Die Forscher wollen eine neue 3D-Nanolithographie- und Nanomessmaschine entwickeln, die Bearbeitungen und Messungen von photonischen Bauteilen mit Abmessungen von bis zu 1 × 1 × 0,2 m ermöglichen wird. Das ist etwa drei Mal so groß, wie mit bisherigen Verfahren machbar. Die Entwicklungsarbeit dafür haben Forscher des Fraunhofer-Institutes für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF aus Jena sowie des Institutes für Angewandte Physik (IAP) der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Technischen Universität Ilmenau nun in einem von der DFG geförderten Projekt aufgenommen.
Nanostrukturierung in einer neuen Größenordnung
„Dass es Maschinen zur Strukturierung für großflächige Bauteile gibt, ist zunächst nichts ungewöhnliches“, sagt Prof. Uwe Zeitner, Projektleiter am Fraunhofer IOF. „Aber für wissenschaftliche Anwendungen sind hochpräzise Nanostrukturierungen erforderlich. Für viele Felder der Zukunftsforschung brauchen wir großflächigere optische Bauteile, zum Beispiel nanostrukturierte Hochleistungsspiegel mit 1 m Durchmesser bei gleichzeitig allerhöchster Präzision in der Lichtreflexion.“
Diese Präzision ist – neben der Größenskalierung – der Clou der geplanten Maschine: „Wir wollen Nanostrukturen realisieren, die eine Genauigkeit der Positionierung über diese Fläche von bis zu 20 pm ermöglichen“, erläutert Zeitner weiter. Ziel sei die Entwicklung und der Aufbau einer weltweit einzigartigen Maschine, mit deren Hilfe Forscher neue optische Hochleistungs-Komponenten an der Grenze des technisch Machbaren herstellen können. „Dafür stellen wir an die neue Maschine diese besonderen Genauigkeitsanforderungen. Wir streben neben der bereits erwähnten Positionsgenauigkeit maximale Strukturierungsabweichung von weniger als 10 nm auf einer dreidimensionalen Fläche von 1 m² an.“
Nanolithographie aus Jena, Positionierung und Messtechnik aus Ilmenau
Um diese Abmessungen realisieren zu können, sind originäre Ansätze notwendig. Das Fraunhofer IOF sowie das IAP aus Jena bringen in die Entwicklungsarbeit Verfahren für die 3D-Nanolithographie ein, während die TU Ilmenau ihre Expertise in der Nanopositionier- und Nanomesstechnik beisteuert.
Besondere Einsatzpotenziale für die neue Maschine liegen in der Herstellung großflächiger photonischer Komponenten für die Energie- und Fusionsforschung sowie in der Gravitationswellenforschung. In beiden Bereichen setzt das Fraunhofer IOF schon heute vielfältige Arbeiten um: So wurden zum Beispiel für das geplante Einstein-Teleskop, den bisher präzisesten Gravitationswellendetektor, hochempfindliche Sensoren am Institut entwickelt und gefertigt. Für die Laserfusion werden indes hochreflektierende und robuste Beschichtungen erforscht.
In der ersten Projektphase, die auf drei Jahre angelegt ist, soll nun zunächst ein Gesamtkonzept erarbeitet werden. Auf dessen Grundlage werden Teilsysteme entwickelt, aufgebaut sowie das Erreichen der spezifizierten Parameter nachgewiesen. Die vollständig einsatzbereite Maschine soll voraussichtlich 2032 am Fraunhofer IOF zur Verfügung stehen.