Selbstorganisation von Kunststoff-Kugeln kann Fertigungsprozess für Metamaterialien beschleunigen und die Kosten senken

Maske aus Kunststoff-Kügelchen

Leuven (Belgien) - Wer photonische Kristalle für Licht-Chips, perfekte Linsen ohne Abbildungsfehler und gar Tarnkappen für ausgewählte Spektralbereiche bauen will, braucht so genannte Metamaterialien. Doch die hochsymmetrischen und feinen Strukturen dieser optischen Werkstoffe lassen sich bislang nur sehr aufwändig fertigen. Einfacher könnte es in Zukunft mit einem Selbstorganisation-Prozess gehen, den belgische Nanoforscher nun entwickelt haben. Ihr Verfahren stellen sie in einer Vorabveröffentlichung in der Datenbank Arxiv zur Diskussion.

Kristof Lodewijks und seine Kollegen von der Katholischen Universität Leuven hatten sich zum Ziel gesetzt, ein Metamaterial mit einem negativen Brechungsindex im Infrarot-Bereich schneller als bisher möglich zu produzieren. Dazu ließen sie winzige Kügelchen aus Polystyrol mit Durchmessern von einem halben Millionstel Meter auf eine Oberfläche rollen. Selbstständig lagerten sich die Partikel zu einer symmetrischen Anordnung zusammen. Darauf fixierten die Wissenschaftler durch ein kurzes Aufheizen auf 100 Grad Celsius diese Kugelfläche.

So erhielten sie eine Maske, deren regelmäßiges Kugelmuster mit lithografischen Verfahren auf einen hauchdünnen Gold-Siliziumdioxid-Gold-Stapel übertragen werden konnte. Mit einer Lochgröße von 270 Nanometern zeigte dieses hexagonal-netzartige Metamaterial im Wellenlängenbereich zwischen 800 und 1100 Nanometern den erwarteten negativen Brechungsindex.

Prinzipiell lassen sich mit dieser Methode großflächige Metamaterialien mit variabler Lochgröße für verschiedene Wellenlängenbereiche produzieren. Über die Selbstorganisation der Polystyrol-Kügelchen könnte die Fertigung in Zukunft schneller und günstiger erfolgen und damit den Weg zu wirtschaftlichen Anwendungen dieser optischen Multitalente ebnen.