Moderne Methoden der Mikroskopie Optische

Moderne Methoden der Mikroskopie
Optische Nahfeldmikroskopie SNOM
Marius Wanko
12. September 2000
Zusammenfassung
Dies ist das Prospekt zu einem Vortrag im Rahmen eines Studentenseminars über Moderne Methoden der Mikroskopie, das im
SS 1998 an der Uni Paderborn von Prof. W. Sohler geleitet wurde.
Ziel des Vortrages war es, einen groben Überblick über Grundlagen und Anwendung der optischen Nahfeldmikroskopie zu geben.
1
Einleitung
Optische Mikroskope nehmen in Forschung und Industrie auch heute
noch eine dominierende Stellung ein, da sie gegenüber anderen Verfahren wie SEM, STM oder AFM einige Vorteile besitzen. So lassen sich
Proben kostengünstig und ohne großen Aufwand untersuchen, wobei
eine Vielzahl von Präparations- und Kontrastverfahren zur Verfügung
stehen. Auch die zerstörungsfreie Detektion ist – insbesondere bei biologischen Proben und in der Qualitätskontrolle – von Bedeutung. Ferner ist man bei anderen Verfahren oft auf Proben mit speziellen Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, glatte Probenoberfläche) angewiesen. Ein großer Nachteil der klassischen optischen Mikroskopie ist
jedoch die generelle Beschränkung des Auflösungsvermögens, welches
von der Wellenlänge des Lichtes und der numerischen Apertur des Objektives abhängt:
dmin =
λ
n · sin α
1
Diese Grenze ist jedoch nicht endgültig, sondern läßt sich überwinden, wenn man anstatt des Fernfeldes das optische Nahfeld detektiert.
Das optische Nahfeld enthält Informationen über Strukturen der Probenoberfläche, die deutlich kleiner als λ sind (bis hin zu atomaren Größenordnungen).
Um das optische Nahfeld jedoch detektieren zu können, muß man das
Objektiv durch eine Apertur ersetzen, welche die Probenoberfläche in
geringem Abstand abscannt. Das Auflösungsvermögen eines optischen
Nahfeld Mikroskops (SNOM = Scanning Near Field Optical Microscope) hängt lediglich von der Größe der Apertur und dem Abstand zur
Probe ab.
Die Geschichte der Nahfeld Mikroskopie ist noch recht jung. Ein
erstes Nahfeldmikroskop für Mikrowellen stammt von Ash Nicholls
(1972). Er erreichte damit eine Auflösung von λ/60.
Der Durchbruch für Nahfeldmikroskopie im sichtbaren Bereich wurde erst durch die Piezo-Technik der Rastersonden Mikroskopie möglich. Das erste SNOM für den sichtbaren Bereich stammt von Pohl
(1984), das erste SNOM in Reflexion entwickelte Fischer (1988).
Es besteht aus einer Quarzkristall-Platte, die auf der Unterseite
mit einer 20 nm starken Al Schicht versehen ist. Durch eine kleine
Apertur in dieser Schicht kann das Licht, das in der Platte total reflektiert wird, mit der Probe wechselwirken. Das an der Probe gestreute
Licht kann dann über der Platte detektiert werden.
Abbildung 1: SNOM in Reflexion nach Fischer
2
2
Das optische Nahfeld
Um zu verstehen, was das Nahfeld ist, bzw. wie das Licht mit der Probenoberfläche wechselwirkt, verwendet man das Modell einer dielektrischen Kugel. Tatsächlich verhält sich ein Objekt oder eine Struktur,
die wesentlich kleiner als die Wellenlänge ist, in guter Näherung wie
eine solche.
Abbildung 2: Dipolfeld einer dielektrischen Kugel in ebener Welle
Im Feld einer ebenen Welle wird diese Kugel (Durchmesser a, Dielektrizitätskonstante ) polarisiert und emittiert das Feld eines oszillierenden Dipols mit dem Dipolmoment p [1]:
~ Dipol =
E
1
1
1
ik
{k 2 (~n × p~) × ~n + [3~n(~n · p~) − p~]( 3 − 2 )} exp i(ωt − ~k · ~r)
4πε0
r
r
r
ε−1 3~
mit
p~ = (
) a Eein .
ε+2
Aus dieser Gleichung lassen sich nun die führenden Terme für das
Nahfeld (r λ/2) und das Fernfeld (r λ/2) entwickeln:
~ N ahf eld = 3~n(~n · p~) − p~ exp i(ωt − ~k · ~r)
E
4πε0 r3
2
~ F ernf eld = k (~p − ~n(~n · p~)) exp i(ωt − ~k · ~r)
E
4πε0 r
3
für r λ/2,
für r λ/2.
Das Nahfeld fällt wie das statische Dipolfeld mit 1/r3 ab, ist also
nicht propagierend. Es in unmittelbarer Umgebung kleiner Objekte
sehr stark ausgeprägt, geht dann aber bei Abständen ≈ λ im Fernfeld
unter, wie Abbildung 3 zeigt.
Abbildung 3: Vergleich von Fernfeld und Nahfeld
3
Betriebsarten
Man unterscheidet zwischen emission mode und collection mode je nachdem, ob die Faserspitze die Probe lokal beleuchtet und das Licht im
Fernfeld gesammelt und detektiert wird, oder ob die Probe gleichmäßig beleuchtet wird (Mikroskopobjektiv) und das Nahfeld von der Spitze detektiert wird. Auch eine Kombination aus beiden ist möglich (external reflection), jedoch wegen der schwachen Intensitäten problematisch. Je nach Art der Probe ist es sinnvoll, das transmittierte Licht
(transmission mode) oder das reflektierte Licht (reflection mode) zu untersuchen.
Ein weiteres Instrument ist das optische Tunnelmikroskop (STOM
= Scanning Tunneling Optical Microscope) [2]. Dabei befindet sich die
Probe auf der Basisfläche eines Prismas, an der ein Laserstrahl total
reflektiert wird. Bewegt man eine dielektrische Spitze in wenigen nm
4
Abbildung 4: Betriebsarten des SNOM. (a) transmission emission (b)
transmission collection (c) external reflection (d) reflection mit Cassegrain system.
Abstand von der Probe, so streut diese die evaneszente Welle, so daß
sich in ihrem Inneren eine propagierende Welle bildet, die detektiert
werden kann. Da die Intensität der evaneszenten Welle exponentiell
mit der Höhe abfällt, kann die Intensität hier auch zur Abstandskontrolle herangezogen werden und somit die Topographie der Probe aufgenommen werden. Einfacher ist es, die Spitze eines AFM (atomic force microscope) mit Scherkraftkontrolle, oder ein STM zu verwenden.
Dessen oszillierende Spitze erzeugt eine periodische Störung der Oberflächenplasmonen und damit eine Modulation in der Intensität des re5
flektierten Laserstrahls, welche mit lock-in Technik gemessen werden
kann (SPNM = Scanning Plasmon Nearfield Microscope) [3].
Abbildung 5: Scanning tunneling optical microscope
4
Sonden für das optische Nahfeld
Eine Sonde für das optische Nahfeld besteht im Prinzip aus einer hinreichend kleinen Apertur (20-300 nm). In der Regel werden dielektrische Spitzen verwendet, die aus einer herkömmlichen monomodeFaser hergestellt werden. Die Wechselwirkung zwischen einer solchen
Apertur und der Probe ist theoretisch sehr komplex und bis heute nicht
vollständig geklärt. Man stellt sich die Apertur als Streukörper vor, die
vom optischen Nahfeld angeregt wird und im Inneren der Faser eine
propagierende Welle aussendet (collection mode).
Man verwendet sowohl unbeschichtete als auch mit einer 20-200
nm starken Metallschicht (meist Aluminium wegen des starken Skin
Effektes) beschichtete Faserenden. Unbeschichtete Spitzen haben i.A.
einen kleineren Spitzenradius und eine höhere Lichtausbeute. Allerdings sind solche Spitzen sehr empfindlich gegen Streulicht. Daher
ist man (zumindest bei optischer Scherkraftkontrolle) auf beschichtete
Spitzen angewiesen. Beschichtete Spitzen lassen sich wie gesagt nicht
6
so fein herstellen und produzieren daher eher topographische Artefakte (siehe Abbildung 6). Ferner begrenzt die starke Wärmeentwicklung
an der Spitze im emission mode die einsetzbare Intensität.
Abbildung 6: Vergleich von unbehandelter und beschichteter Spitze
Eines der Hauptprobleme der Nahfeldmikroskopie ist die geringe
Intensität des Lichtes nach passieren der Apertur – der weitaus größte Teil der Leistung im emission mode wird an der Faserspitze und
nicht an der Probe reflektiert. Daher versucht man den konusförmigen
Teil der Spitze möglichst kurz zu halten. Das Standardverfahren bei
der Herstellung beschichteter Spitzen ist in Abbildung 7 zu sehen. Die
Faser wird mit einem CO2 Laser erhitzt und auseinandergezogen. Die
Spitzen werden mit verschiedenen Ätzverfahren verfeinert oder gleich
durch Ätzen hergestellt (Abbildung 8). Das Problem dabei ist die meist
beschränkte Reproduzierbarkeit der Spitzen, wodurch diese i.A. auch
noch recht teuer zu kaufen sind. Anschließend erfolgt die Bedampfung
unter einem wohldefiniertem Winkel, so daß eine Apertur an der Spitze frei bleibt. Das Ergebnis zeigt Abbildung 9.
Zum Schluß seien noch zwei exotische Varianten erwähnt. In einer Mikropipette, wie sie z.B. in der Gentechnik verwendet wird, kann
man einen Kristall aus einem fluoreszierenden Material wachsen. In
diesem werden durch Laserlicht metastabile Exzitonen erzeugt, die in
die Spitze wandern und dort rekombinieren können. Man erhält so eine
sehr intensive punktförmige Lichtquelle mit ähnlichen Eigenschaften
wie eine emittierende Faserspitze.
Auch wurden Versuche gemacht, eine Halbleiterspitze bestehend
aus einem GaAs Kristall in h111i Richtung mit Elektroden zu versehen,
zwischen denen eine Spannung den Kristall zum Leuchten anregt.
7
Abbildung 7: Herstellung von beschichteten Spitzen
Abbildung 8: (a) gezogene Spitze, (b) danach geätzt, (c)-(e) direkt geätzt
5
Abstandskontrolle
Das Bild eines optischen Nahfeldmikroskops ist sehr interpretationsbedürftig. Oft ist nicht klar, ob eine Struktur in der Aufnahme durch
die Materialeigenschaften der Probe oder durch die Topographie verursacht wird. Daher möchte man die optische Aufnahme direkt mit einer Abbildung der Topographie vergleichen1 . Darüber hinaus ist es für
die Lebensdauer der Spitze wichtig, eine präzise Abstandskontrolle zu
1
Gerade die Kombination aus Information über die räumliche Strukturen auf der
Probenoberfläche und deren optische Eigenschaften ist die Stärke des SNOM
8
Abbildung 9: Al-beschichtete Spitze und geätzte Spitze ohne Beschichtung
Abbildung 10: Fluoreszierende Mikropipette, Halbleiter-Sonde
verwenden (nur beim STOM ist es möglich eine optische Abstandskontrolle einzusetzen). Die gängigen Methoden basieren auf ScherkraftDetektion wie sie auch beim AFM eingesetzt wird. Dabei wird die Spitze in laterale Oszillation versetzt (möglichst die Eigenfrequenz der
Spitze). Diese Schwingung wird durch Reibungskräfte gedämpft, wenn
die Spitze mit der Probe „Kontakt aufnimmt“ (10-15 nm). Alles was
man also tun braucht, ist die Schwingungsamplitude der Spitze zu
messen.
Drei verschiedene Methoden sind in Abbildung 11 gezeigt. In (a)
und (b) wird die Spitze mit einem fokussierten Laserstrahl beleuchtet
und dann entweder zwei reflektierte Strahlen in einem Interferometer
9
Abbildung 11: Verschiedene Methoden der Scherkraftdetektion
10
verglichen, oder der an der Faser gebeugte Strahl an einer segmentierten Photodiode detektiert. Der Trend geht heute mehr zur nicht optischen Methode in (d). Die Faser ist auf eine sog. tuning-fork geklebt –
ein Piezoelement, welches direkt eine zur Schwingungsamplitude proportionale Wechselspannung liefert [4]. Auf diesem Wege vermeidet
man unerwünschtes Streulicht und benötigt nur sehr geringe Amplituden (≈ 1 nm). Typische Eigenfrequenzen liegen bei 30 kHz.
6
Anwendungsbeispiele
Die Anwendungsbereiche sind sehr breit gefächert. Man findet im Internet und in Fachmagazinen jede Menge Arbeitsgruppen, die ihre Ergebnisse präsentieren [5]. Ein paar Beispiele seien hier gezeigt.
Das optische Bild enthält Informationen über Transmittivität, Reflektivität und Änderungen des Brechungsindex. Ferner läßt sich die
Intensität in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung untersuchen.
So lassen sich auch magnetooptische Eigenschaften der Probe sichtbar
machen.
6.1 Chemischer Kontrast
Abbildung 12 zeigt eine Probe von AgIBr Kristallen, wie sie in Photofilmen eingesetzt werden. Die Oberfläche der einzelnen Kristalle ist
sehr flach (links). Das SNOM Bild (in Transmission) zeigt Strukturen,
die von einem Gradient der Jod-Konzentration innerhalb der Kristalle
herrührt.
Abbildung 13 zeigt die (001) Oberfläche eines benzothiazoline-2thione Kristalls, auf der sich aufgrund von Defekten Inseln gebildet haben [6]. Während das benzothiazoline-2-thione an der (001) Oberfläche
vor Autooxidation geschützt ist (entscheidende funktionale Gruppen
liegen im bulk), findet die Autooxidation in den Inseln statt. Dies sieht
man im SNOM Bild an der schwächeren Reflektivität (chemischer Kontrast).
6.2 Lithographie
Eine einfache und schnelle Methode um Spitzen zu testen ist in Abbildung 14 zu sehen. Eine 9-chloroanthracene Oberfläche wurde an
drei Stellen mit einer schlechten, unbeschichteten Spitze unter Scherkraft Kontrolle bestrahlt [7]. Das rechte Bild zeigt die entstandenen
11
Abbildung 12: AgIBr Kristalle. Topographie und SNOM Bildgröße:
7, 5µm
Abbildung 13: Autooxidation von benzothiazoline-2-thione Inseln.
AFM, SNOM.
Strukturen im AFM Modus. Im linken Bild wurde eine thioindigoid
dye Oberfläche an zwei Stellen 10 s lang mit einer feinen Spitze erhitzt
(1µW bei 488 nm). Die beiden Inseln haben einen Abstand von 600 nm.
6.3
Polarisations Kontrast
Eine weitere Anwendung ist die Untersuchung einer Probe bzgl. ihrer dichroitischen und doppelbrechenden Eigenschaften, wobei auch
hier das Auflösungsvermögen und die topographische Information des
SNOM interessante Untersuchungsmethoden eröffnen. Dabei unter12
Abbildung 14: Photolithographisch und thermisch erzeugte Strukturen
scheidet man zwischen Methoden mit fester Eingangspolarisation (Beleuchtung der Probe) und Methoden mit modulierter Eingangspolarisation.
Abbildung 15: Mikrostrukturierung von Flüssigkristall-Filmen. Links:
Umorientierung mit dem AFM, rechts: photomikrographische Aufnahme mit gekreuzten Polarisatoren
Ein Beispiel für eine Untersuchung mit fester Eingangspolarisation
zeigt Abbildung 15. Hier wurden Flüssigkristalle auf einem Polymer
Substrat aufgebracht, die sich dabei nach der Orientierung des Substrates ausrichten. Das Substrat wurde zunächst durch einen Walzvorgang einheitlich orientiert2 . Dann wurde das Substrat mit einem AFM
umorientiert – auf den abgescannten Flächen ist das Substrat nun
2
Standardverfahren zur Herstellung von LCD Displays
13
in Scanrichtung orientiert. Entsprechend richten sich dann die Flüssigkristalle aus. Dadurch treten die behandelten Flächen in der mikroskopischen Aufnahme unter gekreuzten Polarisatoren hervor. Mit
dieser Methode lassen sich feine lichtführende Strukturen erzeugen.
Die SNOM Aufnahme (Abbildung 16 unten) zeigt zusätzlich einen Effekt an den Rändern dieser Flächen: In einem gewissen Übergangsbereich müssen sich die Moleküle umordnen. Dabei wechselt der „Drehsinn“der Umorientierung, wie unten links gezeigt ist [8].
Abbildung 16: Topographie und SNOM Bilder
Zusätzliche Informationen kann man gewinnen, wenn man die lineare Eingangspolarisation kontinuierlich über die gesamte Phase moduliert und zusammen mit der optischen Information speichert. Man
erreicht dies mit einem elektrooptischen Kristall und einem λ/4-Plättchen
[9]. Damit läßt sich z.B. die Magnetisierung eines Bismut-dotierten
Yttrium-Eisen-Granat Filmes (YIG) wie in Abbildung 17 über den Faraday Effekt3 sichtbar machen. Über den Phasen-Ausgang eines 23
Während beim Faraday Effekt die Polarisationsrichtung des transmittierenden
Lichtes gedreht wird, ist der Kerr Effekt in Reflektion wirksam. Letzterer wird in
MO-Medien genutzt.
14
Kanal Lock-in Verstärkers, der das transmittierte Licht mit dem einfallenden Licht vergleicht (vor den Detektoren befinden sich feste Analysatoren), wurde Abbildung 18 links aufgenommen. Damit kann man
den Drehwinkel des Faraday Effektes direkt (bei nur einem Scan) messen – er beträgt hier 2,3 Grad zwischen den Domänen [10].
Abbildung 17: Magnetische Domänen eines YIG Filmes.
Abbildung 18: Topographie und SNOM mit modulierter Eingangspolarisation. Kantenlänge: 15 µm.
6.4
SNOM an cholesterischen Flüssigkristallen
Mit dem SNOM, das im Rahmen der Übung vorgeführt wurde, werden in der Arbeitsgruppe Kitzerow (physikalische Chemie) Flüssigkristalle in cholesterischer Phase untersucht [11]. Das verwendete
15
SNOM von der Firma ZEISS, das sich noch in der Erprobungsphase
befindet, basiert auf einem klassischen optischen Mikroskop, das auch
als SNOM im transmission mode betrieben werden kann. Dabei kann
man mit modulierter Eingangspolarisation arbeiten, um einen besseren Kontrast zu erzielen (wurde bisher noch nicht eingesetzt). Die Spitzen stammen von der Firma iMM [12] und werden in Mikrofabrikation hergestellt, d.h. mit Methoden der Halbleiterfertigung (s. Abbildung
25).
Was aber sind eigentlich cholesterische Flüssigkristalle? In Abbildung 19 sind drei verschiedene Phasen dargestellt, die sich in Anordnung und Orientierung der länglichen Moleküle voneinander unterscheiden. In der nematischen Phase4 (a) sind die Moleküle einheitlich orientiert, aber – wie in der flüssigen Phase – uneinheitlich angeordnet, bzw. können sich translatorisch bewegen. Dabei bilden sich
fadenartige Strukturen. In der smektischen Phase5 (b) sind die Moleküle zusätzlich in einer Dimension räumlich geordnet (Schichtstruktur).
In der cholesterischen Phase6 (c) schließlich sind benachbarte Moleküle um einen festen Winkel gegeneinander verdreht – es entsteht eine
Helix-Überstruktur, die sich nach einer Ganghöhe p periodisch fortsetzt.
Abbildung 19: Verschiedene Phasen von Flüssigkristallen.
Da bei der Vorführung der Maustreiber versagte, werden hier ein
paar Beispiele nachgeliefert, die in den letzten Wochen entstanden
4
von griech.: nema = Gespinst, Faden
von griech.: smegma = Seife, Schmiere
6
von Cholesterinester
5
16
Abbildung 20: Topographie, Fehlersignal und SNOM.
sind.
Abbildung 20 zeigt eine Aufnahme von Flüssigkristallen, die perlenartig auf einem Polymer Substrat angehäuft sind. Um diese Anhäufungen zu erhalten wird das Substrat photolitographisch behandelt. Das linke Bild zeigt das Topographiesignal, das mit nichtoptischer Scherkraftdetektion gewonnen wurde (constant force). Das mittlere Bild ist das Amplituden bzw. Fehlersignal, also die Abweichung
zwischen dem Ist- und Soll-Wert der Höhe der Spitze über der Probe
und entspricht etwa der Ableitung des Topographie-Signals in Scanrichtung. Das rechte Bild ist das optische Intensitäts-Signal aus dem
Photomultiplier. Im mittleren Bild ist bei den Inseln auch ein wellenförmiger Artefakt zu erkennen, der durch Eigenschwingungen des Regelkreises entsteht. Man kann ihn nicht immer vermeiden, da bei zu
großer Zeitkonstante des Regelkreises die Abstandskontrolle zu träge
reagiert. In Abbildung 21 ist die Spitze etwas unvorsichtig über die
Probe bewegt worden... Allerdings hat sie diese Behandlung überlebt
und das vorliegende Bild geliefert. Der erzeugte Graben ist auch im
SNOM Bild zu sehen, was man als topographischen Artefakt ansehen
kann; allerdings zeigt der Vergleich von Auflösung und Grabenbreite, daß die optische Apertur und der wirksame Spitzenradius weitaus
kleiner sind, als die ganze Faserspitze (Vergl. Abbildung 25). Im oberen Teil des SNOM Bildes erkennt man die Bildung der cholesterischen
Phase: Die Moleküle beginnen ab einer bestimmten Schichtdicke sich
umzuorientieren.
Wenn man die Schichtdicke weiter erhöht, wird die Oberfläche schließlich wellig, was man dann auch in der Topographie sehen kann (siehe
Abbildung 22 und 23).
17
Zum Schluß noch ein Beispiel ohne Flüssigkristalle. Abbildung 24
zeigt eine Probe, auf der NaCl-Kristalle gewachsen und anschließend
durch Auflösen wieder entfernt wurden. Im Fehler-Signal-Bild (oben
rechts) sieht man deutlich den oben erwähnten Artefakt durch Resonanzen des Regelkreises.
Abbildung 21: Entstehen der cholesterischen Phase am „Highway“.
18
Abbildung 22: Dickere Schicht aus Flüssigkristallen.
Abbildung 23: Vergrößerung.
Literatur
[1] Joos. Lehrbuch der Theoretischen Physik. AULA-Verlag, Wiesbaden, 15 edition, 1989.
[2] D. Courjon, K. Sarayeddine, and M.Spajer. Scanning tunneling
optical microscopy. Optical Communication, 71:23, 1989.
[3] M. Spajer, D. Courjon, K. Sarayeddine, A. Jalocha, and J.-M. Vigoureux. Microscopie en champ proche par réflexion. J. Phys. III,
1(1), 1991.
[4] K. Karrai. Non-Optical Shearforce Detection. Appl. Phys. Lett.,
66:1842, 1995.
19
Abbildung 24: Dickere Schicht aus Flüssigkristallen, Vergrößerung.
Abbildung 25: In Mikrofabrikation hergestellte Spitze der Firma iMM.
20
[5] Uni-Wuppertal.
Links
zu
SNOM
Seiten.
http://www.electronics.uniwuppertal.de/Forschung/SNOMlinks.html.
[6] G. Kaupp and A. Herrmann. Chemical Contrast in Scanning
Near-Field Optical Microscopy. J. Phys. Org. Chem., 10:675–679,
1997.
[7] G. Kaupp and A. Herrmann. Positive submicron lithography using
uncoated or far-field apertured SNOM tips on organic crystals. Ultramicroscopy, 71:383–388, 1998.
[8] Th. Lacoste. Scanning Near-field Optical Microscopy and Polarization Contrast. Ph.d. thesis, University of Basel, 1997.
[9] D. A. Higgins, D. A. Vanden Bout, J. Kerimo, and P. F. Barbara.
Polarization-Modulation Near-Field Scanning Optical Microscopy
of Mesostrucured Materials. J. Phys. Chem., 100(13794), 1996.
[10] Th. Lacoste, Th. Huser, and H. Heinzelmann. Faraday Rotation
Imaging by Near-field Optical Microscopy. Z. Phys. B, 104:183,
1997.
[11] Th. Huser, H.-S. Kitzerow, Th. Lacoste, and H. Heinzelmann.
Scanning Near-Field Optical Microscopy of Cholesteric Liquid
Crystals. J. Chem. Phys., 108:7876–7880, 1998.
[12] iMM Institute of Microtechnologie Mainz.
mainz.de.
21
http://www.imm-