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Tarnkappe aus Nanostrukturen

25.10.2016

Linsen, Objektive, Brillengläser oder auch Laser sind in der Regel mit einer Antireflexschicht versehen. Solche Schichten haben oft den Nachteil, dass sie nur innerhalb enger Wellenlängenbereiche optimal wirksam sind. Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart stellen nun eine alternative Technologie vor. Anstatt eine Beschichtung aufzubringen, bearbeiten sie die Oberfläche selbst. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren können sie so den gewünschten Effekt über einen größeren Wellenlängenbereich erzielen, und das bei besonders großer Lichtdurchlässigkeit.

Der Nachtfalter macht es vor. Seine Augenoberflächen sind so beschaffen, dass sie einfallendes Licht praktisch nicht reflektieren. Keine Lichtreflexe – das schützt das Insekt bei Nacht davor, entdeckt zu werden. Weniger Reflexion bedeutet außerdem, dass das einfallende Licht optimal für das Sehen genutzt werden kann.


Mit und ohne Oberflächenbearbeitung: Oben wurde unter einem Beobachtungswinkel von 0 Grad aufgenommen, unten unter einem Winkel von 30 Grad. Transmission (oben) und Reflexion (unten) im Vergleich.

© Zhaolu Diao

Dieser Trick aus dem Reich der Insekten hat Wissenschaftler dazu inspiriert, ihn auch bei optischen Bauteilen anzuwenden. Auch hier ist schließlich eine hohe Lichtdurchlässigkeit gewünscht, während Lichtreflexionen eher stören. Bisher versieht man Linsen, Objektive, Bildschirme oder Laser-Bauteile daher mit sogenannten Antireflexbeschichtungen. Doch diese haben Nachteile: Sie wirken normalerweise jeweils nur in einem engen Wellenlängenbereich und außerdem nicht bei jedem beliebigen Lichteinfallwinkel.

Genau das soll das Nachtfalter-Prinzip ändern. Die Forscher vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme haben sich das natürliche Vorbild daher genau angesehen: „Die Augenoberfläche ist von dicht nebeneinander stehenden, säulenartigen Strukturen übersät, die nur wenige Hundert Nanometer hoch sind und nach oben hin spitz zulaufen“, erklärt Zhaolu Diao, der in der Abteilung „Neue Biomaterialien und Biosysteme“ unter der Leitung von Joachim Spatz forscht.

Die Säulen, die wie gleichmäßig auf einem Höhlenboden verteilte Stalagmiten nach oben ragen, bewirken, dass sich der optische Brechungsindex mit Eindringen in diese Grenzschicht kontinuierlich ändert – ausgehend von dem der umgebenden Luft bis hin zu dem des eigentlichen Materials der äußeren Augenschicht.

Dieser allmähliche Übergang des Brechungsindex ist entscheidend dafür, dass einfallendes Licht so gut wie nicht reflektiert wird und daher fast vollständig in die Augen eindringen kann. An glatten Grenzflächen, an denen sich der Brechungsindex abrupt ändert, kommt es dagegen aus physikalischen Gründen zu Lichtreflexionen. „Damit das Ganze funktioniert, muss der Abstand zwischen den einzelnen Säulen deutlich kleiner sein als die Wellenlänge des einfallenden Lichts“, erklärt Zhaolu Diao.

Um das Prinzip zu imitieren, suchten die Wissenschaftler nach Verfahren, die glatte Materialoberflächen in eine Art Nanosäulenlandschaft verwandeln. Dabei entwickelten sie einen zweistufigen Prozess. Im ersten Schritt scheiden sie auf der Oberfläche Goldpartikel in räumlich regelmäßigen Mustern großflächig ab, und zwar so gleichmäßig, dass die Goldpunkte den Knotenpunkten einer Wabenstruktur entsprechen. Im zweiten Schritt, einem chemischen Ätzprozess, dienen diese Metallinseln als Maske: Unterhalb der Goldpunkte wird kein Material weggeätzt, so dass die gewünschten säulenartigen Figuren stehen bleiben − und das immerhin auf Flächen von rund zwei mal zwei Zentimetern.

Die Säulenhöhe macht’s

Schon in der Vergangenheit gab es mit dieser Technik erste Erfolge, allerdings nur für kurzwelliges UV-Licht und sichtbares Licht. Für längerwelliges, nahes Infrarot-Licht (NIR) stand eine erfolgreiche Anwendung hingegen noch aus. Der Grund: Die bisher realisierten Säulenhöhen von maximal 500 Nanometern reichen nicht aus, um auch für diese Wellenlängen die gewünschten Transmissionsgrade von 99,5 Prozent oder mehr zu ermöglichen. „Je größer die Wellenlänge des Lichts, das man durchleiten möchte, desto höher müssen die Nanostrukturen sein“, erklärt Zhaolu Diao.

Die Arbeitsgruppe verfeinerte daher ihr Verfahren. Dabei fanden die Forscher einen Weg, um die abgeschiedenen Goldinseln zu vergrößern. „Das hat es uns schließlich ermöglicht, den anschließenden Ätzprozess tiefer in das Material hineinwirken zu lassen“, sagt Diao. Den Forschern gelang es damit, Säulen bis zu einer Höhe von rund 2000 Nanometern, also zwei Mikrometern, freizulegen – viermal so hoch wie bisher.

Die Technik ermöglicht es darüber hinaus sogar, die genaue geometrische Form der Nanosäulen beeinflussen − etwa, in welcher Weise der Durchmesser der Pfeiler von unten nach oben abnimmt, wie spitz sie also zulaufen. Dabei zeigte sich: Säulen, deren Durchmesser sich möglichst gleichmäßig verändert, sorgen später für die höchsten Transmissionswerte.

Die Wissenschaftler testeten diverse Säulenhöhen im Experiment. Dabei bestätigte sich: Je höher, desto größer war auch die Wellenlänge des Lichts, für das die beste Transmission erzielt wurde. Mit 1,95 Mikrometer hohen Säulen etwa lag dieses Transmissionsmaximum bei fast 2400 Nanometern und damit deutlich im NIR-Bereich. Zugleich erhöhte sich mit der Säulenhöhe der Wellenlängenbereich, für den Transmissionsgrade von bis zu 99,8 Prozent erzielt wurden. Bei den 1,95 Mikrometer hohen Säulen erstreckte sich diese hohe Durchlässigkeit (> 99,5 Prozent) auf einen Spektralbereich von rund 450 Nanometern. Bei kleineren Strukturen war dies dagegen nur für ein rund 250 Nanometer breites „Fenster“ der Fall.

Hohe Transmission, einhergehend mit stark reduzierter Lichtreflexion – das sorgt auch für mögliche „Tarnanwendungen“, denn ein entsprechend behandeltes Material unterscheidet sich optisch praktisch nicht mehr von seiner Umgebung. Die Umrisse eines vor eine Kamera gehaltenen, quadratischen Quarzglas-Stücks waren nach dem Ätzprozess weder mit bloßem Auge noch mit der Kamera zu erkennen. Deckten die Stuttgarter Forscher mit ihrem präparierten Quarzglas dagegen eine Abbildung ab, so ließ sich diese auch schräg von oben noch einwandfrei erkennen. Quarzglas mit unbehandelter Oberfläche reflektierte das einfallende Licht dagegen so stark, dass bereits bei einem Blickwinkel von 30 Grad nichts mehr zu erkennen war.

Noch mehr Leistung für Hochleistungslaser

Zunächst erprobten die Forscher ihr Verfahren modellhaft an Quarzglas. Künftig wollen sie das Vorgehen aber auch an optischen Gläsern und an Saphir testen. Sollte sich die Methode auch dafür bewähren, dürfte dies vielfältige Einsatzmöglichkeiten eröffnen: Viele Bereiche würden davon profitieren, wenn Bauteile über einen größeren Wellenlängenbereich kaum reflektieren und dafür bis zu 99,8 Prozent des eingestrahlten Lichts durchlassen.

„Ein wichtiges Gebiet wären ganz sicher Hochleistungslaser, die im infraroten Lichtbereich arbeiten“, sagt Zhaolu Diao. Gerade bei bestimmten Lasersystemen, bei denen das Licht zur Verstärkung immer wieder durch dasselbe optische Bauteil geschickt wird, summieren sich kleine Reflexionsverluste schließlich zu spürbaren Leistungseinbußen. „Trifft derselbe Lichtstrahl 50 Mal auf eine Grenzfläche, an der 99,5 Prozent durchgelassen werden, gehen am Ende 23 Prozent der Energie verloren“, so Diao. Gelänge es, die Transmission, wie jetzt dargestellt, auf 99,8 Prozent zu steigern, würde dieser Verlust nur noch zehn Prozent betragen. Speziell bei Laser-Anwendungen hätte das Verfahren noch einen weiteren Vorteil: Im Praxisversuch hat sich die nanostrukturierte Oberfläche als robuster gegen die hohen Laserenergien erwiesen als die üblichen Antireflexbeschichtungen.

Weitere Anwendungen könnten Linsen, Objektive oder auch Touchscreens sein. „Das Verfahren funktioniert nicht nur auf ebenen Flächen, sondern auch bei gebogenen Oberflächen“, so Diao. Das wäre insbesondere für Linsen wichtig, etwa im Kamera- oder Mikroskopie-Bereich. Ehe die Technik bei Touchscreens zum Einsatz kommen kann, muss allerdings noch ein Problem gelöst werden: Das Berühren mit den Fingern hinterlässt offenbar Kontaminationen, welche die Transmissionseigenschaften mit der Zeit stark beeinträchtigen. Zwar lassen sich solche Verunreinigungen mit normalem Laboralkohol ebenso leicht entfernen wie von einer glatten Glasoberfläche. Für eine Anwendung bei berührbaren Bildschirmen suchen die Forscher allerdings noch nach einer eleganteren Lösung.

Weitere Informationen:

https://www.is.mpg.de/de/nanoar

Annette Stumpf | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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