Hochindexmaterialien

Hochindexmaterialien sind Materialien, deren refraktiver Brechungsindex n deutlich über dem von gängigen optischen Gläsern liegt. Sie ermöglichen einen starken optischen Kontrast zwischen benachbarten Medien und eine effiziente Lichtführung in kompakter Bauweise. Typischerweise wirken sie in der integrierten Photonik, Mikrosystemtechnik und bei der Realisierung von Metamaterialien als Bausteine mit hohem Indexkontrast.

Zu den charakteristischen Eigenschaften zählt ein hoher Brechungsindex, der eng gefasste Moden und eine starke Lichtbeugung ermöglicht. Der Index ist wellenlängenabhängig (Dispersion) und variiert daher mit der Spektralregion. Viele Hochindexmaterialien sind kristallin oder amorph und weisen Transparenzfenster auf, die je nach Material im UV- bis nahen IR-Bereich liegen. Zusätzlich können anisotrope Eigenschaften in Kristallen auftreten. Oft besteht eine Balance zwischen niedriger Absorption im relevanten Spektrum, chemischer Stabilität und Verarbeitbarkeit; Defekte, Feuchtigkeit und Temperatur können die Leistung beeinflussen.

Herstellung und Integration stellen technologische Herausforderungen dar. Die Herstellung erfordert hochreine Materialien, präzise Kristallzucht oder dünnschichttechnologien wie CVD, PVD oder epitaktische Prozesse. Die Kosten, Materialverfügbarkeit und Kompatibilität mit Substraten sowie die thermische Expansion müssen berücksichtigt werden. Bei der Integration in Bauteile spielen Passgenauigkeit, Oberflächenqualität und mechanische Stabilität eine zentrale Rolle.

Anwendungen finden sich in der all-dielectric Nanophotonik, in Wellenleitern, Mikroresonatoren, Antireflexbeschichtungen sowie in allascheren Metamaterialien und Photonic- Crystal-Strukturen. Hohe Indexkontraste ermöglichen kompakte Bauteile, effiziente Kopplung und präzise Phasensteuerung. Typische Hochindexmaterialien umfassen TiO2, Ta2O5, ZrO2 sowie GaP und GaAs; Silizium besitzt im sichtbaren Spektrum keinen transparenten Bereich, bietet aber hohe Indizes in bestimmten IR-Regionen. Die Wahl hängt von Wellenlänge, Transparenz und Verarbeitbarkeit ab.