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Optische Nahfeldmikroskopie (S canning N ear field O ptical M icroscopy ). Robert Hölzel, 25. Januar 2005. Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM). Überblick Nahfeldtheorie Experimenteller Aufbau Beispielmessungen. 2 /26. Das Nahfeld enthält Informationen jenseits des Beugungslimits.
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Optische Nahfeldmikroskopie(Scanning Nearfield Optical Microscopy) Robert Hölzel, 25. Januar 2005
Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) • Überblick • Nahfeldtheorie • Experimenteller Aufbau • Beispielmessungen 2/26
Das Nahfeld enthält Informationen jenseits des Beugungslimits Grundidee 3/26
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
Das Abbe‘sche Beugungslimit Gitter Fourierebene Objektiv Bild 5/26
Beugungs-muster Bildebene Das Abbe‘sche Beugungslimit d < l Objektebene 6/26
A0 (a,b) heisst Winkelverteilung von E(x,y,0) Berechnung des Nahfeldes Objektebene (z=0) Fourier-Zerlegung: 7/26
Helmholtzgleichung: Berechnung des Nahfeldes Gesucht: Bekannt:
l/d = 10 Falls a2+b2 < 1: l/d = 1 Falls a2+b2 > 1: l/d = 0,1 Winkelverteilung eines Spaltes 9/26
Winkelverteilung eines Spaltes Fernzone Nahfeld d>>l d~l d<l Propagierende Wellen Evaneszente Wellen 10/26
Nahfeld einer kreisförmigen Öffnung E² 11/26
Nahfeldsonden aperturlose Sonde Apertursonde 12/26
Schrödingergleichung: Helmholtzgleichung: Photonentunneln 13/26
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
1 ~10-6 ~10-3 Experimenteller Aufbau 15/26
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
Der Cutoff-Effekt exponentieller Abfall der Intensität unter-halb des Cutoffpunkts durch das Material beschränkte Lichteinkopplung 17/26
Der Cutoff-Effekt 18/26
Aperturlose Sonden • AFM- oder Tunnelspitzen • Vorteile: • bessere Auflösung als • Apertursonden (atomare Spitzen) • kein Cutoff • Nachteil: • nicht geeignet für Fluoreszenz- • messungen 19/26
Kombinierte AFM - SNOM - Messung • mehr Kontrast als bei • reiner Topographie- • messung • -optische Eigenschaften • der Oberfläche sind • zugänglich 21/26
A: Nahfeld B: Fernfeld C: Nahfeld Laserprofil Messung an Photodetektoren Photostrom 22/26
Einzelmolekülfluoreszenz Proteasom-Moleküle (11x15 nm) werden mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, und können einzeln detektiert werden. 23/26
Evaneszenzfeld-Sensoren Laser wird über O2-Resonanz durchgestimmt => Abklinglänge d ändert sich um etwa 30% Luft Laser Prisma 24/26
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
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