Optische Beschichtung mittels Atomic Layer Deposition. Beschichtung nanostrukturierter Substrate und Adsorption von Flüssigkristallen an dünnen Schichten.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Comparative study of SiO2 thin films for optical applications. Optical Materials Express, 2016, 6, 660-670
K. Pfeiffer, S. Shestaeva, A. Bingel, P. Munzert, L. Ghazaryan, C. van Helvoirt, W. M. M. Kessels, U. Sanli, C. Grévent, G. Schütz, M. Putkonen, I. Buchanan, L. Jensen, D. Ristau, A. Tünnermann, A. Szeghalmi
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Materials Pushing the Application Limits of Wire Grid Polarizers further into the Deep Ultraviolet Spectral Range. Advanced Optical Materials 2016, 4, 1780-1786
T. Siefke, S. Kroker, K. Pfeiffer, O. Puffky, K. Dietrich, D. Franta, I. Ohlídal, A. Szeghalmi, E. B. Kley, A. Tünnermann
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Nanoporous SiO2 thin films made by atomic layer deposition and atomic etching. Nanotechnology, 2016, 27, 255603, (1-9)
L. Ghazaryan, E. B. Kley, A. Tünnermann, A. Szeghalmi
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“ Verfahren zur Herstellung optisch wirksamer Elemente”, erteilt 28.04.2016, DE 10 2015 203 307 B3
L. Ghazaryan, A. Szeghalmi, E. B. Kley
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Mechanical, structural, and optical properties of PEALD metallic oxides for optical applications. Applied Optics 2017, 56, C47-C59
S. Shestaeva, A. Bingel, P. Munzert, L. Ghazaryan, C. Patzig, A. Tünnermann, A. Szeghalmi
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Antireflection Coatings for Strongly Curved Glass Lenses by Atomic Layer Deposition. Coatings 2017, 7, 118 (1-12)
K. Pfeiffer, U. Schulz, A. Tünnermann, A. Szeghalmi
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Growth of Atomic Layer Deposited Ruthenium and its Optical Properties at Short Wavelengths Using Ru[EtCp]2 and Oxygen. Coatings 2018, 8, 413 (1-13)
R. Müller, L. Ghazaryan, P. Schenk, S. Wolleb, V. Beladiya, N. Kaiser, A. Tünnermann, A. Szeghalmi
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Tuning Material Properties of Oxides and Nitrides by Substrate Biasing during Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition on Planar and 3D Substrate Topographies. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 13158−13180
T. Faraz, H. C. M. Knoops, M. A. Verheijen, C. A. A. Helvoirt, S. Karwal, A. Sharma, V. Beladiya, A. Szeghalmi, D. M. Hausmann, J. Henri, M. Creatore, W. M. M. Kessels
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Antireflection coating with aesthetically neutral color consistency on complex shaped substrates prepared by atomic layer deposition. Optics Letters 2019, 44, 3270-3273
K. Pfeiffer, W. Dewald, A. Szeghalmi
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On the Properties of Nanoporous SiO 2 Films for Highly Efficient Single Layer Antireflection Coating. Advanced Engineering Materials 2019, 1801229 (1-10)
L. Ghazaryan, Y. Sekman, S. Schröder, C. Mühlig, I. Stevanovic, R. Botha, M. Aghaee, M. Creatore, A. Tünnermann, A. Szeghalmi
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Wide-angle broadband antireflection coatings by atomic layer deposition. ACS Applied Materials & Interfaces 2019, 11, 21887-21894
K. Pfeiffer, L. Ghazaryan, U. Schulz, A. Szeghalmi
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„Verfahren zur Herstellung einer porösen Brechzahlgradientenschicht“, erteilt 04.07.2019, DE 10 2016 103 093.7
L. Ghazaryan, A. Szeghalmi, E. B. Kley, U. Schulz
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„Verfahren zur Herstellung eines reflexionsmindernden Schichtsystems“, erteilt 18.07.2019, DE 10 2016 100 907 B4
L. Ghazaryan, A. Szeghalmi, E. B. Kley, U. Schulz
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Antireflection Coatings on PMMA Substrates by Atomic Layer Deposition (ALD). Coatings 2020, 10, 64 (1-13)
P. Paul, K. Pfeiffer, A. Szeghalmi
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Effect of electric field during deposition of silicon dioxide thin films by plasma enhanced atomic layer deposition: experimental and computational study. Nanoscale 2020, 12, 2089-2102
V. Beladiya, M. Becker, T. Faraz, W. M. M. Kessels, P. Schenk, F. Otto, T. Fritz, M. Grünewald, C. Helbing, K. D. Jandt, A. Tünnermann, M. Sierka, A. Szeghalmi
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Light scattering characterization of single layer nanoporous SiO 2 antireflection coating in VIS. Applied Optics 2020, 59, A143-A149
Y. Sekman, N. Felde, L. Ghazaryan, A. Szeghalmi, S. Schröder
