Chinesische Wissenschaftler haben vor kurzem einen beispiellosen Durchbruch bei der Herstellungstechnologie für Terahertz-Metamaterialien erzielt, eine Entwicklung, die die Kostenstruktur wichtiger 6G-Komponenten revolutionieren und den Industrialisierungsprozess erheblich beschleunigen dürfte.
Terahertz-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht im Frequenzbereich von 0,1 bis 10 THz. Diese Wellen haben einzigartige physikalische Eigenschaften und ein breites Anwendungspotenzial in verschiedenen Bereichen, insbesondere in der Sicherheitsdetektion. Ihre Fähigkeit, eine drahtlose Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation mit einer theoretischen Bandbreite von Hunderten von Gbps (Gigabit pro Sekunde) und sogar Tbps (Terabit pro Sekunde) zu unterstützen, hat sie zu einer anerkannten Schlüsseltechnologie für die künftige 6G-Kommunikation gemacht.
Die Erzeugung von Terahertz-Wellen hat sich jedoch aufgrund des schwachen elektromagnetischen Verhaltens natürlicher Materialien in diesem Frequenzband als schwierig erwiesen. Um dieses Problem zu lösen, sind elektromagnetische Metamaterialien – künstlich hergestellte Materialien mit periodischen Resonanzeinheiten, die kleiner als die Wellenlänge sind – für den Bau von Terahertz-Funktionsgeräten wie Antennen und Filtern unverzichtbar geworden. Der Schlüssel zu ihrer Effizienz liegt in der rationalen Gestaltung der Resonanzeinheiten, einschließlich ihrer Form, Größe und räumlichen Anordnung, wodurch das elektromagnetische Verhalten erheblich verbessert und die Entwicklung der Terahertz-Technologie beschleunigt wird.
Die Herstellung dieser Metamaterialien basiert traditionell auf komplexen Mikro- und Nanofabrikationsmethoden wie Photolithographie, Elektronenstrahlbelichtung, Tiefenätzen von Silizium und Magnetron-Sputtern. Diese Verfahren erfüllen zwar die Präzisionsanforderungen, sind aber ineffizient, teuer und für die Massenproduktion ungeeignet. Darüber hinaus führt der Substratbedarf dieser Verfahren zu zusätzlichen dielektrischen Verlusten, die die Reaktion der Terahertz-Wellen schwächen und die Leistungsfähigkeit des Materials einschränken.
Um diesen wichtigen technischen Engpass zu überwinden, ist einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Zhong Shuncong von der Fuzhou Universität und Direktor des Fujian Provincial Key Laboratory of Terahertz Functional Devices and Intelligent Sensing kürzlich ein wichtiger technologischer Durchbruch gelungen. Dieser Durchbruch hat das Potenzial, die Landschaft der Kommunikations- und Sensorindustrie grundlegend zu verändern.
Im Mittelpunkt der Innovation steht der Einsatz von Femtosekundenlasern. Femtosekundenlaser, die ultrakurze Pulse von wenigen bis einigen hundert Femtosekunden Dauer aussenden, haben im Vergleich zu Dauerstrich- oder Langpulslasern sehr hohe Spitzenleistungen. Dank der Fortschritte in der Ultrakurzpulslasertechnologie hat sich das direkte Schreiben mit Femtosekundenlasern in der Mikro- und Nanostrukturbearbeitung aufgrund seiner Einfachheit, der geringen Anzahl erforderlicher Prozesse und der niedrigen Kosten weit verbreitet.
In ihrer jüngsten Veröffentlichung zeigen die Forscher, wie ein 10 Mikrometer dünner Metall-Aluminium-Film als perfektes Substrat für Metamaterialien verwendet werden kann. Die Flexibilität und Leitfähigkeit dieses Metallfilms machen ihn zu einem idealen Kandidaten für Anwendungen in flexiblen Geräten. Durch die präzise Kontrolle des Abtastweges und der Energieabgabe des Femtosekundenlasers auf der Oberfläche der Aluminiumfolie gelang es dem Team, ein flexibles Terahertz-Metamaterial herzustellen, ohne dass ein Substrat erforderlich war. Darüber hinaus entwarfen sie eine Hybridstruktur, die einen multimodalen Starkkopplungseffekt stimuliert und das Terahertz-Wellenverhalten des Metamaterials weiter verbessert.
Das direkte Schreiben mit Femtosekundenlasern umgeht herkömmliche komplexe Mikrobearbeitungsprozesse und bietet eine schnellere und kostengünstigere Möglichkeit zur Herstellung elektromagnetischer Metamaterialien. Dieser Durchbruch macht Masken überflüssig und reduziert Vorbereitungszeit und -kosten erheblich. Darüber hinaus minimiert die extrem kurze Pulsdauer des Lasers die Wärmeeinflusszone während der Bearbeitung und ermöglicht so eine „kalte Bearbeitung“ mit minimaler thermischer Schädigung des Materials.
Das Forschungsteam entwickelte ein komplettes Lichtleitsystem unter Verwendung eines Femtosekundenlasers mit einer zentralen Wellenlänge von 800 nm, einer Pulsbreite von 45 Femtosekunden und einer Wiederholfrequenz von 1 kHz. Die Energieabgabe des Lasers wurde präzise gesteuert, um einen optimalen Abtrag bei gleichzeitig hoher Bearbeitungsgenauigkeit zu gewährleisten. Um die Präzision des Laserfokus aufrechtzuerhalten und eine Kontamination durch Bearbeitungsrückstände zu vermeiden, verwendete das Team ein 50-faches Fokussierobjektiv zusammen mit einem Echtzeit-Erkennungssystem, das aus einer CCD-Kamera, einer koaxialen Lichtquelle und einem telezentrischen Objektiv besteht und eine präzise Positionierung und Überwachung ermöglicht.
Für die Probenbewegung verwendete das Team ein kommerziell erhältliches dreiachsiges lineares Verschiebetischsystem, das eine Positioniergenauigkeit im Nanometerbereich über einen Hub von 160 mm bietet. Mit einer Bewegungsauflösung von 1 bis 2 nm und einer Wiederholgenauigkeit der Positionierung von nur 25 bis 35 nm gewährleistete das System eine Bearbeitungsgenauigkeit im Mikrometerbereich.
Anschließend brachte das Team eine 10 Mikrometer dicke Metall-Aluminium-Folie auf einen skelettierten Probenkäfig auf und positionierte sie auf der Verschiebeplattform. Durch die Anpassung des Laserfokus und der Laserenergie auf etwa 150 Milliwatt und die sorgfältige Steuerung der Verschiebeplattform, die mit einer Geschwindigkeit von 200 Mikrometern pro Sekunde einem bestimmten Pfad folgte, gelang es ihnen, die entworfene Metamaterialstruktur auf die Aluminiumfolie zu ätzen und so ein substratfreies flexibles Metamaterial herzustellen.
Optisch-mikroskopische Untersuchungen der bearbeiteten Probe zeigten, dass die mit dem Laser gebrannten rechteckigen Löcher glatte Kanten, vollständige Strukturen und minimale Oberflächenablagerungen oder umgeschmolzene Schichten aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass der Femtosekundenlaser in der Lage ist, Metamaterialstrukturen mit hoher Präzision herzustellen. Im Vergleich zur konventionellen Lithografie, bei der oft mehrere Maskengrößen benötigt werden, vereinfachte diese Methode den Prozess und verkürzte den Präparationszyklus. Obwohl die Präzision des Femtosekunden-Laserschreibens geringer ist als die der konventionellen Mikro-Nano-Bearbeitung im Mikrometer- und Submikrometerbereich, erfüllt es die Genauigkeitsanforderungen für die Herstellung von Terahertz-Metamaterialien mit Eigenschaften im Bereich von zehn bis hundert Mikrometern voll und ganz.
Tests an präparierten Proben haben zudem gezeigt, dass Metamaterialien, die mit der Femtosekunden-Laserbearbeitung hergestellt wurden, im Gegensatz zur herkömmlichen siliziumbasierten Mikrobearbeitung keinen starren Siliziumträger benötigen. Diese Metamaterialien können als unabhängige Strukturen zerlegt, verformt und erweitert werden, wodurch sie für eine Vielzahl komplexer, variabler Oberflächenumgebungen geeignet sind. Diese Flexibilität ist ideal für reale Anwendungen in flexiblen Terahertz-Geräten.
Durch das direkte Schreiben mit dem Femtosekundenlaser und seine „kalten Bearbeitungseigenschaften“ ist es dem Forschungsteam gelungen, die Einschränkungen der traditionellen siliziumbasierten Mikrobearbeitung wie langsame Bildung, hohe Dickenbeschränkungen und Substrateffekte zu überwinden. Die daraus resultierende substratfreie Struktur, kombiniert mit der hohen Flexibilität, Korrosions- und Hitzebeständigkeit des Metallfilms, macht diese mit dem Femtosekundenlaser bearbeiteten metallischen Metamaterialien vielversprechend für Anwendungen in flexiblen Terahertz-Bauelementen. Darüber hinaus können durch die starken Kopplungseffekte zwischen mehreren Resonanzarten und das hybride Strukturdesign Herausforderungen wie niedrige Q-Werte in reinen Metallmetamaterialien angegangen werden, was tragbare Präparationslösungen und neue Designkonzepte für Terahertz-Geräte in den Bereichen Sensorik, Detektion und Modulation ermöglicht.
Dieser Durchbruch dürfte die Herstellungskosten von Schlüsselkomponenten für die künftige 6G-Kommunikation erheblich senken. Er birgt ein immenses Potenzial für die Förderung der praktischen Anwendung der Terahertz-Technologie in der Kommunikation und anderen Bereichen und könnte die Realisierung der 6G-Kommunikation erheblich vorantreiben.
Quelle: Xinhua, ECNS
