In dieser Arbeit werden die genaueren Eigenschaften von photonischen Kristallen erörtert und deren Herstellung mittels Zwei-Photonen-Polyermisation am Nano 3D Druckgerät der Hochschule München thematisiert.
Photonische Kristalle verfügen über die Fähigkeit, Einfluss auf die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung zu nehmen, was sie für eine Vielzahl von Anwendungen interessant macht. Wegen der Skalierbarkeit der Kristalldimensionen ist zudem die Einflussnahme für einen nahezu unbegrenzten Anteil des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung möglich. Dieser wird nur durch den Entwicklungsstand der Herstellungsverfahren beschränkt, welche die realisierbaren Ausmaße der Kristalle vorgeben.
In der Natur kommen ebenfalls photonische Kristalle vor, beispielsweise entstehen die schillernden Farben von Opalen oder Schmetterlingsflügeln nicht etwa aufgrund von eigenen Farbpigmenten, sondern durch periodische Strukturen welche die farbigen Lichtreflexionen hervorrufen.
Für die Industrie sind die Eigenschaften photonischer Kristalle vor allem in der Chip-Konstruktion interessant, in der Hoffnung elektronische Datenverbindungen durch photonische Lichtleiter ersetzen zu können. Aufgrund ihrer optischen Eigenschaften sind photonische Kristalle vielversprechend für den Aufbau von Grundelementen wie optischen Transistoren. Photonische Kristalle als integrierte photonische Schaltkreise hätten gegenüber ihren elektrischen Gegenstücken, den bisherigen Mikrochips, den Vorteil einer hundert- bis tausendfachen Geschwindigkeitsverbesserung. Ebenfalls möglich wäre die Verwendung von dreidimensionalen photonischen Kristallen als Frequenz-, Richtungs- oder Polarisationsfilter oder zweidimensionalen Kristallen als neuartige optische Fasern.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Mikro und Nano 3D-Druck
2.1 Elektronenstrahl Lithografie
2.2 Optische Laser Lithografie
2.2.1 Zwei-Photonen-Polymerisation
2.2.2 Fotoresists
2.2.3 Direct Laser Writing
2.2.4 Auflösungsvermögen
3 Photonische Kristalle und ihre Eigenschaften
3.1 Mathematische Grundlagen
3.1.1 Maxwellgleichungen
3.1.2 Skalierbarkeit der Maxwellgleichungen
3.1.3 Periodizität und Bandstrukturen
3.2 Eindimensionale Photonische Kristalle
3.3 Zweidimensionale Kristalle
3.4 Dreidimensionale Kristalle
3.4.1 Yablonovite Struktur
3.4.2 Woodpile Struktur
4 Experiment
4.1 Laboraufbau und genereller Druckablauf
4.1.1 3D Lithografiesystem
4.1.2 IP-Dip
4.1.3 Software
4.2 Herstellung der Kristalle und Ergebnisse
4.2.1 Erste Modelle
4.2.2 Zweidimensionale Strukturen
4.2.3 Woodpile Konstruktionen
4.2.4 Ergebnisse und Disskussion
5 Fazit
A Berechnungen, Messungen und weiterführende Informationen
A.1 Bandlückenberechnung
A.2 Messungen
A.3 Weitere Informationen
A.3.1 GWL Programmierung
A.3.2 Weitere Beobachtungen
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die experimentelle Herstellung von dreidimensionalen photonischen Kristallen unter Verwendung von Zwei-Photonen-Polymerisation an einem Nano 3D-Druckgerät. Das primäre Ziel besteht darin, die physikalischen Grenzen des Druckverfahrens zu evaluieren, um komplexe Strukturen mit vollständigen photonischen Bandlücken zu realisieren, die zur Manipulation von Licht im sichtbaren Spektrum geeignet sind.
- Grundlagen der Mikro- und Nano-3D-Drucktechnologien (insb. 2PP).
- Physikalische Eigenschaften und mathematische Beschreibung photonischer Kristalle.
- Aufbau und Konfiguration des Nano 3D-Lithografiesystems (Photonic Professional GT).
- Analyse und Diskussion der gedruckten Kristallstrukturen und auftretender Herausforderungen bei der Skalierung.
Auszug aus dem Buch
2.2.1 Zwei-Photonen-Polymerisation
In der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) nutzt ein transparentes Foto-Resist die nichtlineare Zwei-Photonen-Absorption. Hierbei nimmt ein Molekül zwei Photonen der gleichen Frequenz auf, wird dadurch auf ein höheres Energieniveau angehoben und polymerisiert. Das 2PP Verfahren basiert auf der Methode des direkten Laserschreibens, bzw. des Direct Laser Writing (DLW), wofür ein stark fokussierter Femtosekundenlaserstrahl angewandt wird [16]. Die Theorie der Zwei-Photonen-Absorption wurde bereits im Jahr 1929 von Maria Göppert-Mayer beschrieben, ein 2PP Prozess wurde 1997 von Maruo und Kawata entwickelt [17][16, S.121].
Die 2PP unterscheidet sich von anderen fotolithografischen Verfahren wie dem UV-Lithografieverfahren darin, dass die Energie zum Schließen der Energielücke zwischen dem Grundzustand S0 und dem angeregten Zustand S1 des Fotoinitiatormoleküls durch Absorption zweier Photonen statt einem erreicht wird. In dem Ein-Photon-Absorptions-Prozess hängt die Absorptionsrate linear von der Lichtintensität ab. Im Zwei-Absorptions-Prozess erfolgt die Photonenabsorption über ein virtuelles Zwischenniveau, das für nur wenige Femtosekunden erreicht wird. Daher ist die Absorptionsrate proportional zum Quadrat der Lichtintensität, weshalb von einer nichtlinearen Absorption gesprochen wird [16, S.120-122]. Durch die Zwischenstufe die nur durch das zweite Photon ausgelöste Polymerisation, wird im Unterschied zu dem Ein-Photon-Absorptions-Prozess nicht die vollständige belichtete Fläche polymerisiert. Die Polymerisation wird stattdessen auf einen lokalen Bereich begrenzt. Dieser lokale Bereich wird durch den Fokusbereich des Laserpulses gebildet und als Voxel bezeichnet, und bildet damit das dreidimensionale Pendant zum zweidimensionalen Druck der Elektronenstrahl Lithografie. Der Begriff Voxel ist die Abkürzung für 'Volumen - Pixel' und beschreibt dementsprechend das Analogon zum Pixel [16, S.122]. Die schematische Darstellung der beiden Abläufe zeigt Abb. 2.3.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Dieses Kapitel motiviert das Thema Photonik und führt in die Bedeutung photonischer Kristalle sowie das Ziel der Arbeit ein.
2 Mikro und Nano 3D-Druck: Hier werden verschiedene Lithografieverfahren vorgestellt, mit Fokus auf das Zwei-Photonen-Polymerisationsverfahren (2PP).
3 Photonische Kristalle und ihre Eigenschaften: Dieses Kapitel erläutert die mathematischen Grundlagen und die Klassifizierung von photonischen Kristallen nach ihrer Dimensionalität.
4 Experiment: Dieser Teil beschreibt den Versuchsaufbau, die Software zur Ansteuerung des 3D-Druckers sowie die erzielten Druckergebnisse und deren Diskussion.
5 Fazit: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet die Erreichbarkeit vollständiger Bandlücken mit dem verwendeten System.
Schlüsselwörter
Photonische Kristalle, Zwei-Photonen-Polymerisation, 2PP, Nano 3D-Druck, Lichtmanipulation, Bandlücke, Woodpile Struktur, Lithografie, Fotopolymerisation, Voxel, Optik, Nanostrukturierung, Mikrofabrikation, Photonik, additive Fertigung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Herstellung und Untersuchung von photonischen Kristallen mittels 3D-Nano-Druck.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf den physikalischen Grundlagen der Photonik, den technischen Prozessen des 3D-Drucks im Submikrometerbereich und der Analyse der optischen Eigenschaften gedruckter Kristalle.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Evaluierung der Möglichkeiten und Grenzen der Zwei-Photonen-Polymerisation zur Erzeugung von Strukturen, die eine vollständige photonische Bandlücke aufweisen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine experimentelle Methode verfolgt, die CAD-Konstruktionen, die Ansteuerung eines spezifischen 3D-Nano-Druckers (DiLL-Verfahren) und die mikroskopische Analyse der Ergebnisse umfasst.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Einführung in lithografische Druckverfahren, die physikalische Theorie photonischer Kristalle sowie die detaillierte Dokumentation des experimentellen Druckvorgangs inklusive der Fehleranalyse.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren diese Arbeit?
Wichtige Begriffe sind insbesondere Zwei-Photonen-Polymerisation, photonische Bandlücken, Woodpile-Geometrie und Nanostrukturierung.
Warum konnte in der Arbeit keine vollständige Bandlücke nachgewiesen werden?
Dies ist primär auf den zu niedrigen Brechungsindexkontrast des verwendeten Photolacks (IP-Dip) in der gewählten Geometrie zurückzuführen.
Welche Rolle spielt das Phänomen der Interferenzen bei den gedruckten Proben?
Interferenzeffekte sind für die bei der mikroskopischen Betrachtung sichtbare farbliche Erscheinung der Proben verantwortlich, wobei diese jedoch von der Neigung der Probe abhängt.
- Citar trabajo
- Tobias Wulff (Autor), 2019, Herstellung von Photonischen Kristallen am Nano-3D-Druckgerät, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/507598
