Quant-UV

IGF-Projekt: 21364 N  (2021 - 2023)

DIE HERAUSFORDERUNG

Im aktuellen Trend einer zunehmenden Systemintegration optischer Komponenten zum Zwecke der Miniaturisierung und idealerweise zur Steigerung der Funktionalität steigen die Anforderungen an die Leistungsfestigkeit und die optischen Spezifikationen der optischen Komponenten rapide an. Eine weitere große Herausforderung ist die Herstellung optischer Komponenten mit geringen Absorptionsverlusten für Anwendungen im ultravioletten (UV-) Spektralbereich, da das kurzwelligere Licht höhere Auflösungen erlauben würde. Doch nur wenige Beschichtungsmaterialien sind im UV-Bereich ausreichend transparent. Die hier einsetzbaren oxidischen Materialien haben eine vergleichsweise geringe optische Brechkraft, die ihre Verwendbarkeit in optischen Beschichtungen zudem stark einschränkt. Die benötigte weitere Leistungssteigerung optischer Komponenten für Anwendungen im UV-Bereich erfordert also völlig neue Materialkonzepte, um das Spektrum der verfügbaren Materialeigenschaften für optische Beschichtungen kontrollierbar und mit einem überschaubaren Herstellungsaufwand zu erweitern.

DIE INNOVATIONSIDEE

Ziel war, die aus der Optoelektronik bekannten "quantisierenden Nanolaminate" (QNL) als Material für optische Beschichtungen im UV-Bereich zu validieren und nutzbar zu machen, von denen bereits bekannt war, dass sie die Absorptionskante zu kürzeren Wellenlängen verschieben. QNL sind bis zu mehreren hundert Nanometer dicke alternierende Schichtfolgen binärer Oxide, die aus tausenden Einzelschichten aus ein- bis fünffachen Atomlagen bestehen. Durch die Dünnschichtigkeit der Strukturen wird die Beweglichkeit der Elektronen in einer Richtung eingeschränkt, was klassische Verhaltenweisen der dielektrischen Materialien teilweise "blockiert". Dieser Quantisierungseffekt soll eine höhere Resistenz gegenüber hohen Laserleistungen und die Einsetzbarkeit hochbrechender Materialien für kürzere Wellenlängen bewirken. Verschiedene QNL sollten hergestellt und ihre Quantisierungseffekte geprüft werden. Absorption und Brechungsindex sollten sich unabhängig von einander beeinflussen lassen. Präzision und Stabilität des Herstellungsprozesses sollten untersucht und Umsetzungshürden eliminiert werden.

DIE ERGEBNISSE

Theoretische Abschätzungen ergaben, dass die für eine effektive Quantisierung und signifikante Verschiebung der Absorptionskante in den UV-Bereich zu verwendenden Schichten maximal 2 nm (ein bis fünf Atomlagen) dick sein dürfen. Um mit den QNL die optischen Eigenschaften eines Interferenzsystems zu erreichen, das teilweise mehrere hundert Nanometer dick ist, sind bei der Herstellung von optischen Interferenzfiltern einige tausend Einzelschichten notwendig.

Zur Herstellung optischer Beschichtungen mittels QNL waren zunächst Anpassungen in der Prozessführung bzw. der Beschichtungsanlage mittels Ionenstrahlzerstäubung (engl.: Ion Beam Sputtering, IBS) nötig: Für eine effiziente und automatisierbare Designsynthese der vielen Schichten wurde die Anlagensteuerung um ein "Nanolaminatmodul" erweitert, das definierte Nanolaminatschichtstapel im Schichtdesign als quantisierende Metastrukturen erkennt. Damit bleibt das Design lesbar und nicht-quantisierende Schichten erkennbar. Um bei den vielen Materialwechseln die Notwendigkeit, mechanische Komponenten zu bewegen, zu vermeiden, wurde eine zusätzliche Sputterquelle genutzt. Mit diesen Anpassungen liefen die Beschichtungsprozesse stabil, sodass QNL zeitgesteuert hergestellt werden konnten.

Für die hergestellten QNL aus ZrO₂,TiO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅ und HfO₂, jeweils mit SiO₂ als Barrierematerial, konnte eine Erweiterung des Spektralbereichs durch eine "Blauverschiebung" der Bandkante je nach Material von über 100 nm erreicht werden. Während sich bei den HfO₂- und Ta₂O₅-QNL die theoretischen Vorhersagen bestätigten, zeigten sich bei den TiO₂-, Nb₂O₅- und ZrO₂-QNL höhere Absorptionen, die auf die Bildung von Zwischenzuständen zurückzuführen waren. Zudem traten bei Schichtdicken unterhalb von ca. 1 nm bei allen Materialkombinationen deutliche Mischeffekte auf, die den Brechwert erhebilch reduzierten Für größere Schichtdicken war dagegen der Brechwert weitgehend unabhängig von der Bandkante zu ändern.

Mit den QNL konnten sowohl funktionale Beschichtungen mit einfachen Schichtsystemen, wie zur Entspiegelung und für Spiegel, realisiert werden als auch mit komplexen Schichtsystemen, wie für Polarisationsstrahlteiler und Passfilter. Dabei wiesen beispielsweise Einwellenlängenantireflexbeschichtungen sehr geringe Verluste von unter 1 % auf.

KMU-NUTZEN

Auf Basis der Ergebnisse kann die mittelständisch geprägte Photonik-Branche optische Komponenten mit höherer Leistung, z. B. höhere Reflektivitäten und höhere Zerstörschwellen, fertigen. Durch die Erweiterung des Beschichtungs-Materialpools für Anwendungen im UV-Bereich wird die Herstellung von optischen Komponenten unter Verwendung von besser verfügbaren und günstigeren Materialien ermöglicht. Auch für die Erreichung der geforderten höheren Auflösungen bildgebender Verfahren in der Medizintechnik, für eine höher auflösende Lithografie in der Halbleitertechnik sowie für die neue lasergetriebene Kernfusion werden optische Komponenten und Beschichtungen benötigt werden, deren Herstellung auf den entwickelten Erkenntnissen über QNL beruhen.

Laufzeit: 01.01.2021 - 31.12.2023