3D-Druck von photonischen Kristallen, die das Licht vollständig blockieren

Photonische Kristalle sind Materialien mit periodischen Strukturen die einzigartig mit Licht interagieren. Sie können Licht in bestimmten Wellenlängen blockieren was als „phototisches Bandgap“ bezeichnet wird. Diese Eigenschaft ermöglicht es Licht präzise zu steuern was Anwendungen in der Telekommunikation und Quantentechnologie eröffnet. Forschende haben nun eine Methode entwickelt photonische Kristalle 3D zu drucken die sichtbares Licht vollständig blockieren und somit ein großes Potenzial für technologische Innovationen bergen.

„Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, photonische Kristalle herzustellen, die das Licht im sichtbaren Bereich vollständig blockieren. Diese Kristalle könnten bei der ausgeklügelten 3D-Kontrolle des Lichtflusses, dem Verhalten von Ein-Photonen-Emittern und der Quanteninformationsverarbeitung zum Einsatz kommen“, erklärt Dr. Zhang Wang, SUTD-Forschungsstipendiat und Erstautor der Studie.

In einer aktuellen Studie, veröffentlicht in Nature Nanotechnology, haben Forschende aus Singapur und China unter der Leitung von Professor Joel Yang von der Singapore University of Technology and Design (SUTD) nun eine bahnbrechende Methode entwickelt, um 3D-Photonik-Kristalle mit einem vollständigen Bandgap im sichtbaren Bereich herzustellen. Die Forschenden nutzten dabei einen maßgeschneiderten Titanharz und druckten die Kristalle mithilfe der Zwei-Photonen-Polymerisationslithografie (TPL), einer Technik der additiven Fertigung.

„Es wird wegen seiner bleichenden Eigenschaften aufgrund der Lichtstreuung an Titandioxidpartikeln verwendet und ist in gängigen Konsumgütern wie Zahnpasta und Sonnencreme sowie in selbstreinigenden Oberflächen zu finden“, so Prof. Yang.

Während herkömmliche in TPL verwendete Harze meist organischer Natur und von geringem Brechungsindex sind, ermöglicht die Verwendung von Titandioxid, einem anorganischen Material mit hohem Brechungsindex, eine präzisere Kontrolle der Lichtmanipulation. Durch einen speziellen Heizprozess schrumpfen die gedruckten Strukturen auf bis zu ein Sechstel ihrer ursprünglichen Größe, wodurch ein Gitterabstand von nur 180 nm erreicht wird. Dies ermöglicht eine beispiellose Auflösung und das Auftreten eines vollständigen photonic bandgap im sichtbaren Spektrum.

„Die Struktur der Kristalle schrumpft während des Erhitzungsprozesses um etwa das Sechsfache, und ihr Abstand kann nach der Schrumpfung bis zu 180 nm betragen“, sagte Dr. Zhang. Die Teilung bezieht sich auf den Abstand zwischen verschiedenen Schichten innerhalb des gedruckten Kristalls; je kleiner die Teilung, desto besser die Auflösung.

Diese Entwicklung könnte weitreichende Auswirkungen auf Anwendungen wie die Lichtsteuerung, Quanteninformationsverarbeitung und Wellenleiter haben. Darüber hinaus bietet die Methode durch die Flexibilität des Druckprozesses die Möglichkeit, Strukturen gezielt für spezifische Anwendungen anzupassen, indem beispielsweise Defekte in die Kristalle eingeführt werden.

„Diese gemeinsame Studie hat die Grenzen der Materialwissenschaft und der Nanofabrikationsverfahren und -technologien erweitert“, fügt Prof. Yang hinzu. „Sie spiegelt auch die Mission der SUTD wider, verschiedene Disziplinen zu nutzen, um einen positiven Einfluss auf die Gesellschaft zu haben.“