Nieuwe optische meettechnologie vergroot sensitiviteit bij nanoschaalaanpassingen

Onderzoekers van Amolf en ARCNL hebben een nieuwe meetstrategie ontwikkeld die de detectie van variaties op de nanoschaal aanzienlijk verbetert. Door slim gebruik te maken van metasurface‑sensoren en het analyseren van hoe licht in verschillende richtingen wordt verstrooid, kunnen nanometer‑grote verstoringen veel preciezer worden gemeten dan met traditionele spectroscopische technieken.

Metasurface‑sensortechnologie maakt gebruik van kunstmatige oppervlaktes met zorgvuldig gevormde nanopartikels die met licht interacteren. Tot nu toe bestond de standaardmeting eruit om met een spectrometer te analyseren welke kleuren van licht zijn verstrooid wanneer het oppervlak wordt verstoord. De nieuwe aanpak richt zich daarentegen op de richting van het verspreide licht, wat een veel rijkere informatiebron biedt.

In experimenten codeerden de onderzoekers gecontroleerde nanometer‑verschuivingen in een resonante metasurface om verstoringen te simuleren zoals die bijvoorbeeld kunnen optreden tijdens de productie van computerchips. Door de verstrooiingsrichting te analyseren bleek het mogelijk veel gedetailleerder informatie over de verstoring te verkrijgen dan bij kleurgebaseerde detectie.

Twee meetstrategieën vergeleken

Het team testte twee detectiemethoden:

1. Scattering spectroscopy
   Deze methode richt zich op de dominante kleuren in het verstrooide licht. Resonante metasurfaces leveren hierbij vaak een sterke dominante kleur, die zeer gevoelig is voor kleine veranderingen in het oppervlak.
2. Fourier scatterometry
   Fourier scatterometry brengt in kaart hoe licht in verschillende richtingen wordt verstrooid. Hierbij wordt het optische signaal geanalyseerd in de zogenaamde Fourier‑ruimte, waarin elke positie correspondeert met een specifieke uitstraalrichting van het licht. Kleine structurele veranderingen in het oppervlak leiden tot duidelijke patronen in deze ruimte, waardoor de methode extreem gevoelig is voor nanoschaal‑verstoringen.

Door deze techniek te combineren met resonante metasurfaces kwamen de onderzoekers tot meetniveaus die bijna een orde van grootte preciezer zijn dan bij traditionele spectroscopie, terwijl dezelfde hoeveelheid fotonen wordt gebruikt voor de meting.

Hoe Fourier scatterometry werkt

Fourier scatterometry is gebaseerd op het principe dat elke richtingscomponent van verstrooid licht overeenkomt met een specifieke spatial frequency in de Fourier‑ruimte. Door een lens te gebruiken om alle verstrooide lichtbanen samen te brengen op een camera, ontstaat een beeld waarin de intensiteit in elk punt van het Fourier-beeld direct informatie geeft over de geometrie van het oppervlak.

• Kleine veranderingen in de hoogte, breedte of positie van nanostructuren leiden tot verschuivingen of veranderingen in de intensiteit van specifieke Fourier‑componenten.
• Omdat veel van deze richtingscomponenten tegelijkertijd worden gemeten, levert dit een zeer gedetailleerde “vingerafdruk” van het oppervlak op.
• Deze aanpak benut het volledige lichtveld, waardoor de precisie aanzienlijk hoger is dan bij conventionele spectroscopie, die alleen kleurinformatie gebruikt.

Praktische meerwaarde voor industriële sensing

Het gebruik van Fourier scatterometry in combinatie met resonante metasurfaces kan optische meetsystemen robuuster en gevoeliger maken. Dit is vooral relevant in toepassingen waar extreem kleine structuureffecten moeten worden gedetecteerd, zoals:

• Productie en kwaliteitscontrole van computerchips en nanofotonische componenten
• Detectie van nanoschaal‑defecten in coatings of oppervlaktetechnologieën
• Precisie‑meettechnologieën in high-end optica of sensorontwikkeling

Door de verstoringen te analyseren in zowel kleur als verstrooiingsrichting, ontstaat een extra dimensie aan meetinformatie die voorheen verloren ging, wat de betrouwbaarheid van nanometingen aanzienlijk verhoogt.

Toekomstperspectief

Volgens groepsleider Femius Koenderink laat dit werk zien dat richtingsinformatie van licht een nieuwe dimensie kan toevoegen aan optische sensing. De combinatie van resonante metasurfaces met Fourier scatterometry kan een breed scala aan industriële toepassingen verbeteren, waarbij kleine nanoschaal‑veranderingen direct en zeer nauwkeurig worden gedetecteerd. De volgende stappen omvatten het opschalen van deze meetstrategie voor grotere oppervlakken en de integratie in industriële inspectiesystemen.

⚠️ Geen vacatures gevonden.