Wunschziel Unsichtbarkeit
Will man Tarnvorrichtungen entwickeln, so braucht man vorher neu entwickelte Metamaterialien, synthetische Verbundwerkstoffe mit Eigenschaften, wie sie normalerweise nicht in der Natur zu finden sind. Dazu zählen Materialien mit negativem Brechungsindex (negative index material, NIM), deren negativer Brechungsindex das Licht in die entgegengesetzte Richtung krümmt, die zu erwarten wäre, wenn es von einem Material zum nächsten übergeht. Erstmals demonstrierte man 2007 derartige Metamaterialien im sichtbaren Bereich und ging danach in das Rennen um eine Großserienfertigung großflächiger Materialien, insbesondere in 3D. Das ehrgeizige EU-finanzierte Projekt "Large area fabrication of 3D negative index metamaterials by nanoimprint lithography" (NIM_NIL) ging über den Stand der Technik hinaus, um die europäische Position auf dem Gebiet der optischen Bauelemente zu halten. Die Entdecker nutzten Silber und Graphen, um Materialien mit negativem Brechungsindex für den sichtbaren Bereich erzielen. Sie wählten die Nanoprägelithografie (nanoimprint lithography, NIL) aus, um die maßstabsgerechte Vergrößerung der Produktionsprozesse für die Massenfertigung zu ermöglichen. Die Nanoprägelithografie ist ein Verfahren zum Prägen nanostrukturierter Materialien mit hohem Durchsatz mittels mechanischer Verformung mit großer Präzision und zu geringen Kosten. Die Forscher gewannen Erkenntnisse durch Simulationen und entwarfen eine Vielzahl von Materialien mit negativem Brechungsindex sowie mikrooptische Bauelemente. Sie fertigten die NIL-Stempel mit Strukturgrößen bis hin zu 50 Nanometern (nm) sowie mikrooptische 3D-Strukturen zur Realisierung von NIM-Prismen. Um Materialien mit negativem Brechungsindex im sichtbaren Bereich zu realisieren, wählten die Forscher Silber aus, das bearbeitet wurde, um die Stabilität und die optische Antwort zu verbessern. Mit dem Einsatz von Graphen auf den Silberstrukturen konnte die Stabilität weiter erhöht werden. Man stapelte optimierte Einzelschicht-NIMs, wobei erneut ein Verfahren auf Grundlage der Nanoimprägelithografie verwendet wurde, um zu Materialien mit negativem Brechungsindex in 3D zu gelangen. Zum Ende lieferten die NIM_NIL-Wissenschaftler ein mikrooptisches 3D-NIM-Prisma aus Schichten von NIM-Materialien, die mittels skalierbarer Nanoimprägelithografie hergestellt wurden, und eine negative Brechung im sichtbaren Lichtregime aufweisen. Die Resultate von NIM_NIL eröffnen die Möglichkeit der Massenproduktion großflächiger Materialien mit negativem Brechungsindex in 3D. Zu dieser Entwicklung gehört die vielversprechende Realisierung von Tarnvorrichtungen, perfekten Linsen und der Vergrößerung von Bauelementen unterhalb der Beugungsgrenze.