Was ist eine Metaoberfläche?

Metaoberflächen sind ultradünne, planare Metamaterialien im Nanobereich, die kleiner als die Wellenlänge von Licht sind. Metaoberflächen enthalten Nanostrukturen und Subwellenlängen-Funktionen die Phase, Polarisation und Amplitude einer einfallenden Lichtwelle verändern können. Obwohl der Bereich des sichtbaren Lichts im Vordergrund steht, können Metaoberflächen auch zur Manipulation von mittel- und langwelligen Infrarot-Wellenlängen in der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung angewendet werden.

Metamaterialien sind synthetische Materialien, die aus Bausteinen im Nanobereich bestehen, die als Meta-Atome bezeichnet werden und zu Säulen oder Zylindern angeordnet sind. Sie besitzen einzigartige Eigenschaften, die in natürlichen Materialien nicht zu finden sind. Metamaterialien werden verwendet, um optische, akustische und andere elektromagnetische Wellen zu manipulieren. Metamaterialien sind ein in den letzten Jahren schnell wachsendes Feld für fortschrittliche Werkstoffe und Nanophotonik.

Metalinsen (auch Metaoptiken genannt) sind eine spezielle Art von Metamaterial, die in verschiedenen optischen Komponenten zur Steuerung und Manipulation von Licht verwendet wird. Herkömmliche Optiken werden allmählich durch wesentlich kleinere optische Metaoberflächen ersetzt. Metalinsen sind flache Optiken, d. h. die Linsen und andere optische Komponenten, in denen sie verwendet werden, haben keine Krümmung.

Die Zylinder oder Säulen auf der Oberfläche von Metamaterialien und Metaoberflächen können das Verhalten verschiedener Wellen manipulieren und steuern. Die Säulen sind in periodischen Mustern angeordnet und ermöglichen es der Metaoberfläche, je nach Design auf unterschiedliche Weise zu interagieren.

Metaoberflächen gibt es in verschiedenen Formen und Größen, die alle aus verschiedenen Elementarzell-Bausteinen bestehen. Sie können je nach Anwendung und beabsichtigten optischen Eigenschaften der Metaoberfläche aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden.

Metamaterialien erhalten je nach Geometrie oder Materialzusammensetzung unterschiedliche Fähigkeiten. Einige Metamaterialien passen beispielsweise einfach die Lichtphase an, während andere die Lichtausbreitung unterstützen können.

Es gibt zwei Haupttypen von Metaoberfläche: dielektrisch und plasmonisch. Alle Metaoberflächen können verschiedene Nanostrukturen enthalten, um ihre topologischen und optischen Eigenschaften weiter anzupassen, wodurch Techniker*innen optische Geräte mit multifunktionalen Eigenschaften entwickeln können.

Dielektrische Metaoberflächen

Dielektrische Metaoberflächen sind Metaoberflächen mit hoher Brechzahldifferenz, bei denen Dielektrikum- oder Halbleitersäulen im Nanobereich mit quadratischen oder zylindrischen Querschnitten von Luft umgeben sind. Dielektrische Metaoberflächen haben tendenziell geringere Absorptionsverluste als plasmonische Metaoberflächen, da für sie Werkstoffe verwendet werden, die bei der betreffenden Wellenlänge transparent sind und sowohl sichtbare als auch infrarote Wellenlängen umfassen.

Einige der Werkstoffe, die bei der Herstellung von dielektrischen Metaoberflächen verwendet werden, sind:

• Silizium (Si)
• Siliziumnitrid (Si₃N₄)
• Germanium (Ge)
• Halbleiter der Gruppen III–V (GaAs, GaP usw.)
• Lithiumniobat (LiNbO₃)
• Titandioxid (TiO₂)
• Bariumtitanat (BaTiO₃)
• Halbleiter aus 2D-Werkstoffen (WS₂, GaSe usw.)

Plasmonische Metaoberflächen

Plasmonische Metaoberflächen sind metallisch-dielektrische Metaoberflächen, die plasmonische Nanopartikel oder plasmonische Nanostrukturen (wie Antennen) auf ihrer Oberfläche haben. Diese sind in Abständen angeordnet, die kleiner sind als die Freiraumwellenlänge oder die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle im Vakuum. Plasmonische Metaoberflächen verwenden Oberflächenplasmonen, die kollektive Bewegungen von Elektronen an der Grenze zwischen einem Metall und einem Dielektrikum (d. h. einem isolierenden Material) sind. Aufgrund ihrer Größe können Oberflächenplasmonen Techniker*innen helfen, Licht in sehr kleinem Umfang in Anwendungen wie Sensorik oder Bildgebung zu steuern und zu verwenden. Silber und Gold sind die beiden am häufigsten verwendeten Metalle, da ihre optischen Eigenschaften das Verhalten von Oberflächenplasmonen unterstützen.

Plasmonische Metaoberflächen ähneln photonischen Kristallen, bei denen das sich wiederholende Muster des Metamaterials steuert, wie sich elektromagnetische Wellen verhalten. Die Plasmonen auf der Oberfläche des Metamaterials bilden sich, wenn sich die freien Elektronen im Metall in Reaktion auf Licht zusammen bewegen. Wenn Licht auf das Metall trifft, wird ein Teil der Energie absorbiert und lässt die Elektronen oszillieren. Dieses Resonanzverhalten koppelt die Elektronen mit den Lichtwellen, wodurch sich die Welle entlang der metallisch-dielektrischen Grenzfläche selbsterhaltend ausbreiten kann.

Nanostrukturen auf Metaoberflächen

Neben dem sich wiederholenden Grundmuster, das die Elementarzelle der Meta-Atome definiert, können Metamaterialien eine Reihe speziell designter Nanostrukturen enthalten, die bei der Optimierung ihrer Eigenschaften helfen. Einige Beispiele hierfür aus der Praxis:

• Nanometerantennen auf der Oberfläche des Metamaterials. Diese winzigen Antennen können entweder gebogen oder gerade sein und ihre Form bestimmt, ob sie homogene oder nicht-lineare optische Eigenschaften aufweisen.
• In Graphen- oder Metallfilmen können kleine Rillen oder Öffnungen (sogenannte Nanomuster und Nanoschlitze) hergestellt werden, um das optische Feld zu verändern. Diese Merkmale verändern das Verhalten des Lichts, indem sie es eindämmen oder seine Intensität erhöhen.
• In einigen Fällen können mehrere Schichten nanostrukturierter Metamaterialien übereinandergelagert werden, um Reflexionen zu reduzieren und das Licht glatter durch das Material fließen zu lassen. Dieser Prozess wird als Impedanzanpassung bezeichnet.

Metaoberflächen-Geometrie mit drei Arten von Meta-Atomen (dreieckige, runde und quadratische Säulen)

Das Interesse an Metalinsen nimmt in verschiedenen Anwendungen und Branchen zu.

Sensorik

Sensorik ist der größte und breiteste Anwendungsbereich von Metalinsen, da sie aufgrund ihrer kompakten Größe und der multifunktionalen Eigenschaften von Metamaterialoptiken gut in einer Vielzahl von Anwendungen funktionieren. 

Techniker*innen, die mit Metalinsen arbeiten, können bestimmte Wellenlängen und Polarisationen des Lichts auswählen. Mithilfe von Metamaterialien können ultradünne Sensoren in Kameras und Smartphones integriert werden, wo einzelne Photonen erfasst werden können, um die Bildqualität zu verbessern und die Geräte mit Multifunktionalität anzureichern. Darüber hinaus können fortschrittliche Sensoren auf Metaoberflächenbasis im Verteidigungssektor sowohl Infrarot- als auch sichtbares Licht erkennen und Reflexionen mithilfe der Polarisation filtern. Die kompakte Größe von Metalinsen ist auch für medizinische Bildgebungsanwendungen wie Endoskope attraktiv, bei denen Miniatursensoren entscheidend dazu beitragen, dass Ärzte in das Innere des Körpers blicken können.

Automobilindustrie

Mehrere Anwendungen für Metaoberflächen entwickeln sich auch in der Automobilbranche. Ein Anwendungsfall, der sich direkt mit der Sensorik überschneidet, umfasst die Entwicklung fortschrittlicherer Lidar-Sensoren, die in fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen und autonomen Fahrzeugen oft verwendet werden. Die andere Hauptanwendung sind sehr kleine und flache Scheinwerfer, damit Autos Licht effizienter projizieren können.

Die Automobilindustrie hat Metaoberflächen noch nicht weitgehend angenommen, da es sich um einen stark regulierten Technologiebereich handelt und eine gleichbleibende Qualität aller Geräte erforderlich ist, abgesehen von der ohnehin schwierigen Herstellung ultrakleiner Metaoberflächen. Experten gehen jedoch davon aus, dass dies bald ein Bereich mit starkem Wachstum sein wird.

Bildgebung

Wie bei anderen Formen diffraktiver Optiken interagiert Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich mit Metalinsen. Die unterschiedlichen Interaktionen werden als chromatische Effekte bezeichnet. Diese Funktion ist für einige Bildgebungsanwendungen nützlich, bei denen es nützlich sein kann, bestimmte Farben herauszufiltern. Andererseits können starke chromatische Aberrationen bei Breitband-Bildgebungsanwendungen (d. h. bei Betrieb über mehrere Wellenlängen hinweg) unerwünscht sein. Dennoch ist die Entwicklung von Metalinsen mit Breitband-Bildgebungsfähigkeiten ein aktiver Forschungsbereich.

Ein Beispiel für Metaoberflächen-Anwendungen im medizinischen Bereich ist die Verbesserung der Auflösung und Klarheit von mit Endoskopen aufgenommenen Bildern. Metaoberflächen können eine Phasenverschiebung im einfallenden Licht bewirken, um Verzerrungen (sog. monochromatische Aberrationen) zu reduzieren und die Abbildungstiefe des Endoskops zu erweitern. Bei herkömmlichen Kamerasystemen können Metaoberflächen verschiedene Polarisationsmessungen innerhalb der Kamera in einem einzigen optischen Element kombinieren, wodurch der Bedarf an sperrigen Komponenten reduziert wird. Die Verwendung von Metaoberflächen in Kameras hat Potenzial für Anwendungen im Bereich maschinelles Sehen und Fernerkundung.

AR/VR

Neben anderen fortschrittlichen optischen Komponenten verbessern Metaoberflächen AR/VR-Headsets, da sie aufgrund ihrer dünnen, leichten und flachen Beschaffenheit ideal für die Projektion von Bildern in Headsets sind. Die Projektionen verwenden einen großflächigen Wellenleiter, auch Lichtleiter genannt, um Bilder auf das Auge zu lenken. Lichtleiter sind viel größer als die kleinen optischen Wellenleiter, die in der Breitbandkommunikation verwendet werden.

Sperrige optische Komponenten machen einen erheblichen Teil des Gewichts eines Headsets aus. Um dem Träger ein angenehmes Tragegefühl zu bieten, muss die Masse von AR/VR-Headsets so weit wie möglich reduziert werden, da zusätzliches Gewicht am Nacken des Trägers zieht. Metaoberflächen könnten helfen, das Gewicht dieser Headsets zu verringern.

Spektrometrie

Das stark chromatische Verhalten von Metalinsen und ihre kompakte Größe machen sie auf natürliche Weise für spektroskopische Anwendungen geeignet. Metaoberflächen können in optischen Spektroskopiegeräten für Charakterisierungs- und Diagnoseanwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und im medizinischen Bereich eingesetzt werden.

Techniker*innen, die Spektrometer designen, müssen häufig einen Kompromiss zwischen Auflösung und Gerätegröße eingehen, da die Fokussierelemente in Spektrometern optische Aberrationen verursachen können. Dünne und planare Metaoberflächen können dabei helfen, Linsen zu erstellen, die eine hohe Auflösung über eine breite Bandbreite erhalten und gleichzeitig die Größe des Spektrometers klein halten.

Metaoberflächen werden mit den gleichen Verfahren wie in der herkömmlichen Halbleiterfertigung designt, wie z. B. Lithografie, Ätzen und Bottom-Up-Abscheidung. Daher sind sie untereinander sehr kompatibel mit bestehenden Fertigungsverfahren, die in Fertigungsstätten verwendet werden. Aufgrund ihrer geringen Größe ist jedoch eine sehr genaue Vorlage erforderlich, um sicherzustellen, dass jede Charge von Metaoberflächen einheitlich ist, um eine hohe Leistung zu gewährleisten.

Die Erstellung von Prototypen für Metamaterialien ist eine schwierige, teure und zeitaufwändige Aufgabe. Jeder Metamaterial-Prototyp wird in kleinem Umfang hergestellt, daher ist die Produktion nicht immer wirtschaftlich vorteilhaft. Es gibt auch große Unterschiede zwischen den Arten von Metaoberflächen und den elektromagnetischen Wellen, mit denen sie funktionieren sollen. Beispielsweise besteht Interesse an Metamaterialien, die mit Wellenlängen des ultravioletten (UV) Lichts interagieren können, aber sie weisen tendenziell einen großen optischen Verlust auf, d. h. Verlust von Lichtintensität, wenn dieses durch ein Material wandert oder mit ihm interagiert. Darüber hinaus sind diese Arten von Metamaterialien schwieriger herzustellen als solche, die für sichtbare und infrarote Wellenlängen designt sind.

Verwendung von Simulation beim Design von Metaoberflächen

Eine der effektiveren Möglichkeiten, Metaoberflächen zu designen, ist die Verwendung von Simulation anstelle von mehreren Iterationszyklen für Prototypen. Dadurch wird die Anzahl der Prototypen reduziert, die vor der Fertigung benötigt werden.

Obwohl Metaoberflächen dünn sind, haben sie eine große Oberfläche mit vielen filigranen Merkmalen im Nanobereich. Dies führt zu hohen Berechnungskosten, die entweder Hochleistungs-Computing (HPC) oder GPU-Beschleunigung (Graphics Processing Unit) erfordern, um die Speicheranforderungen der Solver-Algorithmen zu bewältigen.

Die eigenständige Einrichtung dieser Hardware kann eine teure Aufgabe sein. Daher kann die Zusammenarbeit mit spezialisierten Softwareanbietern den Prozess erschwinglicher und praktischer machen. Für diejenigen, die bereits über die Hardware-Ressourcen verfügen, stehen Meta-Atom-Bibliotheken zur Verfügung, die Sammlungen von Säulenformen bieten, die hergestellt werden können. Dies erleichtert es Techniker*innen, vor der Fertigung robustere Designs intern zu entwickeln.

Verwendung von Ansys-Lösungen beim Design von Metaoberflächen

 Die größte Herausforderung beim Design von Metaoberflächen besteht darin, über verschiedene Größenmaßstäbe hinweg zu designen (d. h. Elementarzellen im Nanometermaßstab müssen in Optiken im Zentimetermaßstab eingefügt werden), und jeder Maßstab erfordert unterschiedliche Simulationsverfahren.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Metalinsen häufig starken chromatischen Aberrationen unterliegen. Das bedeutet, dass Metaoberflächen tendenziell nur mit ihrer vorgesehenen Wellenlänge funktionieren und bei Wellenlängen, für die sie nicht designt sind, eine schlechte Leistung erbringen. Das kann jedoch bei einigen Metalinsen-Designs von Vorteil sein, einschließlich derjenigen, die bei der Herstellung effizienter optischer Filter verwendet werden.

Einige Designs ermöglichen es Techniker*innen auch, Metalinsen mit schwächeren oder achromatischen Aberrationen zu erstellen, um unterschiedliche Wellenlängen auf denselben Brennpunkt zu bringen. In anderen Designs können Metaoberflächen die Fokussierung unterhalb der Beugungsebene erleichtern. Es werden mittlerweile abstimmbare Metalinsen mit Flüssigkristallen entwickelt. Es gibt also viele verschiedene Designerwägungen, die berücksichtigt werden müssen.

Ansys, Teil von Synopsys, bietet fortschrittliche elektromagnetische Wellen-Simulation (die Plattform Ansys Lumerical) und Raytracing-Software (die Software Ansys Zemax OpticStudio), die alle wellenlängenabhängigen Effekte von Metaoberflächen simulieren kann, bevor eine Entscheidung über das endgültige Design getroffen wird. Aufgrund der Kreuzkompatibilität dieser beiden Tools können Daten von der Plattform Lumerical in die Software OpticStudio importiert werden, um Informationen über alle Größenordnungen hinweg bereitzustellen. Auf diese Weise können beide Simulationen dieselben Metaoberflächen-Daten verwenden, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse vor Beginn der Prototypenphase so robust wie möglich sind.

Die Berechnungskosten für die Simulation von Metaoberflächen sind hoch. Algorithmen für maschinelles Lernen tragen dazu bei, den Berechnungsaufwand für die Simulationen zu reduzieren. Anstatt jede Elementarzelle einzeln zu berechnen, fungiert ein trainiertes Metamodell als Ersatz für die Simulation, wodurch die Rechenanforderungen reduziert werden.

Maschinelles Lernen wird auch bei inversem Design eingesetzt – einem Prozess, der rückwärts arbeitet, indem zuerst die Materialstrukturen mit den gewünschten Eigenschaften identifiziert werden. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Designmethoden, bei denen zuerst mit dem Material begonnen und dann dessen Eigenschaften identifiziert werden. Inverses Design mit maschinellem Lernen identifiziert spezifische Materialstrukturen und Geometrien, die die erforderlichen Eigenschaften aufweisen, wodurch die Simulation kostengünstiger wird.

Maschinelles Lernen verbessert auch Metaoberflächen-Anwendungen. In der Bildgebung kann es zur Rekonstruktion von Bildern nach der Aufnahme verwendet werden, was im Vergleich zu herkömmlichen refraktiven Optiken eine wesentlich höhere Effizienz und Flexibilität bietet.

Wenden Sie sich noch heute an unser technisches Team, um mehr darüber zu erfahren, wie Simulation Design und Herstellung von fortschrittlicheren optischen Komponenten mit Metaoberflächen unterstützen kann.

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