Mit herkömmlichen Verfahren können hochpräzise Nanostrukturen auf photonischen Bauteilen derzeit nur bis zu einer Größe von 30 Zentimetern hergestellt werden. Thüringer Forschende arbeiten nun an der Entwicklung einer neuen Maschine, die Nanostrukturen künftig auf bis zu einem Quadratmeter Ausdehnung realisieren kann – und das mit einer Positionierungsgenauigkeit, die kleiner als ein Atom ist. Das Entwicklungsvorhaben zur 3D-Nanolithographie- und Nanomessmaschine wird im Rahmen des DFG-Programms Neue Geräte für die Forschung umgesetzt. Die DFG fördert das Projekt mit rund vier Millionen Euro, berichtet das Fraunhofer IOF.
Thüringer Forschende wollen eine neue 3D-Nanolithographie- und Nanomessmaschine (kurz: 3D-NLM-Maschine) entwickeln, die künftig Bearbeitungen und Messungen von photonischen Bauteilen mit Abmessungen von bis zu 1 × 1 × 0,2 Metern ermöglichen soll. Das ist etwa dreimal so groß, wie es mit bisherigen Verfahren möglich ist. Die dafür erforderliche Entwicklungsarbeit haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF aus Jena sowie des Instituts für Angewandte Physik (IAP) der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Technischen Universität Ilmenau nun im Rahmen eines von der DFG geförderten Projekts aufgenommen.
Hochpräzise Nanostrukturierung in neuer Größenordnung
Dass es Maschinen zur Strukturierung für großflächige Bauteile gibt, ist zunächst nichts ungewöhnliches, sagt Prof. Uwe Zeitner, zuständiger Projektleiter am Fraunhofer IOF. Viele moderne TV-Geräte hätten Displays, in denen Nanotechnologie stecke. Aber die sind lange nicht so genau, wie wir sie an verschiedenen Stellen in der Wissenschaft benötigen. Für wissenschaftliche Anwendungen seien hochpräzise Nanostrukturierungen nötig. Mit herkömmlichen Technologien könnten solche Strukturen mit der erforderlichen Präzision derzeit nur auf photonischen Bauteilen und Komponenten mit einer Größe von bis circa 30 Zentimetern Ausdehnung hergestellt werden. Für viele Felder der Zukunftsforschung – darunter die Fusions- oder auch die Gravitationswellenforschung – brauchen wir deutlich großflächigere optische Bauteile, zum Beispiel nanostrukturierte Hochleistungsspiegel mit einem Meter Durchmesser bei gleichzeitig allerhöchster Präzision in der Lichtreflexion.
Diese Präzision ist, neben der Größenskalierung, der Clou der geplanten Maschine: Die Forschenden wollen Zeitner zufolge Nanostrukturen realisieren, die eine Genauigkeit der Positionierung über diese Fläche von bis zu zwanzig Pikometern ermöglichen. Zum Vergleich: Ein Pikometer entspricht einem Billionstel eines Meters. Ein Pikometer ist damit etwa hundertmal kleiner als der Durchmesser eines Atoms.
Forschungsziele sind nach Aussage von Zeitner Entwicklung und Aufbau einer hochmodernen und weltweit einzigartigen Maschine, mit deren Hilfe in Zukunft neue optische Hochleistungskomponenten an der Grenze des technisch Machbaren hergestellt werden können. Dafür stellen wir an die neue Maschine diese besonderen Genauigkeitsanforderungen. Wir streben neben der bereits erwähnten Positionsgenauigkeit maximale Strukturierungsabweichung von weniger als zehn Nanometern auf einer dreidimensionalen Fläche im Umfang von einem Quadratmeter an.
Visualisierung eines photonischen Bauteils mit einer beispielhaften Nanostruktur, hier vergrößert dargestellt durch eine Elektronenmikroskop-Aufnahme (© Fraunhofer IOF)
Nanolithographie aus Jena, Positionierung und Messtechnik aus Ilmenau
Um diese enormen geometrischen Abmessungen realisieren zu können, müssen eine ganze Reihe originärer Ansätze zum Einsatz kommen. Diese sind laut Zeitner in dieser komplexen Art weitestgehend einzigartig und bilden die langjährige und umfassende Expertise aller beteiligten Partner ab. Das Fraunhofer IOF sowie das IAP aus Jena bringen in die Entwicklungsarbeit hochentwickelte Verfahren für die 3D-Nanolithographie ein, während die TU Ilmenau ihre Expertise in der extrem genauen Nanopositionier- und Nanomesstechnik beisteuert.
Einsatz in der Fusions- und Gravitationswellenforschung
Besondere Einsatzpotentiale für die neue Maschine liegen in der Herstellung von großflächigen photonischen Komponenten für die Energie- und Fusionsforschung sowie in der Gravitationswellenforschung. In beiden Bereichen setzt das Fraunhofer IOF schon heute vielfältige Arbeiten um: So wurden zum Beispiel für das geplante Einstein-Teleskop, den bisher präzisesten Gravitationswellendetektor, hochempfindliche Sensoren am Institut entwickelt und gefertigt. Für die Laserfusion werden indes hochreflektierende und robuste Beschichtungen erforscht. Dies macht die geplante Maschine und die perspektivische Bereitstellung weiterer photonischer Hochleistungskomponenten für die Thüringer Forschenden besonders anschlussfähig.
Maschine soll ab 2032 am Fraunhofer IOF einsatzbereit sein
In der ersten Projektphase, die auf drei Jahre angelegt ist, soll zunächst ein Gesamtkonzept erarbeitet werden. Auf dessen Grundlage werden wesentliche Teilsysteme entwickelt, aufgebaut sowie der Nachweis über die Erreichung der spezifizierten Parameter erbracht. Die vollständig einsatzbereite Maschine soll in voraussichtlich sechs Jahren am Fraunhofer IOF zur Verfügung stehen.
Kontakt
Prof. Dr. Uwe Zeitner, Fraunhofer IOF,
E-Mail: Uwe.Zeitner@iof.fraunhofer.de
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