DE102018125335B4

DE102018125335B4 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems mit einer 2D-Schicht und optisches Schichtsystem

Info

Publication number: DE102018125335B4
Application number: DE102018125335.4A
Authority: DE
Inventors: Heiko Knopf; Falk Eilenberger; Ulrike Schulz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2038-10-13
Also published as: DE102018125335A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems (10) , umfassend die Schritte:- Herstellen einer Grundschicht (4),- Aufbringen einer 2D-Schicht (5) eines Übergangsmetall-Dichalkogenids auf die Grundschicht (4), wobei die 2D-Schicht (5) eine inselförmige Schicht ist und Bereiche der Oberfläche der Grundschicht (4) freiliegen,- Durchführen einer Plasmabehandlung, bei der geladene Teilchen auf die 2D-Schicht (5) und auf die freiliegenden Bereiche der Grundschicht (4) treffen, wobei die geladenen Teilchen eine Energie von nicht mehr als 70 eV aufweisen, und- Aufbringen einer Deckschicht (6) auf die 2D-Schicht (5) und die freiliegenden Bereiche der Grundschicht (4), wobei das Material der Deckschicht (6) eine chemisch stabile Bindung mit dem Material der Grundschicht (4) eingeht.

Description

Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems mit einer 2D-Schicht und optisches Schichtsystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems, das eine 2D-Schicht enthält, sowie das optische Schichtsystem mit der darin enthaltenen 2D-Schicht.
Für viele Anwendungen sind sogenannte 2D-Schichten, die eine Dicke von nur einer Atom- oder Moleküllage oder nur einer Einheitszelle aufweisen, von höchstem Interesse. Monolagige Übergangsmetallchalkogene (Monolayer Transition Metal Chalcogenides, TMCs), insbesondere Verbindungen aus einem der Übergangsmetalle Molybdän oder Wolfram mit einem Chalkogenbestandteil wie Schwefel, Selen oder Tellur, gehören zu dieser Materialgruppe. 2D-Schichten können beispielsweise eine starke Wechselwirkung mit Licht und elektronischen Signalen aufweisen.
Beispielsweise ist aus der Druckschrift Y. V. Morozov et al., „Optical constants and dynamic conductivities of single layer MoS2, MoSe2 and WSe2", Appl. Phys. Lett., Vol. 107, 2015, S. 083103-1 - 083103-5, bekannt, dass die 2D-Schichten große Brechzahlen im Bereich bis zu größer als 5 aufweisen können.
Die Druckschrift C. Palacios-Berraquero et al., „Large-scale quantum-emitter arrays in atomically thin semiconductors", Nat. Commun., Vol. 8, 2017, S. 1-6, beschreibt die Ausbildung steuerbarer Einzelphotonenquellen durch Eingrenzung der Beweglichkeit von Ladungsträgern im Halbleiter.
Aus der Druckschrift X. Yin et al., „Edge Nonlinear optics on a MoS2 Atomic Layer", Science, Vol. 344, 2014, No. 6183, S. 488-490, ist ein stark nichtlinearer Zusammenhang zwischen elektrischem Feld und elektrischer Polarisation bekannt, der beispielsweise für MoS₂ ca. 10⁵ mal größer ist als bei herkömmlichen Materialien.
2D-Schichten, welche insbesondere in die Gruppe der direkten Halbleiter eingeteilt werden können, können darüber hinaus auf andere Halbleiter und ausgewählte optische Materialien aufgewachsen oder transferiert werden, um quantisierte elektrische und optische Effekte zu erzeugen, die die Grundlage für mikroelektronische Bauelemente darstellen, sogenannte funktionelle Heterostrukturen. Heterostrukturen, die 2D-Halbleiter beinhalten, sind kompatibel mit etablierten Nanostrukturverfahren, wie beispielsweise Focused Ion Beam Milling oder Elektronenstrahllithographie.
Verschiedene potentielle Anwendungen und Bauelemente können derzeit nicht ohne Weiteres realisiert werden, weil die Herstellung von 2D-Halbleitern bislang lediglich auf der Oberfläche einfacher Wafer und spezieller, hochtemperaturfester Materialien möglich ist. Üblicherweise werden 2D-Schichten dabei mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase gewachsen. Durch spezielle Transferverfahren wie Exfoliation oder die mechanische Übertragung mittels überkritischer Lösungsmittel können 2D-Schichten auch auf anderen Oberflächen abgelegt werden. In beiden Fällen besteht das Risiko, dass die Materialien nicht vollständig passiviert sind und reversibel und irreversibel durch Umweltbedingungen beeinflusst werden. Viele auf diese Weise erzeugte Systeme sind optisch nicht einsetzbar, da aufgrund von eingebrachten Defektstellen, Verkippungen der Schichten zum Substrat, mechanischen und chemischen Schichtschädigungen und Zersetzung der 2D-Schicht keine hinreichend reproduzierbaren Eigenschaften erzeugt werden können. Darüber hinaus wechselwirken einzelne Schichten zu schwach mit optischen Signalen, als dass sie in Anwendungen genutzt werden könnten.
Die Druckschrift US 4 897 154 A beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Wafern, die durch ein Trockenätzverfahren beschädigt worden sind.
Die Druckschrift US 2017 / 0 168 327 A1 betrifft einen optischen Modulator mit hoher Auflösung und mit einer hohen Fähigkeit, den Wellenlängenbereich des reflektierten oder transmittierten Lichts zu steuern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems sowie ein optisches Schichtsystem anzugeben, in das eine 2D-Schicht stabil eingebettet ist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems sowie durch ein optisches Schichtsystem gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung wird bei dem Verfahren zur Herstellung des optischen Schichtsystems eine Grundschicht hergestellt, wobei die Grundschicht beispielsweise auf ein Substrat oder auf eine bereits auf dem Substrat angeordnete Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht wird. Die Grundschicht muss insbesondere nicht die erste Schicht des optischen Schichtsystems sein, sondern kann beispielsweise die oberste Schicht einer auf dem Substrat angeordneten Schichtenfolge sein.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung wird bei dem Verfahren eine 2D-Schicht eines Übergangsmetall-Dichalkogenids auf die Grundschicht aufgebracht, wobei die 2D-Schicht eine inselförmige Schicht ist. „Inselförmige Schicht“ bedeutet hier und im Folgenden, dass die 2D-Schicht die Oberfläche der Grundschicht nicht vollständig bedeckt, vielmehr liegen Bereiche der Oberfläche der Grundschicht frei und weitere Bereiche der Grundschicht sind von inselförmigen Bereichen der 2D-Schicht bedeckt. Die inselförmigen Bereiche sind durch Zwischenräume, in denen die Oberfläche der Grundschicht freiliegt, getrennt, wobei die Zwischenräume vorteilhaft im Mittel eine laterale Ausdehnung von mindestens 20 µm oder bevorzugt mindestens 50 µm aufweisen. Die inselförmigen Bereiche der 2D-Schicht weisen vorzugsweise im Mittel eine laterale Ausdehnung von nicht mehr als 250 µm auf.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung wird in einem weiteren Schritt des Verfahrens eine Plasmabehandlung durchgeführt. Die Plasmabehandlung bewirkt eine Oberflächenaktivierung, bei der die Oberflächenenergie der Grundschicht erhöht wird, so dass in einem weiteren Verfahrensschritt aufgebrachtes Material einer Deckschicht eine chemisch stabile Bindung mit dem Material der Grundschicht eingeht. Die Plasmabehandlung erfolgt vorzugsweise mittels einer Plasma-Ionenquelle. Alternativ ist es möglich, ein Glimmentladungs-Plasma, ein Magnetron oder ein Mikrowellenplasma einzusetzen. Bei der Plasmabehandlung treffen geladene Teilchen auf die 2D-Schicht und auf die freiliegenden Bereiche der Grundschicht, wobei die geladenen Teilchen eine Energie von nicht mehr als 70 eV aufweisen. Die geladenen Teilchen sind vorzugsweise Ionen, insbesondere Inertgasionen wie zum Beispiel Argon, die von einer Beschleunigungsspannung in Richtung der zu behandelnden Oberfläche beschleunigt werden. Im vorliegenden Fall treffen die Ionen insbesondere auf freiliegende Bereiche der Grundschicht und die Oberfläche der 2D-Schicht. Es hat sich gezeigt, dass die 2D-Schicht geschädigt werden kann, wenn die Plasmabehandlung mit dem Beschuss sehr energiereicher Ionen einhergeht.Die Ionenenergie wird deshalb so gewählt, dass es zu keiner chemischen oder strukturellen Schädigung des 2D-Materials kommt. Die Ionenenergie bei der Plasmabehandlung beträgt vorzugsweise nicht mehr als 70 eV, besonders bevorzugt nicht mehr als 60 eV. Die Dauer der Plasmabehandlung beträgt vorzugsweise weniger als 15 s, um das Risiko einer Schädigung der 2D-Schicht zu vermindern.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Deckschicht auf die 2D-Schicht und die freiliegenden Bereiche der Grundschicht aufgebracht. Die Deckschicht ist vorzugsweise eine Oxidschicht und kann insbesondere das gleiche Material wie die Grundschicht aufweisen. Durch Aufbringen der Deckschicht wird erreicht, dass die 2D-Schicht vollständig von der Grundschicht und der Deckschicht umschlossen wird, wobei die Deckschicht bereichsweise direkt an die Grundschicht angrenzt und eine stabile chemische Bindung mit der Grundschicht eingeht. Die Grundschicht und die Deckschicht bilden anders ausgedrückt eine Verkapselung für die 2D-Schicht aus, wodurch die 2D-Schicht vorteilhaft stabilisiert und vor äußeren Einflüssen geschützt wird.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist das Übergangsmetall-Dichalkogenid eine Verbindung von Mo oder W mit S, Se oder Te. Die 2D-Schicht kann insbesondere MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, WSe₂ oder WTe₂ aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die 2D-Schicht nicht mehr als 2 nm dick, insbesondere nicht mehr als 1,5 nm dick. Die 2D-Schicht ist insbesondere eine molekulare Monolage, d.h. die Ausdehnung in der senkrecht zur Schichtebene verlaufenden Richtung ist nicht größer als ein einzelnes Molekül.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die Grundschicht und/oder die Deckschicht eine Oxidschicht. Bevorzugt sind sowohl die Grundschicht als auch die Deckschicht jeweils Oxidschichten und besonders bevorzugt weisen die Grundschicht und die Deckschicht das gleiche Oxid auf. Auf diese Weise kann eine gute Verkapselung und eine besonderes stabile chemische Bindung zwischen der Grundschicht und der Deckschicht erzielt werden. Die Grundschicht und/oder die Deckschicht können beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ und Ta₂O₅ aufweisen. Besonders bevorzugt ist das Oxid SiO₂. SiO₂ zeichnet sich durch eine hohe Stabilität und einen geringen Brechungsindex aus.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung erfolgt das Aufbringen der Deckschicht ohne Plasmaunterstützung oder mit Plasmaunterstützung mit einer Ionenenergie von nicht mehr als 70 eV, besonders bevorzugt nicht mehr als 60 eV. Die Deckschicht kann beispielsweise ohne Plasmaunterstützung durch thermisches Aufdampfen aufgebracht werden. Die fehlende oder nur geringe Plasmaunterstützung, bei der die Ionenenergie nicht mehr als 70 eV beträgt, hat beim Aufbringen der Deckschicht den Vorteil, dass die 2D-Schicht nicht geschädigt wird.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die Deckschicht zwischen 5 nm und 30 nm dick. In diesem Dickenbereich wird vorteilhaft eine gute Kapselung der 2D-Schicht erzielt.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens eine Zwischenschicht mit Plasmaunterstützung mit einer Ionenenergie von mehr als 60 eV, vorzugsweise mehr als 70 eV, auf die Deckschicht aufgebracht. Die Ionenenergie beim Aufbringen der Zwischenschicht kann insbesondere größer sein als die Ionenenergie beim Aufbringen der Deckschicht, falls die Deckschicht auch mit Plasmaunterstützung aufgebracht wird. Insbesondere kann es nach dem Aufbringen der vorzugsweise maximal 30 nm dicken Deckschicht vorteilhaft sein, eine oder mehrere weitere Schichten mit Plasmaunterstützung mit höherer Ionenenergie als 60 eV aufzubringen, um besonders dichte Schichten herzustellen. Da die 2D-Schicht durch die zuvor aufgebrachte Deckschicht geschützt ist, ist das Risiko vermindert, dass die 2D-Schicht durch einen Ionenbeschuss beim Aufbringen der mindestens einen weiteren Schicht geschädigt wird.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zwischenschicht mit Plasmaunterstützung mit einer Ionenenergie von mehr als 60 eV und nicht mehr als 100 auf die Deckschicht aufgebracht. Die Dicke der Zwischenschicht beträgt vorzugsweise mindestens 50 nm. Bei einer Ionenenergie zwischen 60 eV und 100 eV ist das Risiko gering, dass die von der Deckschicht bedeckte 2D-Schicht beim Aufbringen der Zwischenschicht geschädigt wird. Nach dem Aufbringen der vorzugsweise mindestens 50 nm dicken Zwischenschicht können vorteilhaft eine oder mehrere weitere Schichten mit Plasmaunterstützung aufgebracht werden, wobei die Ionenenergie vorzugsweise höher ist als bei der Zwischenschicht, um noch dichtere Schichten herzustellen.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens eine weitere Schicht mit Plasmaunterstützung auf die Zwischenschicht aufgebracht, wobei die Ionenenergie vorzugsweise größer als beim Aufbringen der Zwischenschicht und nicht größer als 150 eV ist. Bei dieser Variante des Verfahrens werden vorteilhaft die Deckschicht mit geringer oder keiner Plasmaunterstützung, die Zwischenschicht mit mittlerer Plasmaunterstützung und die mindestens eine weitere Schicht mit höherer Plasmaunterstützung hergestellt. Die stufenweise Erhöhung der Ionenenergie bei der Plasmaunterstützung hat den Vorteil, dass die Schichten mit zunehmendem Abstand von der 2D-Schicht dichter werden, ohne dass das Risiko besteht, dass die 2D-Schicht durch den Ionenbeschuss geschädigt wird.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die Grundschicht die oberste Schicht einer ersten Schichtenfolge und die Deckschicht die unterste Schicht einer zweiten Schichtenfolge. Die zwischen der Grundschicht und der Deckschicht angeordnete 2D-Schicht ist in diesem Fall zwischen der ersten Schichtenfolge und der zweiten Schichtenfolge angeordnet. Die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge können insbesondere jeweils dielektrische Schichten aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise können die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge jeweils Oxidschichten und/oder Fluoridschichten aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Schichtenfolgen auch andere Interferenzschichtmaterialien wie beispielsweise Nitride, Metalle, Sulfide oder Halbleiter aufweisen. Die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge können insbesondere Interferenzschichtsysteme sein, die beispielsweise jeweils einen Reflektor ausbilden. Insbesondere ist es möglich, dass die erste Schichtenfolge und die zweite Schichtenfolge jeweils einen Resonatorspiegel ausbilden, so dass die 2D-Schicht in dem aus den Schichtenfolgen gebildeten optischen Resonator ist.
Es wird weiterhin ein mit dem Verfahren herstellbares optisches Schichtsystem angegeben, das eine Grundschicht und eine auf der Grundschicht angeordnete 2D-Schicht eines Übergangsmetall-Dichalkogenids aufweist, wobei die 2D-Schicht eine inselförmige Schicht ist, welche die Grundschicht nicht vollständig bedeckt. Weiterhin umfasst das optische Schichtsystem eine Deckschicht, die auf der 2D-Schicht und den nicht von der 2D-Schicht bedeckten Bereichen der Grundschicht angeordnet ist. Die inselförmige 2D-Schicht des Übergangsmetall-Dichalkogenids ist bei dem Schichtsystem somit von der Grundschicht und der Deckschicht umschlossen, wobei die Grundschicht und die Deckschicht vorteilhaft jeweils Oxidschichten sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des optischen Schichtsystems ergeben sich aus der vorherigen Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des optischen Schichtsystems und werden deshalb an dieser Stelle nicht nochmals explizit beschrieben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der 1 näher erläutert.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines mit dem Verfahren hergestellten optischen Schichtsystems.
Die in der 1 dargestellten Elemente des optischen Schichtsystems sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel des optischen Schichtsystems 10 gemäß 1 ist in einem ersten Zwischenschritt eine erste Schichtenfolge 11 auf ein Substrat 1 aufgebracht worden. Die erste Schichtenfolge 11 weist mehrere dielektrische Schichten 2, 3, 4 auf, bei denen es sich insbesondere um Oxidschichten handelt. Die erste Schichtenfolge kann beispielsweise abwechselnde TiO₂-Schichten 2 und SiO₂-Schichten 3, 4 aufweisen. Die erste Schichtenfolge 11 kann insbesondere ein Wechselschichtsystem der TiO₂-Schichten 2 und SiO₂-Schichten 3, 4 sein, das eine Vielzahl von Schichtpaaren aufweisen kann. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 1 nur zwei solcher Schichtpaare der ersten Schichtenfolge 11 dargestellt, wobei die Anzahl der Schichtpaare tatsächlich aber größer sein kann. Beispielsweise kann die erste Schichtenfolge 11 zehn Schichtpaare umfassen. Die erste Schichtenfolge 11 wird bevorzugt mittels eines Beschichtungsverfahrens erzeugt, bei dem ein Energieeintrag in die aufwachsenden Schichten erfolgt, wie beispielsweise Plasma-ionengestützter Beschichtung (PIAD, Plasma Ion Assisted Deposition), Sputtern oder ALD (Atomic Layer Deposition). Der Energieeintrag wird bei dem Beschichtungsverfahren vorzugsweise derart gesteuert, dass die maximale Spannung in der Schichtenfolge 11 im Druckspannungsbereich liegt und vorzugsweise eine Druckspannung von 250 MPa nicht überschreitet.
Die oberste Schicht der ersten Schichtenfolge 11 fungiert bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens als Grundschicht 4 zum Aufbringen einer 2D-Schicht 5 eines Übergangsmetall-Dichalkogenids. Die Grundschicht 4 ist vorzugsweise eine SiO₂-Schicht.
Die 2D-Schicht 5 wird in einem Zwischenschritt des Verfahrens auf die Grundschicht 4 aufgebracht. Die 2D-Schicht 5 ist bei dem Ausführungsbeispiel eine MoSe₂-Schicht mit einer Dicke von nur etwa 1 nm. Die 2D-Schicht 5 weist insbesondere nur die Dicke einer einzigen Moleküllage auf. Wie in 1 zu sehen ist, bedeckt die 2D-Schicht 5 die Oberfläche der Grundschicht 4 nicht vollständig, sondern bildet eine inselförmige Schicht aus, die nur voneinander separierte inselförmige Bereiche der Grundschicht 4 bedeckt. Die inselförmigen Bereiche weisen vorzugsweise im Mittel eine laterale Ausdehnung von weniger als 150 µm auf. Weiterhin sind zwischen den inselförmigen Bereichen der 2D-Schicht 5 Zwischenräume vorhanden, deren laterale Ausdehnung im Mittel mindestens 20 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm beträgt. Die 2D-Schicht 5 des Übergangsmetall-Dichalkogenids MoSe₂ kann beispielsweise durch Exfoliation auf die Grundschicht 4 aufgebracht werden. Alternativ sind aber auch andere Verfahren zur Herstellung einer molekularen Monolage geeignet, beispielsweise das Aufbringen aus einer Lösung.
Es ist optional möglich, dass die 2D-Schicht 5 mit einer Schutzschicht (nicht dargestellt) versehen wird, beispielsweise mit einer dünnen Schicht aus hexagonalem Bornitrid. Eine solche Schutzschicht kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn zwischen dem Aufbringen der 2D-Schicht 5 und dem nachfolgenden Verfahrensschritt, bei dem eine Deckschicht 6 aufgebracht wird, der Vakuumprozess unterbrochen werden muss.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des optischen Schichtsystems sind die 2D-Schicht 5 sowie die freiliegenden Bereiche der Grundschicht 4, die nicht von der 2D-Schicht bedeckt sind, einer Plasmabehandlung unterzogen worden. Bei dem Ausführungsbeispiel erfolgte die Plasmabehandlung mit einer Plasma-Ionenquelle, insbesondere mit einer unter der Bezeichnung APS (Advanced Plasma Source, Hersteller Firma Bühler) erhältlichen Ionenquelle. Bei der Plasmabehandlung wurden die Oberflächen der 2D-Schicht 5 sowie die freiliegenden Bereiche der Grundschicht 4 für sieben Sekunden mit einem Argonplasma behandelt. Das Plasma wurde mit einem Gasfluss von 10 sccm, mit 60 V Beschleunigungsspannung, 30 A Kathodenentladungsstrom, bei einem Hintergrunddruck von weniger als 10^-5 mbar erzeugt. Durch eine an die Plasma-Ionenquelle angelegte Beschleunigungsspannung von 60 V werden Argonionen mit einer Energie von nicht mehr als 60 eV erzeugt. Die auf die freiliegenden Bereiche der Oberfläche der Grundschicht 4 auftreffenden Argonionen bewirken eine Oberflächenaktivierung, durch die die 2D-Schicht 5 nicht geschädigt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt ist eine Deckschicht 6 aufgebracht worden. Die Deckschicht 6 ist bei dem Ausführungsbeispiel eine 10 nm dicke SiO₂-Schicht, die ohne Plasmaunterstützung aufgebracht worden ist. Die Deckschicht 6 kann insbesondere durch thermisches Verdampfen aufgebracht werden, beispielsweise mit einer Abscheiderate von etwa 0,25 nm pro Sekunde. Alternativ wäre es möglich, die Deckschicht 6 mit Plasmaunterstützung mit geringen Ionenenergien von maximal 70 eV, bevorzugt maximal 60 eV, herzustellen. Durch die fehlende oder nur geringe Plasmaunterstützung wird die 2D-Schicht 5 beim Aufwachsen der Deckschicht 6 nicht geschädigt. Die Deckschicht 6 geht insbesondere aufgrund der vorherigen Plasmabehandlung eine stabile chemische Bindung mit den freiliegenden Bereichen der Grundschicht 4 ein und verkapselt so die 2D-Schicht 5.
Auf die Deckschicht 6 sind in weiteren Schritten des Verfahrens mehrere weitere Schichten 7, 8, 9 aufgebracht worden. Das Aufbringen der weiteren Schichten erfolgt vorzugsweise mit zunehmender Plasmaunterstützung. Die 2D-Schicht 5 wird hierbei nicht beschädigt, da sie bereits durch die Deckschicht 6 geschützt ist. Beispielsweise kann eine Zwischenschicht 7, die direkt auf die Deckschicht 6 aufgebracht wird, mit einer Plasmaunterstützung mit Ionenenergien von maximal 100 eV aufgewachsen werden. Nachfolgend können eine oder mehrere weitere Schichten 8, 9 mit einer Plasmaunterstützung aufgewachsen werden, bei der Ionenenergien höher sind als bei der Zwischenschicht 7. Durch die Plasmaunterstützung erhöht sich die Robustheit der Schichten 8, 9 gegen mechanische und thermische Belastungen. Insbesondere können auf diese Weise hoch verdichtete Schichten aufgebracht werden, die stabile optische Eigenschaften aufweisen. Das heißt insbesondere, dass sich ihre Brechzahl und Dicke bei nachfolgender Lagerung an Luft nicht verändern.
Zur Herstellung der weiteren Schichten 8, 9 eignen sich beispielsweise Aufdampfverfahren mit Plasmaunterstützung oder Sputterverfahren. Die Materialien, Abscheidedauern und -raten werden so gewählt, dass eine vorher bestimmte optische Funktion erreicht wird. Bei dem Ausführungsbeispiel wurden die weiteren Schichten 8, 9 mit Plasmaunterstützung der Plasmaionenquelle mit einem Argon-Gasfluss von 10 sccm, einem Sauerstofffluss von 10 sccm, einer Beschleunigungsspannung zwischen 80 V und 140 V sowie einem Kathoden-Entladungsstrom zwischen 40 A und 50 A abgeschieden.
Die Deckschicht 6 kann die unterste Schicht einer zweiten Schichtenfolge 12 sein, die insbesondere eine Vielzahl dielektrischer Schichten 6, 7, 8, 9 aufweisen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die zweite Schichtenfolge 12 wie die erste Schichtenfolge 11 ein Wechselschichtsystem aus SiO₂-Schichten 6, 7, 9 und TiO₂-Schichten 8, die beispielsweise achtzehn Schichten enthält. Insbesondere können die erste Schichtenfolge 11 und die zweite Schichtenfolge 12 jeweils ein dielektrisches Interferenzschichtsystem sein, das einen Spiegel ausbildet. Die 2D-Schicht 5 wird auf diese Weise in einen optischen Resonator aus zwei Spiegeln eingebracht. Das so hergestellte optische Resonatorsystem ist kompatibel für kryogene Anwendungen und hat beispielsweise einen optischen Qualitätsfaktor von mindestens 3000. Dabei bezeichnet der optische Qualitätsfaktor den Quotienten aus der Breite des resonanten Wellenlängenbereiches des vollständigen Resonators und der spektralen Lage des Zentrumspunktes dieses resonanten Wellenlängenbereiches. Mögliche Anwendungen einer 2D-Schicht in einem optischen Resonator sind beispielsweise hocheffiziente Emitter mit einer hohen Quanteneffizienz und einstellbarer Wellenlänge.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: TiO₂-Schicht
3: SiO₂-Schicht
4: Grundschicht
5: 2D-Schicht
6: Deckschicht
7: Zwischenschicht
8: TiO₂-Schicht
9: SiO₂-Schicht
10: optisches Schichtsystem
11: erste Schichtenfolge
12: zweite Schichtenfolge

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Schichtsystems (10) , umfassend die Schritte: - Herstellen einer Grundschicht (4), - Aufbringen einer 2D-Schicht (5) eines Übergangsmetall-Dichalkogenids auf die Grundschicht (4), wobei die 2D-Schicht (5) eine inselförmige Schicht ist und Bereiche der Oberfläche der Grundschicht (4) freiliegen, - Durchführen einer Plasmabehandlung, bei der geladene Teilchen auf die 2D-Schicht (5) und auf die freiliegenden Bereiche der Grundschicht (4) treffen, wobei die geladenen Teilchen eine Energie von nicht mehr als 70 eV aufweisen, und - Aufbringen einer Deckschicht (6) auf die 2D-Schicht (5) und die freiliegenden Bereiche der Grundschicht (4), wobei das Material der Deckschicht (6) eine chemisch stabile Bindung mit dem Material der Grundschicht (4) eingeht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Übergangsmetall-Dichalkogenid eine Verbindung von Mo oder W mit S, Se oder Te ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 2D-Schicht (5) nicht mehr als 2 nm dick ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 2D-Schicht (5) eine molekulare Monolage ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundschicht (4) und/oder die Deckschicht (6) eine Oxidschicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundschicht (4) und/oder die Deckschicht (6) SiO₂ aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen der Deckschicht (6) ohne Plasmaunterstützung oder mit Plasmaunterstützung mit einer Ionenenergie von nicht mehr als 70 eV erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Deckschicht (6) zwischen 5 nm und 30 nm dick ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zwischenschicht (7) mit Plasmaunterstützung mit einer Ionenenergie von mehr als 60 eV und nicht mehr als 100 eV direkt auf die Deckschicht (6) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mindestens eine weitere Schicht (8, 9) mit Plasmaunterstützung auf die Zwischenschicht (7) aufgebracht wird, wobei die Ionenenergie größer ist als beim Aufbringen der Zwischenschicht (7) und nicht größer als 150 eV ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundschicht (4) die oberste Schicht einer ersten Schichtenfolge (11) und die Deckschicht (6) die unterste Schicht einer zweiten Schichtenfolge (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Schichtenfolge (11) und die zweite Schichtenfolge (12) jeweils einen Resonatorspiegel ausbilden.
Optisches Schichtsystem, umfassend - eine Grundschicht (4), - eine auf der Grundschicht (4) angeordnete 2D-Schicht (5) eines Übergangsmetall-Dichalkogenids, wobei die 2D-Schicht (5) eine inselförmige Schicht ist, welche die Grundschicht (4) nicht vollständig bedeckt, und - eine Deckschicht (6), die auf der 2D-Schicht und nicht von der 2D-Schicht bedeckten Bereichen der Grundschicht (4) angeordnet ist, wobei das Material der Deckschicht (6) eine chemisch stabile Bindung mit dem Material der Grundschicht (4) aufweist.
Optisches Schichtsystem nach Anspruch 13, wobei das Übergangsmetall-Dichalkogenid eine Verbindung von Mo oder W mit S, Se oder Te ist.
Optisches Schichtsystem nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Grundschicht (4) die oberste Schicht einer ersten Schichtenfolge (11) und die Deckschicht (6) die unterste Schicht einer zweiten Schichtenfolge (12) ist.