Optische Nahfeldmikroskopie

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

2005

Optische Nahfeldmikroskopie

(SNOM)

•Überblick•Nahfeldtheorie•Experimenteller Aufbau•Beispielmessungen

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Grundidee

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 = /60

• 1984 erste Messung mit sichtbarem Licht (Lewis/Pohl, Auflösung /20 )

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Das Abbe‘sche Beugungslimit

Gitter

Objektiv

Fourierebene

Bild

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Das Abbe‘sche Beugungslimit

Objektebene BildebeneBeugungs-muster

d < 6/26

Berechnung des NahfeldesObjektebene (z=0)

yxykxki

yx dkdkekkyx yx )(),()0,,( 0AE

Fourier-Zerlegung:

A0 (heisst

Winkelverteilung von E(x,y,0)

kkx /kk y /

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Gesucht: ),,( zyxEBekannt:

yxyxik dkdke )(),( 0A

)0,,( yxE

yxykxik dkdkezzyx )(),,(),,( AE

Helmholtzgleichung: zik zezk ),(),,(022 0AAEE

Berechnung des Nahfeldes

)0,0,(A

d = 10

d = 1

d = 0,1

Winkelverteilung eines Spaltes

2222yxz kkk k

)1( 222 k

Falls

Falls

zki ze0AA(z)

zkze 0AA(z)

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Winkelverteilung eines Spaltes

Fernzone

Nahfeld

d>>

d~ d<Propagierende WellenEvaneszente Wellen 10/

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Nahfeld einer kreisförmigen Öffnung

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E²

Nahfeldsonden

Apertursonde

aperturlose Sonde

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Photonentunneln

Schrödingergleichung:

0)()(2

)(2

2

zVEm

zx

ikzeaz )(

Helmholtzgleichung:

0)()( 22

2

zEkzEz

ikzeazE )(

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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 106 mal stärkere Intensität, je nach

Geometrie)

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)cos(2 SRefSRef IIIII

1 ~10-6 ~10-3

Experimenteller Aufbau

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300 nm300 nm

ApertursondenHerstellung:

- Ziehen von Glasfasern

- Bedampfen mit

Aluminium

- Abschneiden der Spitze

durch Ionenstrahl

Vorteil:

exakte Probenausleuchtung

Nachteil:

geringe Auflösung 16/26

Der Cutoff-Effekt

exponentieller Abfall der Intensität unter-halb des Cutoffpunkts

durch das Material beschränkte Lichteinkopplung

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Der Cutoff-Effekt

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Aperturlose Sonden- AFM- oder Tunnelspitzen

Vorteile:

- bessere Auflösung als

Apertursonden (atomare Spitzen)

- kein Cutoff

Nachteil:

-nicht geeignet für Fluoreszenz-

messungen 19/26

Kombinierte AFM - SNOM - Messung

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Kombinierte AFM - SNOM - Messung

-mehr Kontrast als bei

reiner Topographie-

messung

-optische Eigenschaften

der Oberfläche sind

zugänglich

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Messung an Photodetektoren

A: Nahfeld B: Fernfeld C: Nahfeld Laserprofil

Photostrom

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Einzelmolekülfluoreszenz

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

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Evaneszenzfeld-Sensoren

Prisma

Luft

Laser

Laser wird über O2-Resonanz durchgestimmt

=> Abklinglänge d ändert sich um etwa 30%

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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

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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

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