Optische Nahfeldmikroskopie (Scanning Near field Optical Microscopy)

Präsentation zum Thema: "Optische Nahfeldmikroskopie (Scanning Near field Optical Microscopy)"—  Präsentation transkript:

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

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

3 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

4 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

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

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

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

8 Berechnung des Nahfeldes
Gesucht: Bekannt: Helmholtzgleichung:

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

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

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

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

13 Photonentunneln Schrödingergleichung: Helmholtzgleichung: 13/26

14 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 her hast! 14/26

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

16 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

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

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

19 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

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

21 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

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

23 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

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

25 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

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