Neues Herstellungsverfahren für Metamaterialien

Dreidimensionale Strukturen mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften

Perfekte Linsen, Tarnkappen oder Quantenlevitation - ein abstossender Casimir-Effekt bei Metamaterialien mit negativen Brechungsindex - sind Beispiele dafür, was Metamaterialien ermöglichen könnten. Da diese künstlichen Materialien auf der Mikro- oder Nanometerskala strukturiert sind, erscheinen sie für Infrarot- bzw. Lichtwellen als homogene Substanzen. Sie können im infraroten oder optischen Frequenzbereich magnetisch sein, obwohl sie aus nichtmagnetischen Substanzen bestehen. Man kann die Metamaterialien so maßschneidern, dass sie exotische optische Eigenschaften haben, wie z. B. einen negativen Brechungsindex. Forscher der Universität Karlsruhe haben jetzt erstmals ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Metamaterialien für den IR-Bereich vorgestellt.

Martin Wegener und seine Mitarbeiter konnten dabei auf Erfahrungen zurückgreifen, die sie mit der Herstellung von zweidimensional strukturierten Metamaterialien und dreidimensionalen photonischen Kristallen gemacht hatten. Die zweidimensionalen Metamaterialien bestanden z. B. aus mikroskopisch kleinen u-förmigen Inseln aus Silber, die regelmäßig auf einem dielektrischen Substrat angeordnet waren. Sie wurden durch Elektronenstrahllithographie und anschließendes Aufdampfen hergestellt. An solchen Metamaterialien hatten die Karlsruher Forscher im vergangenen Jahr einen negativen Brechungsindex für rotes Licht gemessen. Die dreidimensionalen photonischen Kristalle schrieben die Forscher direkt mit einem Laserstrahl in einen Fotolack, der dabei polymerisierte. Auf diese Weise lassen sich Schablonen mit Strukturgrößen von etwa 100 nm produzieren.

Jetzt haben die Forscher beide Techniken kombiniert und erstmals dreidimensionale Metamaterialien hergestellt. Sie schrieben die gewünschte Struktur in einen Fotolack, der eine Glasplatte bedeckte. Die entstehende Polymerschablone wurde mit einer Schicht aus Siliziumdioxid überzogen, die einige 10 nm dick war und der Schablone Stabilität gab. Anschließend wurde die Schablone gleichmäßig mit einer dünnen Silberschicht überzogen. Das ging jedoch nicht durch direktes Aufdampfen, weil dann verschattete Bereiche ohne Silberüberzug entstanden wären. Stattdessen setzten die Forscher Gasphasenabscheidung ein, bei der eine silberorganische Verbindung sublimiert und sich gleichmäßig auf der Schablone niederschlägt.

Für ein etwas einfacher strukturiertes Metamaterial, das sie ebenfalls mit dem neuen Verfahren hergestellt hatten, untersuchten die Forscher die optischen Eigenschaften und verglichen sie mit numerischen Berechnungen. Die Oberfläche dieses Materials bestand aus parallel angeordneten, 500 nm breiten silberüberzogenen Wülsten. Wurde es mit Infrarotlicht bestrahlt, so ergaben Messungen der Lichtdurchlässigkeit, dass der Realteil der elektrischen Permittivität ε und der magnetischen Permeabilität µ des Metamaterials bei etwa 100 THz gleichzeitig negativ wurden. Der Brechungsindex n war dennoch positiv, da die elektrischen und magnetischen Dipole des Materials sehr stark durch die magnetische bzw. elektrische Feldkomponente angeregt wurden. Um ein Metamaterial mit negativem n und anderen gewünschten optischen Eigenschaften herzustellen, müssen die Forscher noch die geeigneten Schablonenformen entwickeln.

Rainer Scharf

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  Michael S. Rill et al.: Photonic metamaterials by direct laser writing and silver chemical vapour deposition. Nature Materials Physics, Advances Online Publication (12.5.2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/nmat2197
  

• Gruppe von Martin Wegener an der Universität Karlsruhe:
  http://www.aph.uni-karlsruhe.de/wegener/
  http://www.nanoscribe.de/
  

Weitere Literatur:

• G. Dolling et al.: Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength. Optics Letters 32, 53 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1364/OL.32.000053
  http://esperia.iesl.forth.gr/~ppm/PUBLICATIONS/OL_32_1_p53_2007.pdf (frei!)
  

• Markus Deubel et al.: Direct laser writing of three-dimensional photonic-crystal templates for telecommunications. Nature Materials 3, 444 (2004)
  http://dx.doi.org/10.1038/nmat1155
  http://photonics.tfp.uni-karlsruhe.de/uploads/tx_bibliography/nmat-3-444-2004.pdf (frei!)
  

• Stefan Linden und Martin Wegener: Metamaterialien werden ''sichtbar''. Physik Journal 12/2006, S. 29
  

• Gunnar Dolling, Martin Wegener, Stefan Linden: Der falsche Knick im Licht: Materialien mit negativem Brechungsindex. Physik in unserer Zeit 38, 24 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1002/piuz.200601119