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Optische Nahfeldmikroskopie (S canning N ear field O ptical M icroscopy ) Robert Hölzel, 25. Januar 2005.

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1 Optische Nahfeldmikroskopie (S canning N ear field O ptical M icroscopy ) Robert Hölzel, 25. Januar 2005

2 Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) Überblick Nahfeldtheorie Experimenteller Aufbau Beispielmessungen 2/26

3 Grundidee Das Nahfeld enthält Informationen jenseits des Beugungslimits 3/26

4 Historischer Überblick 1928Synge schlägt Mikroskopie mittels kleiner Apertur vor 1944Fernfeldberechnung (Bethe) 1950Nahfeldkorrektur (Bouwkamp) 1972 Ash erreicht mit Mikrowellen (3cm) eine Auflösung von 0,5mm = / erste Messung mit sichtbarem Licht(Lewis/Pohl, Auflösung /20 ) 4/26

5 Das Abbesche Beugungslimit Gitter Objektiv Fourierebene Bild 5/26

6 Das Abbesche Beugungslimit Objektebene Bildebene Beugungs- muster d < 6/26

7 Berechnung des Nahfeldes Objektebene (z=0) Fourier-Zerlegung: A 0 ( heisst Winkelverteilung von E(x,y,0) 7/26

8 Gesucht: Bekannt: Helmholtzgleichung: Berechnung des Nahfeldes

9 d = 10 d = 1 d = 0,1 Winkelverteilung eines Spaltes Falls 9/26

10 Winkelverteilung eines Spaltes Fernzone Nahfeld d>> d~ d< Propagierende Wellen Evaneszente Wellen 10/26

11 Nahfeld einer kreisförmigen Öffnung 11/26 E²

12 Nahfeldsonden Apertursonde aperturlose Sonde 12/26

13 Photonentunneln Schrödingergleichung:Helmholtzgleichung: 13/26

14 Nahfeld vs. Fernfeld Fernfeld –propagierende Wellen –Ortsinformation beschränkt auf d –Abfall ~1/r² Nahfeld –evaneszente Felder (Abklinglänge d) –stark lokalisiert => hohe Ortsinformation – im Nahbereich stark überhöht gegenüber Fernfeld (bis zu 10 6 mal stärkere Intensität, je nach Geometrie) 14/26

15 1 ~10 -6 ~10 -3 Experimenteller Aufbau 15/26

16 300 nm Apertursonden Herstellung: - Ziehen von Glasfasern - Bedampfen mit Aluminium - Abschneiden der Spitze durch Ionenstrahl Vorteil: exakte Probenausleuchtung Nachteil: geringe Auflösung 16/26

17 Der Cutoff-Effekt exponentieller Abfall der Intensität unter- halb des Cutoffpunkts durch das Material beschränkte Lichteinkopplung 17/26

18 Der Cutoff-Effekt 18/26

19 Aperturlose Sonden - AFM- oder Tunnelspitzen Vorteile: - bessere Auflösung als Apertursonden (atomare Spitzen) - kein Cutoff Nachteil: -nicht geeignet für Fluoreszenz- messungen 19/26

20 Kombinierte AFM - SNOM - Messung 20/26

21 Kombinierte AFM - SNOM - Messung -mehr Kontrast als bei reiner Topographie- messung -optische Eigenschaften der Oberfläche sind zugänglich 21/26

22 Messung an Photodetektoren A: Nahfeld B: Fernfeld C: Nahfeld Laserprofil Photostrom 22/26

23 Einzelmolekülfluoreszenz Proteasom-Moleküle (11x15 nm) werden mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, und können einzeln detektiert werden. 23/26

24 Evaneszenzfeld-Sensoren Prisma Luft Laser Laser wird über O 2 -Resonanz durchgestimmt => Abklinglänge d ändert sich um etwa 30% 24/26

25 Zusammenfassung: SNOM objektgebundene evaneszente Felder enthalten Ortsinformation jenseits des Abbeschen Beugungslimits Experimenteller Aufbau: AFM mit Messung der Streulichtintensität von Apertursonden oder AFM-Spitzen optische Informationen auf Nanometerskala 25/26

26 Verwendete Literatur Vorlesungsskript Nanooptik (Dr. R. Hillenbrand) Georg Kolb: Optische Nahfeldmikroskopie an Photodetektoren mit hoher Auflösung Bernhard Knoll: Abtastende Nahfeldmikroskopie mit Infrarot- und Mikrowellen Axel Kramer: Optische Nahfeldmikroskopie an oberflächenaktiven Filmen und einzelnen Molekülen Bergmann-Schäfer: Optik Internet 26/26


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