MIT-Wissenschaftler entwickeln niedrig

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Technologien, die auf leichten, hochpräzisen optischen Systemen basieren, wie etwa Weltraumteleskope, Röntgenspiegel und Anzeigetafeln, haben sich in den letzten Jahrzehnten erheblich weiterentwickelt, fortgeschrittenere Fortschritte wurden jedoch durch scheinbar einfache Herausforderungen begrenzt. Beispielsweise können die Oberflächen von Spiegeln und Platten mit Mikrostrukturen, die in diesen optischen Systemen erforderlich sind, durch beanspruchte Oberflächenbeschichtungsmaterialien verzerrt werden, was zu einer Verschlechterung der Optikqualität führt. Dies gilt insbesondere für ultraleichte optische Systeme, wie z. B. Weltraumoptiken, bei denen herkömmliche optische Herstellungsmethoden Schwierigkeiten haben, anspruchsvolle Formanforderungen zu erfüllen.

Jetzt haben die MIT-Forscher Youwei Yao, Ralf Heilmann und Mark Schattenburg vom Space Nanotechnology Laboratory (SNL) am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT sowie der frischgebackene Absolvent Brandon Chalifoux PhD '19 neue Methoden entwickelt, um darüber hinwegzukommen Barriere.

In einem Artikel, der in der Optica-Ausgabe vom 20. April erscheint, erklärt Yao, ein Forschungswissenschaftler und Hauptautor des Artikels, ihren neuen Ansatz zur Umformung dünner Plattenmaterialien auf eine Weise, die Verzerrungen eliminiert und es Forschern ermöglicht, Oberflächen willkürlicher in die präzise Form zu biegen komplexe Formen, die sie möglicherweise benötigen. Die Formung dünner Platten wird typischerweise für anspruchsvolle, komplexe Systeme wie verformbare Spiegel oder Wafer-Glättungsprozesse während der Halbleiterfertigung verwendet. Diese Innovation bedeutet jedoch, dass die zukünftige Produktion präziser, skalierbarer und kostengünstiger sein wird. Yao und der Rest des Teams gehen davon aus, dass diese dünneren und leichter verformbaren Oberflächen für breitere Anwendungen nützlich sein können, etwa für Augmented-Reality-Headsets und größere Teleskope, die zu geringeren Kosten ins All geschickt werden können. „Die Nutzung von Spannung zur Verformung optischer oder Halbleiteroberflächen ist nicht neu, aber durch den Einsatz moderner Lithografietechnologie können wir viele der Herausforderungen bestehender Methoden bewältigen“, sagt Yao.

Die Arbeit des Teams baut auf der Forschung von Brandon Chalifoux auf, der heute Assistenzprofessor an der University of Arizona ist. Chalifoux arbeitete mit dem Team an früheren Arbeiten, um im Rahmen seiner Doktorarbeit im Maschinenbau einen mathematischen Formalismus zu entwickeln, um Oberflächenspannungszustände mit Verformungen dünner Platten zu verbinden.

In diesem neuen Ansatz hat Yao eine neuartige Anordnung von Stressmustern entwickelt, um den allgemeinen Stress präzise zu kontrollieren. Substrate für optische Oberflächen werden zunächst auf der Rückseite mit dünnen Schichten hochbelastbarer Filme aus Materialien wie Siliziumdioxid beschichtet. Neuartige Spannungsmuster werden lithographisch in die Folie gedruckt, sodass Forscher die Eigenschaften des Materials in bestimmten Bereichen verändern können. Durch die selektive Behandlung der Filmbeschichtung in verschiedenen Bereichen wird gesteuert, wo Spannung und Spannung auf die Oberfläche ausgeübt werden. Und da die optische Oberfläche und die Beschichtung aneinander haften, wird durch die Manipulation des Beschichtungsmaterials auch die optische Oberfläche entsprechend umgeformt.

„Man fügt keine Spannung hinzu, um eine Form zu erzeugen, man entfernt selektiv Spannung in bestimmte Richtungen mit sorgfältig entworfenen geometrischen Strukturen, wie Punkten oder Linien“, sagt Schattenburg, leitender Forschungswissenschaftler und Direktor des Space Nanotechnology Laboratory. „Das ist nur eine bestimmte Methode, um eine gezielte Spannungsentlastung an einer einzigen Stelle im Spiegel zu erreichen, wodurch das Material dann gebogen werden kann.“

Eine Idee aus der Korrektur von Weltraumspiegeln

Seit 2017 arbeitet das SNL-Team mit dem Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA zusammen, um ein Verfahren zur Korrektur der durch Beschichtungsspannungen verursachten Formverzerrung von Röntgenteleskopspiegeln zu entwickeln. Die Forschung entstand aus einem Projekt zum Bau von Röntgenspiegeln für das Missionskonzept der nächsten Generation des Röntgenteleskops Lynx der NASA, das Zehntausende hochpräzise Spiegel erfordert. Aufgrund der Aufgabe, Röntgenstrahlen zu fokussieren, müssen die Spiegel sehr dünn sein, um Röntgenstrahlen effizient zu sammeln. Spiegel verlieren jedoch schnell an Steifigkeit, wenn sie dünner werden, und verformen sich leicht durch die Belastung durch ihre reflektierenden Beschichtungen – eine nanometerdicke Iridiumschicht, die auf der Vorderseite aufgetragen wird, um Röntgenstrahlen zu reflektieren.

„Mein Team am GSFC fertigt und beschichtet seit 2001 dünne Röntgenspiegel“, sagt William Zhang, Gruppenleiter für Röntgenoptik am GSFC. „Da sich die Qualität von Röntgenspiegeln in den letzten Jahrzehnten aufgrund technologischer Fortschritte kontinuierlich verbessert hat, sind durch Beschichtungen verursachte Verzerrungen zu einem immer ernsteren Problem geworden.“ Yao und sein Team entwickelten eine lithografische Spannungsstrukturierungsmethode, bei der mehrere verschiedene Techniken erfolgreich kombiniert wurden, um bei der Anwendung auf von der Gruppe hergestellte Röntgenspiegel eine hervorragende Entfernung von Verzerrungen zu erzielen.

Nach diesem anfänglichen Erfolg beschloss das Team, das Verfahren auf allgemeinere Anwendungen auszudehnen, etwa die Freiformgestaltung von Spiegeln und dünnen Substraten, doch es stieß auf ein großes Hindernis. „Leider kann der für GSFC entwickelte Prozess nur eine einzige Art von Oberflächenspannung präzise steuern, die sogenannte ‚äquibiaxiale‘ oder rotationsgleichförmige Spannung“, sagt Chalifoux. „Äquibiaxiale Spannungszustände können nur eine schalenartige lokale Biegung der Oberfläche bewirken, die Kartoffelchip- oder Sattelformverzerrungen nicht korrigieren kann. Um eine willkürliche Kontrolle der Oberflächenbiegung zu erreichen, ist die Kontrolle aller drei Terme im sogenannten „Oberflächenspannungstensor“ erforderlich. '"

Um eine vollständige Kontrolle über den Spannungstensor zu erreichen, entwickelten Yao und sein Team die Technologie weiter und erfanden schließlich sogenannte Spannungstensor-Mesostrukturen (STMs), bei denen es sich um quasiperiodische Zellen handelt, die auf der Rückseite dünner Substrate angeordnet sind und aus übereinander liegenden Gittern bestehen Beanspruchte Beschichtungen. „Durch Drehen der Gitterausrichtung in jeder Elementarzelle und Ändern des Flächenanteils ausgewählter Bereiche können alle drei Komponenten des Spannungstensorfelds gleichzeitig mit einem einfachen Strukturierungsprozess gesteuert werden“, erklärt Yao.

Das Team hat mehr als zwei Jahre damit verbracht, dieses Konzept zu entwickeln. „Dabei sind wir auf eine Reihe von Schwierigkeiten gestoßen“, sagt Schattenburg. „Die Freiformformung von Siliziumwafern mit Nanometerpräzision erfordert eine Synergie aus Messtechnik, Mechanik und Fertigung. Durch die Kombination der jahrzehntelangen Erfahrung des Labors in der Oberflächenmesstechnik und Mikrofabrikation mit von Doktoranden entwickelten Modellierungs- und Optimierungswerkzeugen für dünne Platten war es uns möglich um eine allgemeine Methode zur Steuerung der Substratform zu demonstrieren, die nicht nur auf das schalenartige Biegen der Oberfläche beschränkt ist.“

Eine vielversprechende Technik für viele Anwendungen

Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team, sich neue Anwendungen vorzustellen, die über die ursprüngliche Aufgabe der Korrektur von durch Beschichtung verzerrten Röntgenspiegeln hinausgehen. „Beim Formen dünner Platten mit herkömmlichen Methoden ist es schwierig, präzise zu sein, da die meisten Methoden parasitäre oder Restspannungen erzeugen, die nach der Verarbeitung zu sekundärer Verformung und Rückfederung führen“, sagt Jian Cao, Professor für Maschinenbau an der Northwestern University , der an der Arbeit nicht beteiligt war. „Aber die STM-Spannungsbiegemethode ist ziemlich stabil, was besonders für Anwendungen im Optikbereich nützlich ist.“

Yao und seine Kollegen gehen davon aus, dass Stresstensoren in Zukunft auch dynamisch gesteuert werden können. „Die piezoelektrische Betätigung dünner Spiegel, die in der adaptiven Optiktechnologie verwendet wird, wird seit vielen Jahren entwickelt, aber die meisten Methoden können nur eine Komponente der Spannung kontrollieren“, erklärt Yao. „Wenn wir STMs auf dünnen, piezobetriebenen Platten strukturieren können, könnten wir diese Techniken über die Optik hinaus auf interessante Anwendungen wie die Betätigung in der Mikroelektronik und Soft-Robotik ausweiten.“

Diese Arbeit wurde von der NASA finanziert.

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