Herstellung drei-dimensionaler photonischer Kristalle mit funktionalen Elementen für den sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich auf der Basis von Chalcogenid-Gläsern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Nachwuchsgruppe hatte zwei thematische Schwerpunkte: Zum einen die technologische Weiterentwicklung der 3D Laserlithographie durch Einführen eines hochbrechenden Photolacksystems auf Basis des chalcogeniden Gläser und zum anderen die Realisierung von funktionalen photonischen Kristallen. Auf technologischer Seite konnte As2S3 als amorpher Halbleiter zusammen mit der speziell dafür entwickelten Amin-basierten Ätze erfolgreich etabliert werden. Der große Vorteil gegenüber polymerbasierten Photolacken ist der hohe Brechungsindex, der direkt die Herstellung von photonischen Kristallen mit einer vollständigen photonischen Bandlücke erlaubt. Auch konnte die lokal begrenzte Dotierung mit Erbium demonstriert werden, die das gezielte Einbringen von photolumineszenz-aktiven Bereichen erlaubt. Der Vorteil dieses Materialsystems hat sich aber auch als Nachteil bei der Skalierung der Strukturen in kürzere Wellenlängenbereiche erwiesen: Durch die große Brechzahlfehlanpassung zwischen Lithographie-Objektiv und Material werden verstärkt sphärische Aberrationen erzeugt, die zum einen zu einer starken Elongation der zu belichtenden Strukturen führen aber auch zu einer dramatischen Intensitätsabnahme beim tieferen Fokussieren ins Material. Selbst durch die von uns entwickelten Amplituden- und Phasenmasken lassen sich diese Effekte nicht so stark reduzieren, dass eine Herstellung von chalcogenidbasierten dreidimensionalen photonischen Kristallen im für die Telekommunikation interessierenden Spektralbereich möglich gewesen wäre. Um dennoch funktionale photonische Kristalle mit einer vollständigen Bandlücke in diesem Bereich fertigen zu können, haben wir auf die ebenfalls von uns entwickelte Technik der Siliziumdoppelinversion zurückgreifen müssen, die uns dann auch eine Demonstration von Wellenleitern in photonischen Kristallen ermöglicht hat. Zusätzlich zu den klassischen funktionalen photonischen Kristallen haben wir uns mit chiralen Materialien auseinandergesetzt, deren Funktionalität nicht auf einer vollständigen Bandlücke, sondern auf durch die Händigkeit des Materials hervorgerufener Polarisationsselektivität beruht. Hier konnten wir mit uniaxialen Materialien u.a. Polarisationsfilter und eine einfache optische Diode realisieren. Durch Veränderung der Phasenbeziehung zueinander ließen sich Polarisationsstoppbänder höherer Ordnungen einstellen. Durch eine Anordnung entlang der drei Raumrichtungen in einer bi-chiralen Konfiguration konnten Materialien vorgestellt werden, die unabhängig von der Einfallsrichtung eine zirkulare Polarisation propagieren ließen und die jeweils andere Polarisation unterdrückten. Als weiteren Themenschwerpunkt haben wir photonische Quasikristalle untersucht. Zum einen standen Algorithmen und Methoden zur Strukturberechnung im Fokus. Hier haben wir eine allgemeine Vorgehensweise gefunden, um Strukturen mit nahezu beliebigen Symmetrieeigenschaften zu erzeugen. Mit ikosaedrischen und rhombenkuboktaedrischen Quasikristallen konnten wir die Funktionstüchtigkeit eindrucksvoll demonstrieren. Die optische Charakterisierung hat sich dann auf die Transporteigenschaften und die Laue-Beugung konzentriert. Starke Wellenlängenabhängigkeiten der Transportprozesse deuten hier auf Vielfachstreuung in den Strukturen hin, die den Quasikristallen Eigenschaften verleiht, die sowohl völlig ungeordneten Materialien als auch perfekt geordneten Materialien zugeordnet werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Direct Laser Writing of Three-Dimensional Photonic Crystals with a Complete Photonic Bandgap in Chalcogenide Glasses. Adv. Mater. 18, 26 (2006)
S. Wong, M. Deubel, F.P. Pérez-Willard, S. John, G.A. Ozin, M. Wegener, G. von Freymann
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Three-dimensional silicon inverse photonic quasicrystals for infrared wavelengths. Nature Materials 5, 942 (2006)
A. Ledermann, L. Cademartiri, M. Hermatschweiler, C. Toninelli, G.A. Ozin, D.S. Wiersma, M. Wegener, G. von Freymann
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Highly Selective Wet Etch for High Resolution Direct Laser Writing of Threedimensional Nanostructures in Arsenic Sulfide All Inorganic Photoresist. Chemistry of Materials 19, 4213 (2007)
S.H. Wong, P. Brodersen, M. Thiel, D. Fenske, G.A. Ozin, M. Wegener, G. von Freymann
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Optische Anordnung und ihre Verwendung. Patent Nr. 10 2007 032 181
A. Ledermann, M. Wegener, G. von Freymann
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Polarization stop bands in chiral polymeric three-dimensional photonic crystals. Adv. Mater. 19, 207 (2007)
M. Thiel, M. Decker, M. Deubel, M. Wegener, S. Linden, G. von Freymann
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Spatially localized photoluminescence at 1.5 micrometers wavelength in direct laser written 3D structures. Advanced Materials 20, 4097 (2008)
S. Wong, O. Kiowski, M. Kappes, J. Lindner, N. Mandal, F.C. Peiris, G.A. Ozin, M. Thiel, M. Braun, M. Wegener, G. von Freymann
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Multiple scattering of light in three-dimensional photonic quasicrystals. Opt. Express 17, 1844 (2009)
A. Ledermann, D.S. Wiersma, M. Wegener, and G. von Freymann
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Three-dimensional bi-chiral photonic crystals. Adv. Mater. 21, 4680 (2009)
M. Thiel, M.S. Rill, G. von Freymann, and M. Wegener
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Fabrication and characterization of silicon woodpile photonic crystals with a complete bandgap at telecom wavelengths. Opt. Lett. 35, 1094 (2010)
I. Staude, M. Thiel, S. Essig, C. Wolff, K. Busch, G. von Freymann, and M. Wegener
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Rhombicuboctahedral three-dimensional photonic quasicrystals. Adv. Mater. 22, 2363 (2010)
A. Ledermann, M. Wegener, and G. von Freymann
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Waveguides in three-dimensional photonic-band-gap materials by direct laser writing and silicon double inversion. Opt. Lett. 36, 67 (2011)
I. Staude, G. von Freymann, S. Essig, K. Busch, and M. Wegener
