Anwendungen aber nicht und erst recht nicht, um künftig eine reale Alternative zur klassischen Linse zu werden. Das Team hat sich daher der Frage gewidmet, wie sich die innovativen Meta­ober­flächen in größerem Maßstab realisieren lassen.

Der Meilenstein gelang den Forschern mithilfe der Elektronen­strahl­lithografie. „Für die Herstellung unserer Meta­ober­fläche haben wir eine spezielle Schreib­strategie der Elektronen­strahl­lithographie genutzt, die Character-Projection“, erklärt Uwe Zeitner vom Fraunhofer-IOF. Die Character-Projection ist eine Methode, bei der ein Muster in kleinere Einheiten aufgeteilt wird. Anschließend wird ein Elektronen­strahl verwendet, um jedes dieser kleinen Muster nacheinander auf einer Oberfläche zu erzeugen. Das ermöglicht die Herstellung komplexer Strukturen mit hoher Präzision und Effizienz. »

„Mithilfe der Character-Projection lassen sich sehr hoch­auf­gelöste Strukturen paralle­lisiert mit vergleichs­weiser hoher Geschwin­dig­keit belichten. Das ist für die Elektronen­strahl­lithographie ungewöhnlich“, so Zeitner. Herkömm­liche litho­grafische Techniken für die Herstellung größerer Strukturen stoßen oft an ihre Grenzen. „Durch die kleinen Struktur­dimensionen unterhalb der Wellenlänge eignet sich die hochauf­lösende Elektronen­strahl­lithographie grund­sätzlich sehr gut für die Herstellung von Meta-Strukturen“, so der Forscher. „Allerdings ist diese Technologie relativ langsam, so dass bisher im Wesent­lichen nur Elemente mit relativ kleinen Flächen damit realisiert wurden – vorrangig in der Größen­ordnung von wenigen Quadrat­milli­metern. Bei größeren Flächen erreicht die Belichtungs­zeit sehr schnell unrealistisch große Werte.“

Durch den Einsatz der Character-Projection konnten die Wissenschaftler jetzt sowohl die hohe Auflösung der Elektronen­strahl­lithographie als auch die große Elementfläche adressieren, ohne dass die Belichtungs­zeit explodiert ist. Die Forscher zeigen damit, dass die Elektronen­strahl­lithographie ein Verfahren für die Herstellung von mikro- und nano­optischen Strukturen auf großen Flächen sein kann.

Die neue Fertigungs­technologie kann dazu beitragen, optische Systeme künftig deutlich dünner zu bauen. Diese Technologie kann abbildende optische Systeme revolutionieren, denn damit wird es möglich, die Baugröße von Systemen zu reduzieren bei gleich­zeitiger Steigerung ihrer optischen Funktionalität. „Solche großen Meta­ober­flächen sind insbesondere für kompakte Optiken vorteilhaft, in denen auf kleinem Raum große Ablenkwinkel benötigt werden“, betont Zeitner. „Das ist zum Beispiel in Virtual-/Augmented-Reality-Brillen der Fall. Auch bei sehr kleinen Optiken im Smartphone lassen sich mit solchen Ansätzen vorteil­hafte Bauformen realisieren.“ Weitere Anwendungs­potenziale liegen in der hoch­auf­ge­lösten Spektro­skopie oder in computer­generierten Hologrammen.

Fh.-IOF / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  U. D. Zeitner, M. Banasch & M. Trost: Potential of E-beam lithography for micro- and nano-optics fabrication on large areas, J. Micro/Nanopatterning, Mat. Metr. 22, 041405 (2023); DOI: 10.1117/1.JMM.22.4.041405
• Mikro- und nanostrukturierte Optik, Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik, Jena