Metamaterialien

Nach dem bekannten Abbe-Limit ist die Auflösung eines Mikroskops dadurch begrenzt, dass mindestens zwei Beugungsordnungen  in das mikroskopische Objektiv fallen müssen. Aufgrund dieser Begrenzung stoßen herkömmliche optische Methoden bei der  Charakterisierung von nanostrukturierten Oberflächen, wie sie in der heutigen Halbleiterindustrie zum Standard geworden sind,  schnell an ihre Grenzen. Der Wunsch nach einem einfach anzuwendenden, zerstörungsfreien Abbildungssystem, das mit sichtbaren  Wellenlängen oder im nahen IR-Bereich arbeitet und höchstaufgelöste mikroskopische Abbildungen erzeugt, ist daher ungebrochen.  Entscheidend für die Umsetzung eines solchen Systems sind die theoretischen Untersuchungen von V. G. Veselago [1], der 1967 in  einer Veröffentlichung erstmals vorschlug, Materialien mit negativem Brechungsindex in der Optik einzusetzen. Durch eine negative  dielektrische Permittivität ε und magnetische Permeabilität µ würde laut Veselago auch die Brechzahl   negativ. Daraus resultiert unter  Anderem, dass der Poynting-Vektor S in die entgegengesetzte Richtung des Wellenvektors zeigt und dass das Dreibein aus k, H und E  linkshändig orientiert ist. Die Anwendungsgebiete, die durch Materialien mit negativem Brechungsindex entstehen sind vielfältig. Für das ITO sind die optischen Eigenschaften von Materialien mit negativem Brechungsindex besonders interessant, ermöglichen sie doch theoretisch eine perfekt abbildende Linse [2].

	Verhalten einer TM-Welle in einem Material mit negativem Brechungsindex		Perfekte Linse aus einem Material mit n=-1 nach J. B. Pendry Prinzip

Da Materialien mit negativem Brechungsindex in der Natur nicht existieren, müssen sie künstlich hergestellt werden. Für die Realisierung solcher, so genannter Metamaterialien kommen periodische Nanostrukturen in Frage, deren Periode deutlich unterhalb der Wellenlänge liegt. Für Anwendungen im sichtbaren Bereich liegen die Strukturgrößen in der Größenordnung von 100nm. Besonders vielversprechend zeigen sich hufeisenförmige „Split-Ring Resonatoren“ und „Doppel-Split-Ring Resonatoren“ sowie mäanderförmige Strukturen, die elektrische Resonatoren für optische Frequenzen darstellen.

Split-Ring Resonator		Doppel-Split-Ring Resonator		mäanderförmige Struktur

Derartige Metamaterialstrukturen könnten dazu verwendet werden, Informationen der evaneszenten Moden vom Nahfeld in das Fernfeld zu übertragen. Um ein vergrößertes Bild einer sub-λ-Struktur zu erhalten, ist es weiterhin notwendig, dem Metamaterial eine geometrische Überstruktur zu geben. Eine solche Überstruktur könnte eine gekrümmte Fläche, ähnlich einer gewöhnlichen Glaslinse, oder eine schiefe Ebene sein [3]. Ebenso denkbar sind Strukturen mit variabler Periode (ähnlich einer Fresnellinse) basierend auf mäanderartigen Metamaterialien. Optische Elemente, die weit besser als das Beugungslimit auflösen können, werden „Superlinsen“ genannt. Schaltet man eine solche „Superlinse“ vor ein geeignetes Lichtmikroskop, könnten sub-λ-Strukturen zerstörungsfrei und ohne Verwendung eines Rasterverfahrens abgebildet werden.  

Der Schlüssel zum physikalischen Verständnis der abbildenden Eigenschaften der Metamaterialstrukturen besteht darin, die Wechselwirkung der elektronischen Anregungen (Plasmonen) einer Metamaterialstruktur mit dem elektromagnetischen Feld mittels Simulation im Detail zu verstehen. Besonders geeignet sind rigorose Methoden, wie RCWA (Rigorous Coupled Wave Algorithm), die in der am ITO entwickelten Software MicroSim eingesetzt werden. Abbildende und vergrößernde Metamaterialstrukturen sollen am ITO entwickelt, simuliert und optimiert werden. Da die Berechnungen sehr komplex und langwierig sind, spielen außerdem Konvergenzverbesserungen zur Reduktion der Rechenzeit, insbesondere bei Metallstrukturen, eine wichtige Rolle. Die Funktion der Strukturen soll mittels optischer Messung überprüft und die ermittelten Parameter zur weiteren Verbesserung der Simulation verwendet werden.Das Ziel ist die Realisierung einer „Superlinse“ auf der Basis von Nanostruktur-Fabrikationsmethoden.