Optical programming of infrared phase-change material metasurfaces

• Optisches Programmieren von infraroten Phasenwechselmaterial-Meta-Oberflächen

Heßler, Andreas; Taubner, Thomas (Thesis advisor); Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Infrarotes Licht ist allgegenwärtig in der modernen Technik, von Telekommunikation über Wärmebildgebung hin zu medizinischer Diagnostik. Optische Instrumente für infrarotes Licht, wie z.B. Spiegelobjektive, sind sperrig und haben nur eine bestimmte Funktion. Es werden aber zunehmend kompakte optische Komponenten mit mehreren integrierten, rekonfigurierbaren Funktionen benötigt, z.B. für die Mobilfunktechnologie oder das autonome Fahren. Nanometerdicke, aktive Meta-Oberflächen, die auf Phasenwechselmaterialien (PCM) basieren, haben sich als vielversprechend für die Realisierung solcher Geräte erwiesen. Sie bestehen aus periodisch angeordneten Antennen in Subwellenlängengröße (Meta-Atome genannt). Das PCM in oder um die Antennen kann zwischen seinen amorphen und kristallinen (meta-)stabilen Phasen umgeschaltet werden. Die entsprechende drastische Änderung des Brechungsindex des PCM verschiebt die Resonanz der Antennen spektral. In der Regel werden mehrere Betriebszustände erreicht, indem das gesamte PCM auf der Meta-Oberfläche gleichmäßig geschaltet wird. Für programmierbare Meta-Oberflächen mit frei veränderbaren Funktionalitäten ist jedoch die Fähigkeit erforderlich, die Lichtamplitude und -phase jedes einzelnen Meta-Atoms unterschiedlich verändern zu können. In dieser Arbeit werden daher Konzepte für die Programmierung von infraroten PCM-Meta-Oberflächen durch lokales optisches Schalten mit einem fokussierten Laser entwickelt und experimentell realisiert. Zunächst wird die lokale optische Adressierung einzelner Meta-Atome eingeführt und an Aluminium-Nanostab-Antennenfeldern demonstriert, die mit einer 75 nm-dicken Schicht des PCM Ge3Sb2Te6 (GST) bedeckt sind. Die gleichzeitige Kontrolle über Größe, Position und Kristallisierungstiefe des geschalteten PCM-Volumens wird verwendet, um die Resonanzen der Antennen um mehr als eine Resonanzbreite (FWHM) von etwa 5 µm auf 6 µm Wellenlänge zu verschieben. Anschließend wird diese Technologie auf dielektrische, infrarote Huygenssche Meta-Oberflächen angewendet, bei denen jedes Meta-Atom aus einer Scheibenantenne mit einem Germaniumkern besteht, der von zwei 70 nm dicken GST-Schichten umgeben ist. Die Antennenresonanzen einzelner Antennen werden um bis zu 360 nm (1,8 FWHM) verschoben, was zu einer Änderung der Lichtphase um bis zu 0,8*2π bei einer durchschnittlichen Transmission von 50% führt. Damit werden unterschiedliche räumliche Lichtphasenverteilungen optisch auf der Metasurface kodiert. Schließlich wird das plasmonische PCM der nächsten Generation In3SbTe2 (IST) vorgestellt. Seine Fähigkeit, im infraroten Spektralbereich zwischen dielektrischen und metallischen optischen Eigenschaften zu wechseln, ermöglicht völlig neue Mechanismen der Resonanzverschiebung. Das direkte optische Schreiben, Löschen und Rekonfigurieren von plasmonischen Antennen in einer 50 nm dicken IST-Schicht wird demonstriert. Mit dieser Technologie lassen sich elektrische Dipolresonanzen von Stabantennen um mehr als 4 µm und magnetische Dipolresonanzen von Split-Ring Resonatoren um mehr als 1,6 µm in der Wellenlänge verschieben. Zuletzt werden ein verstellbarer Infrarotlicht-Absorber mit nahezu 90% Absorptionsgrad sowie das nanoskalige selektive Abschirmen von Aluminium-Schlitzantennen und Löten von Gold-Dimeren vorgestellt. Die entwickelte Technologie der optischen Programmierung von Meta-Oberflächen könnte den Weg zum Ideal der "universellen" Meta-Oberfläche ebnen, die einfallendes Licht frei manipulieren kann. Dies könnte zu hocheffizienten, ultrakompakten, aktiven optischen Elementen wie verstellbaren Linsen, dynamischen Hologrammen und räumlichen Lichtmodulatoren führen.