Optische Nahfeldmikroskopie (Scanning Near field Optical Microscopy) Robert Hölzel, 25. Januar 2005

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

Das Nahfeld enthält Informationen jenseits des Beugungslimits Grundidee Hier sollte noch Apertursonde und die andere rein … Das Nahfeld enthält Informationen jenseits des Beugungslimits 3/26

Historischer Überblick 1928 Synge schlägt Mikroskopie mittels kleiner Apertur vor 1944 Fernfeldberechnung (Bethe) 1950 Nahfeldkorrektur (Bouwkamp) 1972 Ash erreicht mit Mikrowellen (3cm) eine Auflösung von 0,5mm = l /60 1984 erste Messung mit sichtbarem Licht (Lewis/Pohl, Auflösung l/20 ) Auflösung war lambda/ 16 4/26

Das Abbe‘sche Beugungslimit Gitter Fourierebene Objektiv Bild 5/26

Das Abbe‘sche Beugungslimit Bildebene Beugungs-muster lamda d < l Objektebene 6/26

Berechnung des Nahfeldes Objektebene (z=0) A0 (a,b) heisst Winkelverteilung von E(x,y,0) Fourier-Zerlegung: 7/26

Berechnung des Nahfeldes Gesucht: Bekannt: Helmholtzgleichung:

Winkelverteilung eines Spaltes l/d = 10 l/d = 1 l/d = 0,1 Falls a2+b2 < 1: Falls a2+b2 > 1: 9/26

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

Nahfeld einer kreisförmigen Öffnung Hier kommt ein Bild vom exponentiellen abklingen und ein Bouwkamp rein, woher auch immer! Überhöhung ansprechen 11/26

Nahfeldsonden aperturlose Sonde Apertursonde 12/26 Erwähnen, dass die Spitze ein zeitlich veränderbares Feld sieht usw! Apertursonde 12/26

Photonentunneln Schrödingergleichung: Helmholtzgleichung: 13/26

Nahfeld vs. Fernfeld Fernfeld Nahfeld propagierende Wellen Ortsinformation beschränkt auf Dd   Abfall ~1/r² Nahfeld evaneszente Felder (Abklinglänge ~ d) stark lokalisiert => hohe Ortsinformation im Nahbereich stark überhöht gegenüber Fernfeld (bis zu 106 mal stärkere Intensität, je nach Geometrie) noch mal schauen, wo du die 1000000 her hast! 14/26

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

Apertursonden Herstellung: durch Ionenstrahl Vorteil: 300 nm Herstellung: - Ziehen von Glasfasern Bedampfen mit Aluminium Abschneiden der Spitze durch Ionenstrahl Vorteil: exakte Probenausleuchtung Nachteil: geringe Auflösung Abmessungen, herstellung muss rein, dann ein schönes bild, vielleicht durch klicken! noch zu klären: was für bilder 16/26

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

Der Cutoff-Effekt Hier Koaxialsonden erwähnen …, Größenordnung der Wellenlänge wäre gut! 18/26

Aperturlose Sonden AFM- oder Tunnelspitzen Vorteile: bessere Auflösung als Apertursonden (atomare Spitzen) kein Cutoff Nachteil: nicht geeignet für Fluoreszenz- messungen Eine Folie exakt gerade, eine Folie aus Internet!; ist eventuell erweiterbar durch Knollrechnung 19/26

Kombinierte AFM - SNOM - Messung Kontrastverstärkung, Streuverhalten, die verschiedenen Elemente 20/26

Kombinierte AFM - SNOM - Messung mehr Kontrast als bei reiner Topographie- messung -optische Eigenschaften der Oberfläche sind zugänglich technische info zu dem Versuch sollte nicht ganz fehlen! => vielleicht nur die, und Vorteile, die ja augenfällig sind nur erwähnen! 21/26

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

Einzelmolekülfluoreszenz (Proteasome) 11X15 nm breit, vielleicht noch dazu sagen, dass separat anregungslicht gestrahlt wird, dass dann aber rausgefiltert werden kann!, das es ne Doktorarbeit hier war, und so weiter Proteasom-Moleküle (11x15 nm) werden mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, und können einzeln detektiert werden. 23/26

Evaneszenzfeld-Sensoren Laser wird über O2-Resonanz durchgestimmt => Abklinglänge d ändert sich um etwa 30% Luft Laser Prisma 24/26

Zusammenfassung: SNOM objektgebundene evaneszente Felder enthalten Ortsinformation jenseits des Abbe‘schen Beugungslimits Experimenteller Aufbau: AFM mit Messung der Streulichtintensität von Apertursonden oder AFM-Spitzen optische Informationen auf Nanometerskala Nach erwähnung von Afm draufkommen, z.B: streuquerschnitte von Polymeren usw.25 25/26

Verwendete Literatur Vorlesungsskript Nanooptik (Dr. R. Hillenbrand) http://www.biochem.mpg.de 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