Optische Filter basierend auf nanostrukturierten Substraten mit Cu sowie Ag Metallisierung

Abstract

Optische Filter zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit einfallender elektromagnetischer Strahlung interagieren und dadurch nur gewisse Anteile dieser elektromagnetischen Strahlung den Filter durchlaufen können, während anderer Anteile reflektiert oder absorbiert werden. Eine Möglichkeit dies zu erreichen liegt in der Verwendung von plasmonischen Materialien (plasmonische Filter). Ziel dieser Diplomarbeit ist es, solche, auf plasmonischen Effekten basierende Filter, anhand von nanostrukturierten Oberflächen zu erstellen und zu charakterisieren. Dabei wird neben einem Infrarotfilter („Solar-Control-Filter“) auch die Herstellung von zwei Farbfiltern (mit Reflexion in rot und grün) angestrebt. Für die Herstellung der Filter werden Glassubstrate, mittels Nanoprägelithographie (NIL) nanostrukturiert und anschließend thermisch mit einer dünnen Metallschicht (< 25 nm) bedampft. Je nach verwendeter Strukturgeometrie, Metallart und Metallschichtdicke, können bei einfallender elektromagnetischer Strahlung für gewissen Wellenlängen(-bereiche) lokalisierte Oberflächenplasmonen angeregt werden. Zusätzlich dazu lassen sich über die Strukturhöhe und die Strukturperiode die Interferenzund Beugungseffekte des Filters beeinflussen. Um die Herstellung der Filter so einfach wie möglich zu halten, wird eine geringe Anzahl an Prozessschritte angestrebt. Zudem sollten die, für das NIL-Verfahren benötigten Nanostruktur-Vorlagen (Master), mittels Elektronenstrahllithographie (EBL) hergestellt werden. Es wurden verschiedene Varianten zur Master-Herstellung mittels EBL erprobt, wobei die hohen Anforderungen der Strukturgeometrie, durch die zur Verfügung stehenden Mittel, nicht ausreichend erfüllt werden konnten. Die Gründe dafür liegen in Streu-Effekten der Elektronen beim EBL-Prozess, sowie Problemen bei der, für die Masterherstellung wichtigen, Metallisierung. Zwei kommerzielle Master mit deutlich verschiedenen Geometrieparametern (Periode, Disk-Durchmesser und Strukturhöhe) wurden für die Herstellung von Farbbzw. Infrarot-Filtern verwendet. Nanostrukturierte IR Filter bestehend aus einer dünnen TiOx (< 10 nm) und einer dünnen Cu (< 10 nm) Schicht wurden gefertigt. Die erhaltenen IR Filter erreichen im sichtbaren solaren Spektralbereich (𝜆0 von 380 nm bis 780 nm) eine gemittelte Transmission von ~ 66 % bei einer gemittelten Transmission im solaren NIR Spektralbereich (gemessen von 𝜆0=780 nm bis 2350 nm), von ~ 36 %. Der unstrukturierten Filter mit gleicher Metallisierung erreicht bei gleicher Transmission im sichtbaren eine Transmission von ~50 % im gemessenen NIR Spektralbereich. Durch Abscheiden einer dünnen TiOx (< 10 nm) und Ag (< 25 nm) Schicht auf die für die Farbfilteranwendung strukturierten Substrate, ließen sich dreifarbige Filter entwickeln (mit bläulicher Transmission, sowie rötlicher und grünlicher Reflexion auf der Vorbzw. Rückseite).

Optical filters are characterized in that they interact with incident electromagnetic radiation and thereby only certain portions of this electromagnetic radiation can pass through the filter, while other components are reflected or absorbed. One way to achieve this is the use of plasmonic materials (plasmonic filters). The aim of this diploma thesis is to create and characterize such filters, which are based on plasmonic effects, based on nanostructured surfaces. In addition to an infrared filter ("solar control filter"), the production of two color filters (with reflection in red and green) is sought. To produce the filters, glass substrates are nanostructured by means of nanoimprint lithography (NIL) and after that a thin metal layer (<25 nm) is deposited by thermal vapor deposition. Depending on the structural geometry, type of metal and metal layer thickness used, localized surface plasmons can be excited for incidental electromagnetic radiation for certain wavelengths (ranges). In addition, the interference and diffraction effects of the filter can be influenced by the structure height and the structure period. To keep the production of the filters as simple as possible, a small number of process steps are desired. In addition, the nano-structure templates (masters) required for the NIL process were to be produced by electron beam lithography (EBL). Different variants for the master production with EBL were tested, whereby the high requirements of the structure geometry could not be sufficiently fulfilled by the available means. The reasons for this lie in scattering effects of the electrons in the EBL process, as well as problems in the metallization process, which is important for the master production. Two commercial masters with distinctly different geometry parameters (period, disk diameter, and feature height) were used to make color and infrared filters, respectively. Nanostructured IR filters consisting of a thin TiOx (<10 nm) and Cu (< 10 nm) layer were fabricated. In the visible solar spectral range (𝜆0 from 380 nm to 780 nm), the resulting IR filters achieve an average transmission of ~ 66% at an averaged transmission in the (measurable) solar NIR spectral range (measured from 𝜆0 from 780 nm to 2350 nm) of ~ 36%. The unstructured filter with the same metallization achieves a transmission of ~ 50% in the measured NIR spectral range with the same transmission in the visible as the structured one. By depositing a thin TiOx (<10 nm) and Ag (<25 nm) layer on the substrates structured for the color filter application, three-color filters could be developed (with bluish transmission, as well as reddish and greenish reflection on the front and back).