Publicatie in Nature

Onderzoekers ontwikkelen golvende nano-oppervlakken voor betere optische componenten

Onderzoekers uit Utrecht en Zürich hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het produceren van golvende oppervlakken met nanometer-precisie, waarmee bijvoorbeeld snellere glasvezelverbindingen en dunnere cameralenzen gemaakt kunnen worden. De wetenschappers publiceren hun resultaten vandaag in Nature. De Utrechtse onderzoekers Freddy Rabouw en Sander Vonk waren verantwoordelijk voor het ontwerp en de analyse van de oppervlakken. Rabouw werkte in het onderzoeksteam bij ETH Zürich als NWO Rubicon-fellow, terwijl Vonk er stage liep voor zijn dubbele master Nanomaterials en Experimental Physics.

Diffractierooster geproduceerd met een hete scannaald
Illustratie 1: Diffractierooster geproduceerd met een hete scannaald (elektronenmicroscopiebeeld). De rode lijn toont het oppervlakteprofiel van het rooster. (Foto: ETH Zürich / Nolan Lassaline)

Veel optische toepassingen, zoals dataoverdracht via glasvezel, maken gebruik van diffractieroosters: nanoroosters die verschillende kleuren licht in nauwkeurig bepaalde richtingen reflecteren. Al tientallen jaren proberen wetenschappers het ontwerp en de productie van deze diffractieroosters te verbeteren om ze beter geschikt te maken voor veeleisendere toepassingen. Daarin zijn de onderzoekers uit Zürich en Utrecht nu geslaagd, samen met het bedrijf Heidelberg Instruments Nano. Ze ontwikkelden een compleet nieuwe methode voor de productie van efficiëntere en nauwkeurigere diffractieroosters.

De diffractieroosters worden geproduceerd door het aanbrengen van een patroon in een polymeerlaag (groen) met een hete scansonde. Vervolgens wordt een zilverlaag (grijs) afgezet, die uiteindelijk met een glasplaatje (blauw) wordt losgemaakt.
Illustratie 2: De diffractieroosters worden geproduceerd door het aanbrengen van een patroon in een polymeerlaag (groen) met een hete scansonde. Vervolgens wordt een zilverlaag (grijs) afgezet, die uiteindelijk met een glasplaatje (blauw) wordt losgemaakt

Van hoekige groeven tot golvende nanorimpels

De groeven op een diffractierooster hebben een afstand vergelijkbaar met de golflengte van het licht, oftewel honderd keer smaller dan een mensenhaar. Momenteel worden deze groeven geëtst met productietechnieken uit de microelektronica-industrie, vertelt eerste auteur Nolan Lassaline. “Hierdoor zijn de groeven van het rooster vrij hoekig van vorm. De natuurkunde leert ons echter dat groeven met een golvend patroon, zoals rimpelingen op een meer, het licht efficiënter kunnen sturen.”

Hete sonde

De onderzoekers slaagden erin om zulke vloeiend golvende nanorimpels te maken met een techniek gebaseerd op de scanning tunnelling microscoop, die met een scherpe naald op hoge resolutie materiaaloppervlakken scant. De onderzoekers verhitten de punt van de naald tot bijna 1000 graden Celsius en drukken deze op bepaalde plaatsen in het oppervlak van een polymeer. Hierdoor breken de moleculen van het polymeer op die plaatsen uiteen en verdampen ze. Zo kan het oppervlak heel nauwkeurig worden bewerkt.

Het polymeer functioneert dan als een soort mal voor het optische materiaal: de onderzoekers vormen hieruit een reflecterend diffractierooster door zilver op het polymeer aan te brengen en weer los te maken.

Een tweedimensionaal diffractierooster met een golvend oppervlak, geproduceerd met behulp van de nieuwe techniek (elektronenmicroscopiebeeld).
Een tweedimensionaal diffractierooster met een golvend oppervlak, geproduceerd met behulp van de nieuwe techniek (elektronenmicroscopiebeeld).

Praktisch perfect

“Hiermee kunnen we diffractieroosters in allerlei vormen produceren, met een precisie van slechts enkele atoomafstanden”, aldus onderzoeksleider Prof. David Norris. In tegenstelling tot de traditionele hoekige groeven zijn deze roosters niet langer benaderingen van een ideaal oppervlak, maar zijn ze praktisch perfect. Zulke perfecte roosters creëren nieuwe mogelijkheden om licht heel precies te sturen.

Daarmee hebben ze een scala aan mogelijke toepassingen, zoals efficiëntere glasvezel voor dataoverdracht, ultradunne cameralenzen en compacte hologrammen met scherpere beelden. De onderzoekers voorzien een brede impact op optische technologieën, zoals futuristische smartphonecamera’s, biosensoren of autonoom zicht voor robots en zelfrijdende auto's.

Publicatie

Optical Fourier surfaces
N. Lassaline, R. Brechbühler, S.J.W. Vonk*, K. Ridderbeek, M. Spieser, S. Bisig, B. le Feber, F.T. Rabouw*, D.J. Norris
Nature 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2390-x

* onderzoekers verbonden aan de Universiteit Utrecht

Onderzoekers in een videomeeting
Het onderzoeksteam in een videovergadering, met UU’ers Freddy Rabouw (linksonder) en Sander Vonk (rechtsonder)