Matt wie ein Mottenauge: Bionische Entspiegelungstechnik

Die Oberflächenstruktur der Mottenaugen zeigt, wie hochwertiges Entspiegeln einfacher und günstiger zu machen ist - auch für UV-Licht und hohe Laserenergien

Stuttgart - Eine Motte in der Nacht bleibt für Feindesblicke unsichtbar, wenn sie selbst auch nicht das schwächste Licht zurückwirft. Deshalb sind auch ihre Facettenaugen entspiegelt - im Gegensatz zu manch hochglänzenden Fliegen-Guckern. Jetzt nahmen Stuttgarter Forscher die Mottenaugen näher unter die Lupe und entwickelten eine Technik, um deren Struktur einfach und günstig auf optische Materialien zu übertragen. Im Gegensatz zu bisherigen Entspiegelungsverfahren wirken die veränderte Oberflächen über einen großen Teil des optischen Spektrums und recht unabhängig vom Einfallswinkel, ohne dabei Licht zu absorbieren, berichten die Forscher im Fachblatt "Nano Letters". Das Vorbild aus der Natur dürfte nicht nur Fensterscheiben und Displays entspiegeln helfen. Auch moderne Mikroskopieverfahren, die Chipherstellung per Lithographie und die Ausbeute von Solarzellen ließen sich damit deutlich verbessern.

"Auf diese Weise können reflexarme Bildschirme, Displays, Brillengläser und Glasscheiben, beispielsweise beim Auto oder in Gebäuden, hergestellt werden", erklärt Joachim Spatz, Professor am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung. Sein Team, Kollegen aus der Abteilung Neue Materialien und Biosysteme und Robert Brunner von der Carl Zeiss AG, hatte zunächst die Struktur der Mottenaugen analysiert: Ein periodisches Muster aus nanoskopisch kleinen, säulenförmigen Ausstülpungen. Diese sind kleiner als die Wellenlänge des Lichts und sorgen für einen weniger abrupten Übergang zwischen den unterschiedlichen Brechungsindizes von Luft und Hornhaut. Denn normalerweise wird ein Teil des Lichtes an den Grenzflächen reflektiert, wenn sich der Brechungsindex sprunghaft ändert, ebenso beim Übergang zwischen Luft und Glas. Rund vier Prozent des Lichts können durch die Reflexion verloren gehen, bei flachen Einfallswinkeln verstärkt sich der Effekt.

Nach der Analyse entwickelten die Forscher ein Verfahren, um die Struktur auf Glas- und Quarzsubstrate für optische System zu übertragen. Sie beschichten die Oberflächen zunächst mit Nanopartikeln und ätzen dann mittels Ionenplasmas hinein. Im ersten Schritt werden Polymere in Toluol gelöst, um winzige Kugeln zu formen. Hinzugefügte Goldsalze lagern sich darin ein, durch simples Eintauchen von Quarzgläsern bilden die güldenen Polymerkugeln dort eine dünne Beschichtung. Ein Wasserstoffplasma hilft dann, die organischen Hüllen der Kugeln zu entfernen: Es verbleibt ein dichtes Muster aus etwa sieben Nanometer großen Goldpartikeln auf der Glasoberfläche. "Diese dienen dann in einem zweiten Schritt als Schattenmaske beim Plasmaätzen der Mottenaugenstrukturen in die optische Grenzfläche", so Spatz. Im Laufe des Prozesses schrumpfen die Goldpartikel immer mehr und verschwinden, allerdings sind unter ihnen winzigen Säulen stehen geblieben, die in etwa die Oberflächenstruktur der Mottenaugen nachbilden.

"Abhängig vom Material können kostengünstig und unkompliziert Muster aus pyramidalen und hohlen, säulenartigen Strukturen, ähnlich dem biologischen Vorbild, hergestellt werden", erklärt Spatz die Aussichten der Methode. Für moderne Lithographie- und Mikroskopieverfahren wäre sie hochwillkommen, denn dort verstärkt sich das Problem des Lichtverlustes, weil das Licht in den komplexen optischen Systemen stets mehrere Linsen hintereinander durchlaufen muss. Die Reflexionsverluste addieren sich so. Herkömmliche Antireflexbeschichtungen arbeiten mit Interferenz, um einfallendes und reflektiertes Licht durch Überlagerung der Lichtwellen auszulöschen - das vermeidet Störungen durch das reflektierte Licht, verloren geht es aber trotzdem. Obendrein ist die Herstellung kompliziert und teuer und eignet sich kaum für Wellenlängen im UV-Bereich sowie für Strahlen hoher Laserenergie.