Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von optischen

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von
optischen Nahfeldwechselwirkungssignalen (SNOM)
2982 KWT
Zusammenfassung
Ansprechpartner
Infrarotlicht hat die Besonderheit, dass sich damit die chemische
Zusammensetzung und die Kristallstruktur von Stoffen analysieren lassen. Die
Infrarotspektroskopie ist daher eine weit verbreitete Methode in der
Materialforschung, der (bio-)chemischen Analytik und auch in der Biomedizin.
Die naturgemäß langen Wellenlängen von Infrarotlicht begrenzen jedoch das
räumliche Auflösungsvermögen von Infrarot-Spektrometern oder Mikroskopen
auf einige Mikrometer. Folglich ist es unmöglich die Zusammensetzung von
Materialien auf der nanoskopischen Skala zu untersuchen.
Die Technologie der Erfindung basiert auf einer neuartigen infrarot-optischen
Nanotechnologie, welche auf Kristallgitter-Schwingungen (Phonen) beruht. Sie
bietet ein verbessertes Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von optischen
Nahfeldwechselwirkungssignalen im infraroten Spektralbereich, möglich werden
dadurch Nahfeldmessungen mit einem erhöhtem Signal-Rausch-Verhältnis und
Infrarotmessungen mit erhöhter spektraler Selektivität. Optische Nahfelder
treten in der Nähe jedes beleuchteten Objektes auf. Sie werden durch die
Wechselwirkung der beleuchteten Materie mit dem einfallenden
elektromagnetischen Feld erzeugt und fallen innerhalb typischer Abstände von
10 bis 100 nm stark ab.
Grundidee ist dabei, optische Nahfeldwechselwirkungssignale im infraroten
Spektralbereich zu erfassen und/oder zu verarbeiten, indem mindestens eine
Objekt-Kombination mit IR-Strahlung beleuchtet wird, so dass zwischen den
Objekten eine Infrarot-Nahfeldkopplung erzeugt und das von der ObjektKombination gestreute Streulicht erfasst wird, wobei ein Anteil davon durch die
Nahfeldkopplung modifiziert ist. Hierbei ist mindestens eines der Objekte ein
polares Material, mit einer zumindestens teilweisen polaren Festkörperstruktur.
Bei der Beleuchtung der Objekt-Kombination wird mindestens eine PhononPolaron-Resonanz angeregt, wobei der modifizierte Anteil im Streulicht
verstärkt wird. Die Verstärkung tritt bei materialabhängigen, durch die
Phononen bestimmten Frequenzen als scharfe Resonanz auf
(Nahfeldresonanz).
Technologie
Apparatives:
Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Infrarotstrahlung,
Detektoreinrichtung, mit der die an der Sondeneinrichtung gestreute
Infrarotstrahlung detektierbar ist,
Sondeneinrichtung mit mindestens einer Sonde, welche wenigstens
teilweise aus einem Material mit polarer Festkörperstruktur besteht und
die mit Abstand zu einer Probe verfahrbar oder in einer Probe angeordnet
ist.
Erfassung von optischen Nahfeldwechselwirkungssignalen im infraroten
Spektralbereich, mit den Schritten:
Beleuchtung einer Objekt-Kombination aus (Sonde / Probe - Lesekopf /
Datenträger) mit Infrarotstrahlung, so dass eine zwischen diesen eine
Infrarot-Nahfeldkopplung erzeugt wird,
Erfassung des von der Objekt-Kombination gestreuten Streulichts mit
einem durch Nahfeldkopplung modifizierten Anteils:
wobei mindestens eines der Objekte ein polares Material, welches
zumindestens teilweise eine polare Festkörperstruktur besitzt, umfasst;
Dr. Wolfgang Tröger
Telefon: 089 / 290919-27
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Anregung mindestens einer Phononenresonanz in mindestens einem
der Objekte, wodurch der modifizierte Anteil des Streulichts verstärkt
wird.
Infrarotdetektion mittels eines Detektors zur Erfassung des modifizierten
Anteils;
Spektralanalyse des gemessenen Streulichts;
Beispiele für polare Materialien: ferroelektrisches Material (Bariumtitanat),
SiC, Si3N4, CaPO3, CaP03, CaCO3, Si02
Anwendungsbeispiele
Optische Nahfeldmikroskopie:
Eine extrem feine Abtastnadel rastert eine Oberfläche ab, dabei bündelt
die Nadel eingestrahltes Licht - ähnlich einer Antenne - zu einem winzigen
Leuchtfleck, bis zu 300-mal stärker als die beste Fokussierlinse.
100-mal besseren Auflösung als bei herkömmlichen Infrarot-Mikroskopen.
Datenspeicherung / optisches Lesen gespeicherter Daten:
Infrarot-Datenspeicherung,
SNOM Auflösung von 10 nm stellt eine Auslesemöglichkeit mit extrem
hoher Auflösung bereit,
Speicherdichte jenseits einer DVD bis zu 1 Terrabit pro
Quadratzentimeter,
Langzeitspeicherung / Archivierung auf SiC-Datenträgern
Zerstörungsfreie Qualitätsprüfung:
von Kristalloberflächen,
bei Kristallzucht,
bei der Waferproduktion in der Halbleiterindustrie;
Sensortechnik:
Infrarot-Sensoren,
Diagnostikverfahren;
Optischer Modulator:
Infrarot-optische Informationsverarbeitung;
Untersuchung nicht-linearer optischer Erscheinungen
Abb.: Funktionsweise eines Streulicht-Nahfeldmikroskops: eine metallische Antenne
(hier die Abtastspitze eines Kraftmikroskops) bündelt eingestrahltes Infrarotlicht eines
CO2-Lasers auf einen Fleck von nur wenigen 10 Nanometern Durchmesser. Mit
diesem Infrarotlicht wird ein Siliziumkarbid-Kristall, dessen Kristallgitter an der
Oberfläche durch einen Gallium-Ionen-Strahl lokal gestört wurde (Schachbrettmuster),
abgerastert. Die ungestörten Kristallflächen erscheinen hell und die gestörten
Bereiche dunkel. Die Größe der Schachbrettfelder variiert von 200 Nanometer bis 1.6
Mikrometer und ist damit deutlich kleiner als die Wellenlänge (ca. 10 Mikrometer) des
Infrarotlichts.
Bild: MPI für Biochemie/Nenad Ocelic
Abb.: Infrarot Nahfeld-Amplituden-Bilder implantierter Ga+ Strukturen.
a) s2-Amplitudenbild eines Schachbrettmusters bei 891 cm -1. Die Einfügung zeigt
einen eingezoomten Scan der 200 nm Quadrate.
b) s2-Amplitudenbild von implantierten (200 nm und 100 nm breit) bei 920 cm-1.
Veröffentlichungen
1.
2.
3.
4.
5.
N. Ocelic and R. Hillenbrand
Subwavelength-scale tailoring of surface phonon polaritons by focused
ion-beam implantation
Nature Materials, 1. September 2004; published online 1 August 2004
R. Hillenbrand
Towards phonon photonics: scattering-type near-field optical microscopy
reveals phonon-enhanced near-field interaction
Ultramicroscopy 100, 421-427, 2004
MPG-Pressemitteilung "Infrarotantenne als 'Nano-Lupe' " vom 10. Juli
2002
R. Hillenbrand, T. Taubner, F. Keilmann
Phonon-enhanced light-matter interaction at the nanometre scale
Nature 418, 159-162, 2002
R. Hillenbrand, B. Knoll, F. Keilmann
Pure optical contrast in scattering-type scanning near-field optical
microscopy
J. Microscopy 202, 77-83, 2001