Einführung: optische Nahfeldmikroskopie

Die optische Nahfeldmikroskopie erlaubt die Abbildung von wesentlich kleineren Strukturen, als es mit konventionellen Mikroskopen möglich ist. Simultan zur Objekttopographie können damit jetzt optische Eigenschaften sogar von Mikro- und Nanostrukturen erfaßt werden.

Die Auflösung in der konventionellen optischen Mikroskopie ist durch Beugungseffekte auf rund die Hälfte ihrer Strahlungswellenlänge begrenzt. Diese Grenze wird durch eine neue Art von Mikroskopie überwunden: die optische Nahfeldmikroskopie (SNOM). Sie ist verwandt mit der Rastertunnel (STM)- und Rasterkraftmikroskopie (AFM).

Diese Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass eine entsprechend gestaltete bzw. funktionalisierte kleine Spitze als Sonde die jeweils interessierenden Oberflächeneigenschaften mit hoher lateraler und vertikaler Auflösung detektieren kann. Die Methoden sind sämtlich rasternd, d. h. Bilder werden durch punkt- und zeilenweises Zusammensetzen von vielen Einzelmesswerten gewonnen (-> Rasterbild).

Dabei basiert das hohe Auflösungsvermögen all dieser rastersondenmikroskopischen Verfahren auf der Ausnutzung extrem kurzreichweitiger Wechselwirkungen zwischen Sonde und Probe als bildgebende Mechanismen: z. B. bei STM auf dem schnellen Abfall der quantenmechanischen Elektronentunnelwahrscheinlichkeit mit dem Abstand, bei AFM auf dem kurzreichweitigen Potential zwischenatomarer bzw. –molekularer Kräfte, und bei SNOM auf dem exponentiell mit dem Abstand abklingenden optischen Nahfeld (so genannte “evanescente Moden”), welches in der konventionellen Mikroskopie nicht zur Abbildung herangezogen werden kann.

Vergleich: konventionell <<>> SNOM

Das Prinzip speziell der optischen Rasternahfeldmikroskopie besteht darin, eine submikroskopische Strahlungsquelle (alternativ auch: Strahlungsdetektor oder Strahlungsstreukörper) in Form einer sogenannten Nahfeldsonde im Abstand nur weniger Nanometer – und damit innerhalb der Reichweite des Nahfeldes – rasterförmig über die Probenoberfläche zu bewegen. Dabei ist die Auflösung im wesentlichen durch die Geometrie der Sonde (d. h. in der Regel durch den Aperturdurchmesser) und nicht durch die Strahlungswellenlänge gegeben. Für empfindliche und reproduzierbare Messungen ist die Bereitstellung von Sonden mit gut definierter Sondengeometrie bei hoher Strahlungstransmission (bzw. Strahlungsdetektivität bei aktiv detektierenden Sonden, Lumineszenzintensität bei aktiv emittierenden Sonden und hoher Streueffizienz bei Streukörpersonden) notwendig.

Interessante Einsatzgebiete der optischen Nahfeldmikroskopie eröffnen sich z.B. mit der Untersuchung des Einflusses optischer Nahfeldeffekte in der Mikrostrukturmeßtechnik, oder mit der Untersuchung der Materialzusammensetzung von submikroskopischen Strukturen durch den Einsatz spektroskopischer Techniken. Letzteres ist für viele Fragestellungen in der Halbleitertechnologie sowie Biologie und Medizin von großer Bedeutung.

SNOM Abstand

Bild: Abstandsabhängigkeit der nahfeldoptischen Auflösung: Serie von Transmissionsrasterbildern an einem Silicium-Wafer mit 20 nm hohen Gold/Palladium-Teststrukturen. Im linken Bild wurde die Nahfeldsonde in einer Höhe von ca. 300 nm über die Probe geführt. Dieser Abstand wird bis ca. 10 nm im rechten Bild verringert, wobei eine laterale optische Auflösung von ca. 80 nm erreicht wird.

Die Wellenlänge der verwendeten Strahlung beträgt hier 1064 nm - d.h.: die laterale Auflösung ist um ein Vielfaches höher, als es die konventionelle Mikroskopie zulässt (vgl. Skala in den Bildern)