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3D Nano- und Mikrostrukturen

Zentrale Technologie zur Herstellung nahezu beliebig komplexer Mikro- und Nanostrukturen ist das Direkte Laserschreiben. Hierzu werden ultrakurze Laserimpulse mit Objektiven hoher numerischer Apertur in ein photoempfindliches Material fokussiert, das für die Laserwellenlänge an sich transparent ist. Durch die starke Fokussierung werden im fokalen Volumen so hohe Intensitäten erreicht, dass das Material über Zwei- bzw. Mehrphotonenabsorption lokal polymerisiert bzw. quervernetzt wird. Präzises Verfahren des Fokus im Material mittels eines Dreiachsen-Piezotisches erlaubt dann die Erzeugung beliebig zusammenhängender, quervernetzter Bereiche im photoempfindlichen Material. In einem anschließenden Entwicklungsschritt werden die nicht vernetzen Bereiche herausgelöst. Diese Technologie wurde in den letzten zehn Jahren immer weiter verbessert und steht mittlerweile über unsere Ausgründung Nanoscribe GmbH kommerziell zur Verfügung.

Schema eines 3D Laserlithographie-Aufbaus

Die auf diese Weise hergestellten Strukturen können entweder direkt für Experimente verwendet werden oder dienen als Template für weitere Prozessschritte. Hierzu wurden von uns zwei Verfahren entwickelt, die entweder die Struktur direkt oder deren inverse Struktur in anderen Materialien abformen. Als Beispiele für Materialien seien Silizium oder Gold genannt. Um Materialien in diesen Templaten in drei Dimensionen gleichmäßig deponieren zu können, scheiden gängige Techniken wie thermisches Verdampfen oder Sputtern aus. Zum Einsatz kommen die Atomlagendeposition, die eine Vielzahl von Materialien mit Monolagengenauigkeit aufbringen kann, die chemische Gasphasenepitaxie und die elektrochemische Abscheidung von Metallen.

Wellenleiter und Resonatoren in einem photonischen Kristall aus Silizium, I. Staude et al., Opt. Lett. 2010 in press

Minimale Strukturdetails, die mittels dieser Technologie erzeugt werden können, liegen momentan im Bereich um die 80 nm. Noch kleinere Strukturdetails sind aber notwendig, um aktuelle theoretische Designvorschläge für photonische Metamaterialien, Transformationsoptiken und photonische Kristalle umsetzen zu können. Hierzu wurden neue photoempfindliche Materialien entwickelt, die kleinere Strukturen durch eine Reduktion des Proximity-Effekts ermöglichen. Auch die Kontrolle von Amplitude, Phase und Polarisation des Lichts spielt ein entscheidende Rolle.