Vortrag im Rahmen der Vorlesung Nanostrukturphysik I von Erik Wiss

Vortrag im Rahmen der Vorlesung
Nanostrukturphysik I
von Erik Wiss
04.02.2014
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Gliederung
Beugungslimit
Nahfeld
propagierendes und evaneszentes Feld
Beispiel: Punktdipol
Entstehung
SNOM
Abstand Sonde – Probe
Glasfasersonde
Betriebsarten
Anwendungen
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Beugungslimit
Das Beugungslimit definiert den minimalen Abstand
zweier Objekte, um sie noch voneinander unterscheiden zu
können.
Nach Abbe:
Nach Rayleigh:
,
,
Bei sichtbarem Licht liegt die Grenze also bei ca. 200 nm.
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3
Beugungslimit
Δ ∗ Δ !
!
mit
1 (Heisenberg)
"
$
#
Δ !
!
"
$
entspricht Beugungslimit!
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Beugungslimit
Seien nun
rein reellwertig und " rein imaginär mit
% & " , oder
und " rein imaginär.
Δ wird kleiner!
Beispiel für ein solches Feld:
' (, )
* (, ) ∗ exp &
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!
. ! ω) % κ" 1
mit
"
&κ"
5
Evaneszentes Feld
Ein solches Feld nennt man evaneszentes Feld.
' (, )
* (, ) ∗ exp &
! . ! ω) % κ" 1
exponentieller Abfall in z-Richtung Feld propagiert nur
entlang der x,y-Oberfläche
Im Nahfeld wird keine Energie transportiert.
Nahfeld liefert aber viele Strukturinformationen.
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Beispiel: Punktdipol
'2,
'?,
3
BC,
25
1
∗
! & ∗ cos θ
3
4πε9 :
:
5
1
∗
% : ! & ∗ sin θ
4πε9 :
:
D5
&
∗ %1 !
∗ cos θ
3
4π:
:
Nahfeld : ≪
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F
25
∗ cos θ
4πε9 : H
'2,
'?,
5
∗ sin θ
4πε9 : H
BC,
&ω5
∗ sin θ
4π:
Fernfeld : ≫
'2,I
'?,I
BC,I
2
2
2
0
F
5
∗ sin θ
4πε9 :
%
ω5
∗ sin θ
4π:
7
abgestrahlte Leistung
.. in ein Raumwinkelsegment:
1
K L M NO P Q R∗
2
μ9 ωT 59
sin θ V2
32π D:
mit 5 59 exp &ω)
Um die insgesamt abgestrahlte Leistung zu erhalten,
integriere über die Oberfläche einer Kugel um den Dipol:
W
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$ $
X X K Y M : sin θ
9
9
θ Φ
μ9 ωT 59T
3πD
8
abgestrahlte Leistung
μ9 ωT 59T
W
3πD
Die abgestrahlte Leistung ist also unabhängig vom Abstand
des Dipols, und somit in Nah- und Fernfeld gleich groß.
Das gleiche Ergebnis erhält man, wenn man ausschließlich
die Komponenten des Fernfelds benutzt. Also wird im
Nahfeld keine Energie transportiert.
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Zusammenfassung
Das Nahfeld bezeichnet den Bereich um die Quelle einer
elektromagnetischen Welle.
Nahfelder sind Oberflächenwellen.
Nahfelder sind stark abstandsabhängig (~: \ oder ~: \H ),
und fallen exponentiell ab (~O \ " ).
Im Nahfeld wird keine Energie transportiert.
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Entstehung
elektromagnetischer Wellen
Elektromagnetische Wellen werden durch oszillierende
Ladungs- und Stromverteilungen in einem Objekt erzeugt.
[1]
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Entstehung optisches Nahfeld
Zur Entstehung des optischen Nahfeldes tragen bei:
frustrierte Totalreflexion
[2]
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WW mit Nanostruktur
[3]
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frustrierte Totalreflexion
[2]
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• An der Grenzfläche wird die
einfallende elektromagnetische
Welle reflektiert.
• Aus der Stetigkeitsbedingung der
Maxwell-Gleichungen folgt, dass
die Welle hinter der Grenzfläche
exponentiell abfallen muss.
• Durch ein zweites Dielektrikum
wird die evaneszente Welle in
eine propagierende
umgewandelt.
• „Photonentunneln“
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Theorem von
Wolf und Nieto-Vesperinas
„Ein evaneszentes oder propagierendes Feld, welches mit
einer diskreten Nanostruktur wechselwirkt, wird immer in
ein evaneszentes und ein propagierendes Feld konvertiert.“
[1]
Über die SNOM-Sonde wird das evaneszente Feld eines
beleuchteten Objekts in ein Feld konvertiert, dass zum
Detektor hin propagiert.
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SNOM
Typische Auflösung: 30 nm
Die Funktion eines SNOMs beruht auf der
Wechselwirkung zwischen dem optischen Nahfeld einer
Probe und der Sonde.
auch optische Eigenschaften einer Probe erkundbar
zerstörungsfreies Prüfverfahren
Abbesches Beugungslimit und Rayleigh-Kriterium werden
„umgangen“
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Abstand zur Probe
Der Abstand zwischen Sonde (Glasfaserspitze) und Probe
muss viel kleiner als die Wellenlänge sein (idealerweise ca.
10 nm).
Bei größeren Abständen verschlechtert sich die Auflösung
des erhaltenden Bildes.
[4]
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Abstandskontrolle
Scherkraftregelung
Die Glasfaserspitze wird in Eigenfrequenz angeregt.
Ab ca. 10 nm Abstand zur Probe wird die Schwingung
aufgrund von Scherkräften gedämpft, dabei ändert sich auch
die Frequenz der Schwingung.
Über einen Regelkreis wird der Abstand angepasst.
Konstante Höhe
Die Probe wird mit einer konstanten Höhe abgerastert.
Gefahr der Beschädigung der Glasfaserspitze möglich
Bei zu großem Abstand keine hinreichende Wechselwirkung
mit dem optischen Nahfeld der Probe mehr möglich.
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Glasfasersonde
A: Nahfeld (] ≪ λ)
B: Fernfeld (] λ)
C: Laserstrahl
D: optische Glasfaser
E: Metallummantelung
F: Apertur
G: Probe
[5]
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Herstellung
Ätzen
Einbringen der Glasfaser in 40%ige Flusssäure
je nach Ätzdauer unterschiedliche Spitzenformen möglich
Erhitzen und Ziehen
Erhitzen der Glasfaser führt zu einer Erniedrigung der
Viskosität
Auseinanderziehen der Glasfaser bewirkt Erniedrigung des
Öffnungswinkels der Glasfaser
Ab einem bestimmten Winkel erhöht sich die Viskosität
wieder, was den Zugvorgang stoppt.
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geätzte SNOM-Spitze
[6]
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Betriebsarten
A: Illumination Collection
B: Reflection
C: Reflection Collection
D: Illumination
E: Collection
[5]
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Anwendungen
Datenspeicherung
Auslesemöglichkeit mit extrem hoher Auflösung
Speicherdichte bis zu 1 Terrabit pro cm
Langzeitarchivierung auf SiC-Datenträgern
zerstörungsfreie Qualitätsprüfung
von Kristalloberflächen
bei der Kristallzucht
bei der Waferproduktion
(Oberflächen-)Plasmonenresonanzlithografie
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(Oberflächen-)
Plasmonenresonanzlithografie
Oberflächenplasmonen stellen einen Spezialfall von
evaneszenten Wellen dar.
Sie lassen sich nur mit einer ebenfalls evaneszenten Welle
anregen.
Durch ihre Anregung lassen sich bspw. Fotolacke in
kleinsten Strukturen belichten.
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Fluoreszenz
Durch Bestrahlen der Probe mit Licht wird diese zur
Fluoreszenz angeregt.
Durch Variation der benutzten Wellenlänge können sich
die Polarisierung oder Intensität der evaneszenten Welle
ändern.
Dadurch ist es möglich, Fluoreszenz-Aufnahmen zu
machen.
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Fluoreszenz-Aufnahmen
[7] Gewebebildungszelle
einer Maus
[7] Lokalisation von Malariaproteinen
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Quellenverzeichnis
[1] U. Hartmann – Nanostrukturforschung und Nanotechnologie: Band 1
[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Totalreflexion
[3] http://www.notebookcheck.com/Storage-HGST-Nanotechnologiemit-10-nm-wird-Datendichte-von-Festplatten-verdoppeln.89413.0.html
[4] http://www.nahfeldmikroskopie.de/allgemeines.html
[5] http://www.nanoscantech.com/en/products/spm/spm-151.html
[6] http://www.jasco.co.uk/nsomprobes.php
[7] http://www.physik.uniregensburg.de/forschung/schwarz/Mikroskopie/14-SNOM.pdf
[8]
http://www.tqm.com/service/download/copy_of_illustrationen/dank.jpg
/view
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Schlusswort
[8]
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