Eine neue Studie eines Teams der Universität Twente und des e-Science Center in Amsterdam vergleicht die Lichtübertragung durch ein utopisches Modell mit einer realen 3D-Nanostruktur. Diese Nanostrukturen sind ein wesentlicher Bestandteil unserer Alltagstechnologien wie Smartphones und Solarzellen.
Die Forschung wurde von Lars Corbijn van Willenswaard, Stef Smeets, Nicolas Renaud, Matthias Schlottbom, Jaap van der Vegt und Willem Vos von der Universität Twente durchgeführt. Das Papier ist veröffentlicht im Journal Optik-Express.
Der innovative Ansatz des Teams nutzt die reale 3D-Nanostruktur selbst, die durch präzise Röntgenbildgebung gewonnen wurde, als Input für ihre optische Studie. Auf diese Weise konnten die Forscher die reale Nanostruktur direkt mit einem idealisierten oder „utopischen“ Modell vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die reale Nanostruktur im Gegensatz zum idealen Design eine starke Lichteinschränkung aufweist, die im utopischen Design völlig fehlt.
Chip-Vorhersagbarkeit
Die Vorhersagbarkeit von Geräten ist für Anwendungen von entscheidender Bedeutung, die von der Messtechnik für die Chipherstellung über intelligente Beleuchtung mit Leuchtdioden bis hin zur Atmosphärenbeobachtung mit Nanosatelliten reichen. Doch egal, wie teuer und gut ausgestattet die Anlage ist, bei der Nanofabrikation treten unvermeidliche Abweichungen auf.
Zwei nacheinander hergestellte Nanostrukturen sind bis auf die Anordnung der Atome nie exakt gleich, da sich beispielsweise die Fertigungsanlagen mit der Zeit langsam verändern. Letztlich verhindern Entropie und Chaos die Herstellung exakter Kopien, selbst wenn alle Anlagen perfekt funktionieren, was die Geräte weniger vorhersehbar macht.
Neue Gerätefunktionalitäten
Die Forschung des Teams aus Twente und Amsterdam verbessert nicht nur unser Verständnis dieser Abweichungen, sondern öffnet auch die Tür zu neuen Gerätefunktionen. Vos erklärt: „Es gibt große Unterschiede zwischen der realen und der utopischen Struktur. Während beispielsweise die utopische Struktur das Eindringen von Licht verhindert, weist die reale Struktur eine hohe Lichtenergiedichte auf (siehe Abbildung oben).
„Die tatsächliche Lichtverteilung weist ein besonderes Muster auf, bei dem das Licht daran gehindert wird, wie ursprünglich vorgesehen, nach rechts auszutreten. Das intensive und begrenzte Licht kann sogar für völlig neue Funktionen genutzt werden, beispielsweise für einen optischen Schalter oder einen Sensor.“
Weitere Informationen:
Lars J. Corbijn van Willenswaard et al., Nicht-utopische optische Eigenschaften berechnet aus einer tomographisch rekonstruierten realen photonischen Nanostruktur, Optik-Express (2024). DOI: 10.1364/OE.519464