Bio-inspired photonic surfaces by enhanced Two-Photon Lithography

Abstract

2D and 3D photonic crystals active in the visible wave range are highly interesting for applications, such as waveguiding elements, sensors, or counterfeiting features. However, the tuneable production of such crystals with the current processes is challenging. Two-photon lithography (TPL), which is mainly used to manufacture microstructures, offers this versatility but currently suffers from insufficient structure resolution and mechanical stability for sub-micrometre structures. In the course of this work several novel approaches including an improved development and standing wave enhanced two-photon lithography are presented. These approaches improve the structure resolution and quality, and thus, allow stable features sizes down to 120 nm in horizontal and 45 nm in vertical direction. The new capabilities were used to fabricate distinct photonic crystals inspired by the 2D-pillar grating found on the moth eye and the 3D ‘Christmas tree’-like structures covering the wings of the Morpho-butterflies. Resulting structures were analysed in detail regarding their sizes and optical properties, showing highly effective diffraction, promising anti-reflection properties, and outstanding angle independent iridescence. The experimental work is supported by correlated simulations investigating the optical properties, structures sizes, and the influences of different experimental parameter settings relevant for the fabrication.

2D und 3D photonische Kristalle, die mit sichtbarem Licht interagieren, finden zunehmend Verwendung in Wellenleitelementen, bei Sensoren oder Sicherheitsmerkmalen. Jedoch ist die Herstellung solcher Kristalle mit den derzeitigen Methoden herausfordernd und komplex. Eine vielversprechende Technik wäre die Zweiphotonenlithografie, die gegenwärtig für die flexible Herstellung von Mikrostrukturen eingesetzt wird. Für die Fertigung von photonischen Kristallen, die hochqualitative Strukturen im Nanometerbereich voraussetzen, besitzt diese Technik jedoch keine ausreichende Strukturauflösung. In dieser Arbeit werden neue Verfahren wie ein verbesserter Entwicklungsprozess oder die Zweiphotonenlithograpie mit integrierter stehender Welle präsentiert. Diese Methoden erlauben die Herstellung von Submikrometerstrukturen mit einem Limit von 120 nm in horizontaler und 45°nm in vertikaler Richtung. Diese verbesserte Auflösung wurde genutzt, um zwei natürliche photonische Kristalle, die 2D optischen Gitter der Mottenaugen und die geschichteten 3D Strukturen der Morpho-Schmetterlinge, künstlich nachzuahmen. Die Untersuchung der optischen Eigenschaften dieser Strukturen zeigten hocheffektive Beugungs- und vielversprechende Antireflexeigenschaften sowie eine herausragende, winkelunabhängige Strukturfarbe. Die experimentelle Arbeit wurde durch Simulationen wie die der optischen Eigenschaften, der erwarteten Strukturgrößen und der Einflüsse von Prozessparametern auf die Herstellung unterstützt.