Optical coatings by means of atomic layer deposition. Coating of subwavelength structured surfaces and adsorption of liquid crystals onto thin coatings.
Final Report Abstract
Ziel dieser Emmy Noether-Nachwuchsgruppe war die Erarbeitung der physikalischen und chemischen Grundlagen, um die Atomlagenabscheidung (ALD) für optische Anwendungen zu qualifizieren. Die Atomlagenabscheidung bietet den einzigartigen Vorteil, komplexe Formen sowie mikro- und nanostrukturierte Substrate strukturgetreu (konform) zu beschichten, verbunden mit einer präzisen Schichtdickenkontrolle. Kein anderes Verfahren kann Vergleichbares leisten. Daher ist ALD bereits essentiell in der Halbleiterindustrie. Diese Funktionsfähigkeit eröffnet neue Perspektiven für innovative, hoch-effiziente refraktive und diffraktive Optiken und optische Systeme. Ein wesentlicher Anteil dieses Forschungsprojektes befasste sich mit den Materialwissenschaften der thermischen und Plasma gestützten ALD-Schichten. Dünne Schichten der wichtigen dielektrischen Materialien (TiO2, HfO2, Ta2O5, SiO2, Al2O3) wurden für optische Anwendungen optimiert und qualifiziert. Die chemischen, optischen, morphologischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien wurden detailliert analysiert. Erstmals wurden diese dielektrischen Schichten mit sehr niedrigen Absorptions- und Streulicht-Verlusten erarbeitet. Diese erfüllen die stringenten Anforderungen der Präzisionsoptik an optische Schichten bezüglich Homogenität, Reproduzierbarkeit, Schichtdickenkontrolle, Rauheit, optischer Verluste, Haftfestigkeit, etc. Die mechanischen Eigenschaften der optischen funktionalen Schichten sind kritisch für komplexe Interferenzschichtsystemen. Diese hängen von Zusammensetzung und Morphologie der Schichten ab. Es wurden zwei Strategien (die Abscheidung von Nanolaminaten und eine Bias-gestützte Abscheidung) verfolgt, um die mechanischen Eigenschaften der ALD-Schichten zu kontrollieren. Erstmals konnten nanoporöse SiO2-Schichten mittels ALD realisiert werden. Dabei wurden legierungsartige Schichten aus atomar vermischtem SiO2 und Al2O3 abgeschieden, gefolgt von selektiver Entfernung des Al2O3. Die Porosität und somit die Brechzahl der SiO2-Schichten kann durch diskrete Änderung des Al2O3-Anteils kontrolliert werden. So konnten Schichten mit einer Porosität bis 69% und einer Brechzahl von 1,13 bei 633 nm Wellenlänge erreicht werden. Diese nanoporösen Schichten zeigen sehr hohe Laser-Zerstörschwellen und geringe optische Verluste durch Streuung und Absorption. Des Weiteren konnte die Abscheidung und Schichtkeimung von Iridium und Ruthenium detailliert untersucht werden. Die avisierten optischen Anwendungen umfassen einerseits hoch-effiziente Entspiegelungen. Eine rundum Beschichtung von 3D Substraten (Linsen, Dome) wurde entwickelt. Einzelschichtentspiegelungen aus nanoporösen SiO2 mit ca. 99.5% Transmission wurden sogar bei sehr niedriger Wellenlänge von 193 nm demonstriert. Breitbandige und winkelunabhängige Entspiegelungen wurden mit nanoporösen Schichten realisiert. Entspiegelungen mit einer guten Klimastabilität und mechanischen Beständigkeit für Substrate aus Glass oder Polymeren (PMMA, PC) wurden optimiert. Anderseits wurden diffraktive optische Elemente, z.B. nanostrukturierte Gitter-Polarisatoren für den UV spektralen Bereich, hoch-effiziente Transmission- und Reflexionsgitter, resonante Wellenleiter (guided mode resonance gratings) und abstimmbare optische Komponenten entwickelt. Die präzise Abscheidung der ALD-Schichten auf nanostrukturierten und 3D Substraten sowie die Vielfalt der Materialien eröffnen innovative Lösungen, um die Performance-Grenzen dieser Komponenten bis zu theoretischen Limits zu verschieben. Solche Komponenten finden Anwendung in Laser- und Weltraumoptiken, Spektrometern und Sensoren, Kommunikation, LIDAR, etc. Es hat sich in den letzten Jahren ein wachsendes Interesse gezeigt, um dieses Verfahren in kommerziellen optischen Anwendungen einzusetzen. In Folgeprojekten sind bereits mehrere Kooperationen mit Industriepartnern entstanden.
Publications
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