optische nahfeldmikroskopie (s canning n ear field o ptical m icroscopy ) robert hölzel, 25. januar...
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Optische Nahfeldmikroskopie
(Scanning Near field Optical Microscopy)Robert Hölzel, 25. Januar
2005
Optische Nahfeldmikroskopie
(SNOM)
•Überblick•Nahfeldtheorie•Experimenteller Aufbau•Beispielmessungen
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Grundidee
Das Nahfeld enthält Informationen jenseits des Beugungslimits 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 = /60
• 1984 erste Messung mit sichtbarem Licht (Lewis/Pohl, Auflösung /20 )
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Das Abbe‘sche Beugungslimit
Gitter
Objektiv
Fourierebene
Bild
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Das Abbe‘sche Beugungslimit
Objektebene BildebeneBeugungs-muster
d < 6/26
Berechnung des NahfeldesObjektebene (z=0)
yxykxki
yx dkdkekkyx yx )(),()0,,( 0AE
Fourier-Zerlegung:
A0 (heisst
Winkelverteilung von E(x,y,0)
kkx /kk y /
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Gesucht: ),,( zyxEBekannt:
yxyxik dkdke )(),( 0A
)0,,( yxE
yxykxik dkdkezzyx )(),,(),,( AE
Helmholtzgleichung: zik zezk ),(),,(022 0AAEE
Berechnung des Nahfeldes
)0,0,(A
d = 10
d = 1
d = 0,1
Winkelverteilung eines Spaltes
2222yxz kkk k
)1( 222 k
Falls
Falls
zki ze0AA(z)
zkze 0AA(z)
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Winkelverteilung eines Spaltes
Fernzone
Nahfeld
d>>
d~ d<Propagierende WellenEvaneszente Wellen 10/
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Nahfeld einer kreisförmigen Öffnung
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E²
Nahfeldsonden
Apertursonde
aperturlose Sonde
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Photonentunneln
Schrödingergleichung:
0)()(2
)(2
2
zVEm
zx
ikzeaz )(
Helmholtzgleichung:
0)()( 22
2
zEkzEz
ikzeazE )(
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Nahfeld vs. Fernfeld• Fernfeld
– propagierende Wellen – Ortsinformation beschränkt auf d – 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)
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)cos(2 SRefSRef IIIII
1 ~10-6 ~10-3
Experimenteller Aufbau
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300 nm300 nm
ApertursondenHerstellung:
- 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
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Der Cutoff-Effekt
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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
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Kombinierte AFM - SNOM - Messung
-mehr Kontrast als bei
reiner Topographie-
messung
-optische Eigenschaften
der Oberfläche sind
zugänglich
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Messung an Photodetektoren
A: Nahfeld B: Fernfeld C: Nahfeld Laserprofil
Photostrom
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Einzelmolekülfluoreszenz
Proteasom-Moleküle (11x15 nm) werden mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, und können einzeln detektiert werden.
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Evaneszenzfeld-Sensoren
Prisma
Luft
Laser
Laser wird über O2-Resonanz durchgestimmt
=> Abklinglänge d ändert sich um etwa 30%
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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
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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
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