Optische Nahfeldmikroskopie (S canning N ear field O ptical M icroscopy )

1. Optische Nahfeldmikroskopie(Scanning Nearfield Optical Microscopy) Robert Hölzel, 25. Januar 2005

2. Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) • Überblick • Nahfeldtheorie • Experimenteller Aufbau • Beispielmessungen 2/26

3. Das Nahfeld enthält Informationen jenseits des Beugungslimits Grundidee 3/26

4. 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 = l /60 • 1984 erste Messung mit sichtbarem Licht (Lewis/Pohl, Auflösung l/20 ) 4/26

5. Das Abbe‘sche Beugungslimit Gitter Fourierebene Objektiv Bild 5/26

6. Beugungs-muster Bildebene Das Abbe‘sche Beugungslimit d < l Objektebene 6/26

7. A0 (a,b) heisst Winkelverteilung von E(x,y,0) Berechnung des Nahfeldes Objektebene (z=0) Fourier-Zerlegung: 7/26

8. Helmholtzgleichung: Berechnung des Nahfeldes Gesucht: Bekannt:

9. l/d = 10 Falls a2+b2 < 1: l/d = 1 Falls a2+b2 > 1: l/d = 0,1 Winkelverteilung eines Spaltes 9/26

10. Winkelverteilung eines Spaltes Fernzone Nahfeld d>>l d~l d<l Propagierende Wellen Evaneszente Wellen 10/26

11. Nahfeld einer kreisförmigen Öffnung E² 11/26

12. Nahfeldsonden aperturlose Sonde Apertursonde 12/26

13. Schrödingergleichung: Helmholtzgleichung: Photonentunneln 13/26

14. Nahfeld vs. Fernfeld • Fernfeld • propagierende Wellen • Ortsinformation beschränkt auf Dd   • 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) 14/26

15. 1 ~10-6 ~10-3 Experimenteller Aufbau 15/26

16. 300 nm 300 nm Apertursonden • Herstellung: • - Ziehen von Glasfasern • Bedampfen mit • Aluminium • Abschneiden der Spitze • durch Ionenstrahl • Vorteil: • exakte Probenausleuchtung • Nachteil: • geringe Auflösung 16/26

17. Der Cutoff-Effekt exponentieller Abfall der Intensität unter-halb des Cutoffpunkts durch das Material beschränkte Lichteinkopplung 17/26

18. Der Cutoff-Effekt 18/26

19. Aperturlose Sonden • AFM- oder Tunnelspitzen • Vorteile: • bessere Auflösung als • Apertursonden (atomare Spitzen) • kein Cutoff • Nachteil: • nicht geeignet für Fluoreszenz- • messungen 19/26

20. Kombinierte AFM - SNOM - Messung 20/26

21. Kombinierte AFM - SNOM - Messung • mehr Kontrast als bei • reiner Topographie- • messung • -optische Eigenschaften • der Oberfläche sind • zugänglich 21/26

22. A: Nahfeld B: Fernfeld C: Nahfeld  Laserprofil Messung an Photodetektoren Photostrom 22/26

23. Einzelmolekülfluoreszenz Proteasom-Moleküle (11x15 nm) werden mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, und können einzeln detektiert werden. 23/26

24. Evaneszenzfeld-Sensoren Laser wird über O2-Resonanz durchgestimmt => Abklinglänge d ändert sich um etwa 30% Luft Laser Prisma 24/26

25. 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 25/26

26. 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 26/26