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Nahfeldmikroskopie mit Synchrotronstrahlung

Besonders interessant für:
  • chemische Industrie
  • Materialuntersuchungen

Am Elektronenspeicherring Metrology Light Source (MLS) der PTB in Berlin-Adlershof wurde in Zusammenarbeit mit der Freien Universität Berlin ein Streulicht-Nahfeldmikroskop (s-SNOM) für den Bereich des Infraroten (IR), erstmals auch unter Nutzung von breitbandiger Synchrotronstrahlung, in Betrieb genommen. Damit sind nun in einem breiten Spektralbereich IR-spektroskopische Untersuchungen an Probensystemen mit einer lateralen Auflösung von weniger als 100 nm möglich.

Abbildung: a) Vergleich der nano-FTIR-Spektren von Silizium-Carbid (SiC) und Gold (Au), aufgenommen

Für die chemische Charakterisierung von organischen und anorganischen Substanzen oder die Untersuchung der Leitfähigkeit verschiedener Probensysteme wird häufig die Fourier-Transform-Infrarot- Spektroskopie (FTIR-Spektroskopie) verwendet. Doch weil das räumliche Auflösungsvermögen dieses spektroskopischen Verfahrens durch Beugung begrenzt ist, sind FTIR-Untersuchungen an Strukturen auf einer Submikrometerskala nicht ohne weiteres möglich.

Das neue Streulicht-Nahfeldmikroskop an der MLS basiert auf dem Prinzip eines Rasterkraftmikroskops und bietet die Möglichkeit, zusätzlich zu der Topografie auch die optischen bzw. dielektrischen Eigenschaften der Probe zu untersuchen. Dazu wird eine scharfe mit Gold oder Platin beschichtete Spitze – eine sogenannte Nahfeldsonde – in einen fokussierten Laser- oder Synchrotronstrahl gebracht. Beim anschließenden Scanvorgang bleibt die Position der Spitze innerhalb des Strahls unverändert, bewegt wird die Probe. Die Nahfeldsonde mit einem typischen Durchmesser zwischen 20 nm und 50 nm wirkt dabei als Antenne und verstärkt in unmittelbarer Umgebung der Metallspitze das elektromagnetische Streufeld, wodurch eine laterale Auflösung von deutlich unter 100 nm erreicht werden kann. Im Vergleich zu konventionellen FTIR-Methoden stellt dieses Verfahren eine erhebliche Verbesserung der Ortsauflösung und der Sensitivität dar.

ls Strahlungsquellen für Nahfelduntersuchungen im infraroten Spektralbereich wurden bisher überwiegend durchstimmbare CO- bzw. CO2-Gaslaser verwendet. Sie verfügen zwar über eine ausreichend hohe Strahlungsleistung, ten Kalibrierlabor des Projektpartners esz AG wird das neue AC-Quantenvoltmeter jetzt für den praktischen Gebrauch optimiert. Unter Einbeziehung von Anwenderinformationen wird es zu einem komplett automatisierten, anwenderfreundlichen Messsystem weiterentwickelt. Wesentliche Zielspezifikation ist eine relative Unsicherheit von 2,5 μV/V bei 1 kHz. Die Entwicklung verfolgt ein modulares Konzept, welches in Zukunft eine Erweiterung des Systems bis hin zu einem universellen „Quantenkalibrator“ für Spannungs-, Widerstands- und Stromstärkenormale ermöglichen soll. können jedoch nur die relativ schmalen Wellenlängenbereiche von 5,2 μm bis 6,1 μm bzw. 9,2 μm bis 10,8 μm abdecken. Um den Wellenlängenbereich zu erweitern, wurde das Nahfeldmikroskop daher mit dem IR-Strahlrohr der MLS kombiniert, sodass erstmals ein breiter Wellenlängenbereich vom nahen IR bis hin zum THz-Bereich kontinuierlich genutzt werden kann. Damit ist es möglich, Nano-FTIR-Spektroskopie mit einer Ortsauflösung deutlich unterhalb der Beugungsgrenze zu betreiben und Oberflächen und Nanostrukturen IR-spektroskopisch in einem Wellenlängenbereich von zunächst 1 μm bis 20 μm zu charakterisieren. In Zukunft soll der Wellenlängenbereich noch erweitert werden.

Ansprechpartner:

Peter Hermann
Fachbereich 7.2 Kryophysik und Spektrometrie
Telefon: (030)-3481-7184
peter.hermann(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

P. Hermann, A. Hoehl, A. Patoka, F. Huth, E. Rühl, G. Ulm: Near-field imaging and nano-Fourier-transform infrared spectroscopy using broadband synchrotron radiation. Optics Express 21, 2913 (2013)