Forskere udvikler metode til fremstilling af præcisionsdiffraktionsgitre

Forskere ved ETH Zürich har udviklet en metode til fremstilling af bølgede overflader med nanometerpræcision. I fremtiden kunne denne metode bruges, for eksempel, at gøre optiske komponenter til dataoverførsel på internettet endnu mere effektiv og kompakt.

Betydningen af ​​lysbaserede teknologier for vores samfund blev demonstreret endnu en gang i de seneste uger. Takket være internettet, millioner af mennesker kan arbejde eksternt, gå ind i virtuelle klasseværelser, eller tal med venner og slægtninge. Internettet, på tur, skylder sin magt til utallige lysimpulser, hvormed enorme mængder data sendes rundt om i verden via optiske fibre.

For at styre og kontrollere disse lysimpulser, forskellige teknologier anvendes. En af de ældste og vigtigste er diffraktionsgitteret, som afbøjer lys i forskellige farver i præcist bestemte retninger. I årtier, forskere har forsøgt at forbedre design og produktion af diffraktionsriste for at gøre dem velegnede til nutidens krævende applikationer. På ETH Zürich, en gruppe forskere under ledelse af David Norris, professor ved Institut for Mekanik og Process Engineering, har udviklet en helt ny metode, hvorved der kan fremstilles mere effektive og mere præcise diffraktionsgitre. De gjorde dette sammen med kolleger nu på University of Utrecht og virksomheden Heidelberg Instruments Nano, som blev grundlagt som ETH spin-off SwissLitho. Forskerne offentliggjorde resultaterne i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Interferens gennem riller

Diffraktionsgitre er baseret på interferensprincippet. Når en lysbølge rammer en rillet overflade, den er opdelt i mange mindre bølger, hver stammer fra en individuel rille. Når disse bølger forlader overfladen, de kan enten tilføje eller annullere hinanden, afhængigt af den retning, de rejser i, og af deres bølgelængde (som er relateret til deres farve). Dette forklarer, hvorfor overfladen på en cd, hvor data lagres i små riller, genererer en regnbue af reflekterede farver, når den er oplyst af hvidt lys.

For at et diffraktionsgitter skal fungere korrekt, skal dets riller have en adskillelse, der ligner lysets bølgelængde, som er omkring en mikrometer - hundrede gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. "Traditionelt set disse riller er ætset ind i overfladen af ​​et materiale ved hjælp af fremstillingsteknikker fra mikroelektronikindustrien, "siger Nolan Lassaline, en ph.d. studerende i Norris gruppe og første forfatter af undersøgelsen. "Det betyder, imidlertid, at rillerne på risten er temmelig firkantede i formen. På den anden side, fysikken fortæller os, at vi skal have riller med et glat og bølget mønster, som krusninger på en sø. "Riller lavet med traditionelle metoder kan, derfor, kun nogensinde være grove tilnærmelser, hvilket igen betyder, at diffraktionsgitteret vil styre lyset mindre effektivt. Ved at følge en helt ny tilgang har Norris og hans samarbejdspartnere nu fundet en løsning på dette problem.

Overflademønster med en varm sonde

Deres tilgang er baseret på en teknologi, der også har sit udspring i Zürich. "Vores metode er et oldebarn til scanningstunnelmikroskopet, som blev opfundet for næsten fyrre år siden af ​​Gerd Binnig og Heinrich Rohrer, som senere ville vinde Nobelprisen for deres arbejde, "siger Norris. I sådan et mikroskop, materialeoverflader scannes af den skarpe spids af en sonde med høj opløsning. Billederne fra en sådan scanning kan endda vise de enkelte atomer i et materiale.

Omvendt imidlertid, man kan også bruge den skarpe spids til at mønstre et materiale og dermed producere bølgede overflader. For at gøre det, forskerne opvarmer spidsen af ​​en scanningsprobe til næsten 1000 grader celsius og presser den ind i en polymeroverflade på bestemte steder. Dette får molekylerne i polymeren til at bryde op og fordampe på disse steder, tillader overfladen at blive præcist formet. På denne måde, forskerne kan skrive næsten vilkårlige overfladeprofiler punkt for punkt ind i polymerlaget med en opløsning på et par nanometer. Endelig, mønsteret overføres til et optisk materiale ved at deponere et sølvlag på polymeren. Sølvlaget kan derefter løsnes fra polymeren og bruges som et reflekterende diffraktionsgitter.

"Dette giver os mulighed for at producere vilkårligt formede diffraktionsgitre med en præcision på kun få atomiske afstande i sølvlaget, "siger Norris. I modsætning til traditionelle firkantede riller, sådanne riste er ikke længere tilnærmelser, men praktisk talt perfekt og kan formes på en sådan måde, at interferensen af ​​de reflekterede lysbølger skaber præcist kontrollerbare mønstre.

En række forskellige applikationer

Sådanne perfekte gitre muliggør nye muligheder for styring af lys, som har en række applikationer, siger Norris:"Den nye teknologi kan bruges, for eksempel, at bygge små diffraktionsgitre ind i integrerede kredsløb, hvormed optiske signaler til internettet kan sendes, modtaget og routet mere effektivt. "Lassaline tilføjer, "Generelt, vi kan bruge sådanne diffraktionsgitre til at lave stærkt miniaturiserede optiske enheder, såsom mikro-lasere på chip. "Disse miniaturiserede enheder, han siger, spænder fra ultratynde kameralinser til kompakte hologrammer med skarpere billeder. De lover en bred indflydelse på optiske teknologier såsom futuristiske smartphone -kameraer, biosensorer, eller autonom vision for robotter og selvkørende biler. "