Onderzoekers van ETH Zürich hebben een methode ontwikkeld voor de productie van golvende oppervlakken met nanometerprecisie. In de toekomst kan deze methode worden gebruikt, bijvoorbeeld, om optische componenten voor datatransmissie op internet nog efficiënter en compacter te maken.

Het belang van op licht gebaseerde technologieën voor onze samenleving werd de afgelopen weken eens te meer aangetoond. Dankzij internet, miljoenen mensen kunnen op afstand werken, betreed virtuele klaslokalen, of praat met vrienden en familie. Het internet, beurtelings, dankt zijn kracht aan talloze lichtpulsen waarmee enorme hoeveelheden data via optische vezels de wereld rond worden gestuurd.

Om deze lichtpulsen te sturen en te controleren, verschillende technologieën worden toegepast. Een van de oudste en belangrijkste is het diffractierooster, die licht van verschillende kleuren in nauwkeurig bepaalde richtingen afbuigt. Al decenia, wetenschappers hebben geprobeerd het ontwerp en de productie van diffractieroosters te verbeteren om ze geschikt te maken voor de veeleisende toepassingen van vandaag. Bij ETH Zürich, een groep onderzoekers onder leiding van David Norris, hoogleraar bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Procestechniek, hebben een geheel nieuwe methode ontwikkeld waarmee efficiëntere en preciezere diffractieroosters kunnen worden geproduceerd. Dit deden ze samen met collega's nu aan de Universiteit van Utrecht en het bedrijf Heidelberg Instruments Nano, die werd opgericht als ETH-spin-off SwissLitho. De onderzoekers publiceerden de resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Interferentie door groeven

Diffractieroosters zijn gebaseerd op het principe van interferentie. Wanneer een lichtgolf een gegroefd oppervlak raakt, het is verdeeld in vele kleinere golven, elk afkomstig uit een individuele groef. Wanneer deze golven het oppervlak verlaten, ze kunnen ofwel bij elkaar optellen of elkaar opheffen, afhankelijk van de richting waarin ze reizen en van hun golflengte (die gerelateerd is aan hun kleur). Dit verklaart waarom het oppervlak van een cd, waarop gegevens in kleine groeven worden opgeslagen, genereert een regenboog van gereflecteerde kleuren wanneer deze wordt verlicht door wit licht.

Om een ​​diffractierooster goed te laten werken, moeten zijn groeven een scheiding hebben die vergelijkbaar is met de golflengte van het licht, dat is ongeveer een micrometer - honderd keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. "Traditioneel, die groeven worden in het oppervlak van een materiaal geëtst met behulp van fabricagetechnieken uit de micro-elektronica-industrie, " zegt Nolan Lassaline, een doctoraat student in de groep van Norris en eerste auteur van de studie. "Dit betekent, echter, dat de groeven van het rooster vrij vierkant van vorm zijn. Anderzijds, natuurkunde vertelt ons dat we groeven zouden moeten hebben met een glad en golvend patroon, als rimpelingen op een meer." Groeven gemaakt met traditionele methoden kunnen, daarom, alleen maar ruwe benaderingen zijn, wat weer betekent dat het diffractierooster het licht minder efficiënt zal sturen. Door een geheel nieuwe aanpak te volgen hebben Norris en zijn medewerkers nu een oplossing voor dat probleem gevonden.

Oppervlaktepatronen met een hete sonde

Hun aanpak is gebaseerd op een technologie die ook zijn oorsprong heeft in Zürich. "Onze methode is een achterkleinkind van de scanning tunneling microscoop, die bijna veertig jaar geleden werd uitgevonden door Gerd Binnig en Heinrich Rohrer, die later de Nobelprijs voor hun werk zouden winnen, " zegt Norris. In zo'n microscoop, materiaaloppervlakken worden gescand door de scherpe punt van een sonde met hoge resolutie. De beelden van zo'n scan kunnen zelfs de afzonderlijke atomen van een materiaal laten zien.

Omgekeerd, echter, men kan de scherpe punt ook gebruiken om een ​​materiaal te modelleren en zo golvende oppervlakken te produceren. Om dit te doen, de onderzoekers verhitten de punt van een scanningsonde tot bijna 1000 graden Celsius en drukken deze op bepaalde plaatsen in een polymeeroppervlak. Hierdoor breken de moleculen van het polymeer af en verdampen ze op die plekken, waardoor het oppervlak nauwkeurig kan worden gebeeldhouwd. Op deze manier, de wetenschappers kunnen bijna willekeurige oppervlakteprofielen punt voor punt in de polymeerlaag schrijven met een resolutie van enkele nanometers. Eindelijk, het patroon wordt overgebracht op een optisch materiaal door een zilverlaag op het polymeer af te zetten. De zilverlaag kan dan van het polymeer worden losgemaakt en als reflecterend diffractierooster worden gebruikt.

"Dit stelt ons in staat om willekeurig gevormde diffractieroosters te produceren met een precisie van slechts enkele atoomafstanden in de zilverlaag, ", zegt Norris. In tegenstelling tot traditionele vierkante groeven, dergelijke roosters zijn niet langer benaderingen, maar praktisch perfect en kan zo worden gevormd dat de interferentie van de gereflecteerde lichtgolven nauwkeurig beheersbare patronen creëert.

Een verscheidenheid aan toepassingen

Dergelijke perfecte roosters maken nieuwe mogelijkheden mogelijk om licht, die een scala aan toepassingen heeft, zegt Norris:"De nieuwe technologie kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om minuscule diffractieroosters te bouwen tot geïntegreerde schakelingen waarmee optische signalen voor internet kunnen worden verzonden, efficiënter ontvangen en gerouteerd." Lassaline voegt toe, "Over het algemeen, we kunnen dergelijke diffractieroosters gebruiken om zeer geminiaturiseerde optische apparaten te maken, zoals on-chip microlasers." Die geminiaturiseerde apparaten, hij zegt, variëren van ultradunne cameralenzen tot compacte hologrammen met scherpere beelden. Ze beloven een brede impact in optische technologieën zoals futuristische smartphonecamera's, biosensoren, of autonome visie voor robots en zelfrijdende auto's."