Nahfeldmikroskope können wesentlich kleinere Strukturen darstellen als optische konventionelle Mikroskope. Sogar optische Eigenschaften von Mikro- und Nanostrukturen können mit einem Nahfeldmikroskop erfasst werden.

Der Grund dafür liegt in den Beugungseffekten bei optischen Mikroskopen, die bei rund der Hälfte Ihrer Strahlungswellen einsetzen. Alle Strukturen, die sich unterhalb dieser Grenze befinden, sind mit dem optischen Mikroskop nicht mehr ersichtlich. Hier kommt das Nahfeldmikroskopie (SNOM) ins Spiel, denn sie durchsticht diese Grenze. Es bestehen Ähnlichkeiten zur Rastertunnel (STM)- und Rasterkraftmikroskopie (AFM).

Das Prinzip dieser relativ neuartigen Art von Mikrokopie sieht vor, dass eine kleine Spitze die Oberflächeneigenschaften des jeweiligen Präparats detektiert. Die Auflösung muss dabei extrem hoch sein, damit aus den einzelnen Daten ein komplettes Bild zusammengesetzt werden kann. Um dieses Bild etwas anschaulicher zu gestalten, stelle man sich vor, dass man mit einem sehr spitzen Bleistift (die Sonde) auf einer raufen Oberfläche (z.B. ein Holzstumpf) entlang streift. Wenn man diesen Bleistift nun Zeilen- und Spaltenweise bewegt und sich die Auf- und Abbewegungen genau notiert, ergibt sich daraus ein zusammengesetztes Bild mit vielen Einzelmessungen aus X- und Y-Koordinaten: Das sogenannte Rasterbild.

Wie genau werden nun dieses Auf- und Abbewegungen der Sonde gemessen? 

Genaugenommen spricht man in dieser mikroskopisch kleinen Distanz spricht nicht mehr von Auf- und Abbewegungen, sondern von Wechelwirkungen zwischen Sonde und Probe. Um ein hohes Auflösungsvermögen zu erreichen, behilft man sich unterschiedlicher Mechanismen:

• Bei der Rastertunnelmikroskopie (STM) spielt der quantenmechanischen Elektronentunnelwahrscheinlichkeit eine Rolle, der mit zunehmenden Abstand abfällt.
• Bei der Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist es das kurzreichweitige Potential zwischenatomarer bzw. -molekularer Kräfte
• Bei Nahfeldmikroskopie (SNOM) wird das exponentiell mit dem Abstand abklingenden optischen Nahfeld (so genannte “evanescente Moden”) herangezogen. Dieses kann in der konventionellen Mikroskopie nicht herangezogen werden.

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.

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)