De massaproductie van platte optische apparaten met subgolflengtestructuren zou binnenkort een realiteit kunnen worden, dankzij een metasurface fabricagetechniek ontwikkeld door onderzoekers van A*STAR.

Meta-oppervlakken zijn synthetisch, tweedimensionale materialen bedekt met kleine individuele vormen met afmetingen en afstanden die kleiner zijn dan de golflengten van zichtbaar licht. Deze 'subgolflengte'-structuren stellen wetenschappers in staat om de voortplantende vorm nauwkeurig te controleren, of golffront, van lichtstralen. Als zodanig, meta-oppervlakken zijn veelbelovend voor vele toepassingen, van beeldvorming met hoge resolutie en afdrukken in kleur tot het beheersen van lichtpolarisatie. Massaproductie van meta-oppervlakken, echter, uitdagend is gebleken, beperkt door de complexiteit van het realiseren van zulke precieze patronen.

Nutsvoorzieningen, Ting Hu en zijn collega's van A*STAR's Institute of Microelectronics (IME) hebben een methode ontwikkeld om op silicium gebaseerde meta-oppervlakken te bouwen door bestaande technieken uit de fabricage van halfgeleiders te introduceren. Hun nieuwe metasurface-ontwerp kan rood-groen-blauw (RGB) kleurenschermen met hoge resolutie produceren.

Tot nu, meta-oppervlakken zijn voornamelijk vervaardigd via elektronenstraallithografie (EBL), die niet van toepassing is op massaproductie, zoals Hu uitlegt:

"Met EBL, de gefocusseerde elektronenstraal beweegt langzaam, stap voor stap, over het metaoppervlak substraat. Meta-oppervlakken met miljoenen - mogelijk miljarden - elementen hebben een zeer lange tijd nodig om via EBL te worden gemodelleerd. We wilden een snellere en efficiëntere manier van patroonvorming."

Hu en het team baseerden hun techniek op 'immersielithografie', die al lang wordt gebruikt om patronen op elektronische componenten te etsen. Met meerdere belichtingen, complexe patronen kunnen worden opgebouwd. De onderzoekers gebruikten op ultraviolet gebaseerde (UV) lithografie voor initiële patroonvorming op siliciumsubstraten, gevolgd door plasma-etsen om de ontwerpen te vormen in kleine pixelblokken die werden geassembleerd tot een 12-inch schermoppervlak (zie afbeelding).

"Ons hulpmiddel voor UV-lithografie is een scanner, die binnen een half uur een hele 12-inch wafer kan modelleren met ontworpen apparaten, ", zegt Hu. "We hebben de fysieke afmetingen van de nanopijlerreeksen van het meta-oppervlak ontworpen om kleuren nauwkeurig weer te geven, met fantastische resultaten, bijvoorbeeld het weergeven van de letters I, M en E in rood, respectievelijk groen en blauw."

Hu en het team hopen hun ontwerp te optimaliseren en het etsproces te verbeteren om verliezen veroorzaakt door lichtverstrooiing en defecten in de nanostructuurarrays te minimaliseren. Ze spannen zich ook in om platte, lichtgewicht 'meta-lenzen' en puntprojectoren met mogelijke toepassingen in gezichtsherkenningstechnologieën.