Nano - Optik, Nahfeld -Optik und Nahfeldmikroskopie

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1 Nano - Opti, Nahfeld -Opti und Nahfeldmirosopie U. Fischer, Physialisches Insitut, Grenflächenphysi (Prof. H. Fuchs) fischeu@nw.uni-muenster.de Motivation letromagnetische Nahfelder und die örtliche ingrenung von eletromagnetischen Feldern in Abmessungen leiner als der Wellenlänge Nahfeldrastermirosopie Nahfeldmirosopie mit Apertursonden Anwendungen Verallgemeinertes Konept der Nahfeldmirosopie Spiten verstärte Raman Spetrosopie (TRS) Weitere Anwendungen der Nahfeldopti Fernfeld- Nano- Opti

2 Motivation Optische Mirosopie mit einer Ortsauflösung unterhalb der Beugungsgrene inelmoleül - Spetrosopie mit <10 nm Ortsauflösung (Spitenverstärte Raman spetrosopie TRS)? Optische Datenspeicherung Antennenfuntion von Nanostruturen. Vernüpfung von nanosopischen Lichtquellen (Moleüle, Quantendots) mit dem Strahlungsfeld Light harvesting in der Photosynthese Lichtwellenleitung in sub-l- Dimensionen Miniaturisierung photonischer Bauelemente

3 S. Bahatyrova et al. NATUR 430, 004, 1058 T. Rit und K. Schulten

4 Zum Phänomen des Nahfeldes am Beispiel des austischen Nahfeldes einer Stimmgabel Acoustic monopole: pulsating sphere Acoustic dipole: vibrating sphere Acoustic quadrupole: oppositely vibrating spheres

5 Die Nah- und Fernfelder des eletrischen und magnetischen Dipols letrischer Dipol ( ) [ ] ( ) [ ] ( ) [ ] R R H R p R i R e i H p R R R p p R R R i p p R R R e t i t i λ μ ω πμ ω π ω ω 1 ; 1 4, r r r r r r r r r r r r r r r Durch Austausch von und H ergeben sich die Nahfelder des magnetischen Dipols J.D. Jacson letrodynami

6 ponentiell abfallende Felder bei der Totalrefleion und an Sub-λ-Gitterstruturen vanesente Felder

7 Das vanesente Feld bei der Totalrefleion i r α n t 1 yi yt (,0) + (,0) (,0) yr ( ) ( ) insinα,0 0,0 e yt yt yt n yt + sin ( ) yt yt α n sin α yt ( ) n sin α 1 0 e ponentiell abfallendes Feld für nsinα > 1

8 Das vanesente Feld an periodischen Nano-Struturen d Das Nahfeld in unmittelbarer Nähe einer periodischen Strutur sei sinusförmig mit der gleichen Periode d wie die Strutur. Für ein transversal eletrisches Feld (T) gelte: Mit y ( 0), y0 sin π d Man erhält damit gilt : π d H μ t + π d für > 0 für den Fall d << λ? π 0, d d [ 0, ] i H Beim transversal eletrischen evanesenten Feld überwiegt die magnetische Komponente, entsprechend die eletrische beim transversal magnetischen y, y, y y λ d ( ) ( 0) e y μ r iωμh r y i π r H, μ

9 Sub - λ - ingrenung eletromagnetischer Felder in metallischen Nanostruturen Der Fall des idealen Leiters

10 y ) ( 0 ) ( 0 t i y t i y y e c H e ω ω Zwischen wei ideal leitenden Platten ann sich eine ebene Welle ausbreiten auch wenn der Abstand der Platten lein gegen die Wellenlänge ist Die ingrenung eines eletromagnetischen Feldes wischen wei ideal leitenden metallischen Platten mit einem Abstan d <λ d

11 In einem metallischen Hohlleiter ann sich eine eletromagnetische Welle nicht ausbreiten, wenn der Querschnitt leiner als die halbe Wellenlänge ist y b a ( ) n b b n b n i b n b n n b n e y A c y y i y ; ; 1,,3..., sin < > + λ π π π π π Für die Grundmode (n1) ann sich eine Welle ausbreiten wenn b < λ/

12 Coaialleiter, Grundmode TM Mode ohne cutoff salare Helmholtgleichung in ylindrischen Koordinaten 1 ψ 1 ψ ψ ρ Ψ ρ ρ ρ ρ ϕ 0 ine Lösung dieser Gleichung ist ( ) i log e ψ ρ Daraus ergeben sich für die eletrischen und magnetischen Felder für die TM(transversal eletrische und magnetische) -Grundmode des Coaialleiters ohne cutoff die folgenden Ausdrüce: ρ ψ 0 e ω ρ i H ϕ ψ 0 e ρ i R.F. Harrington Time Harmonic lectromagnetic fields

13 ingrenung und Verstärung eletromagnetischer Felder an Nanostruturen realer Metalle Oberflächenplasmonen

14 Dieletrische igenschaften realer Metalle Beispiel des freien letronengases d m e, dt e mω ne P( ω) ne mω D ( ω) ( ω) ( ω) ( ω) + 4πP( ω) 4πne mω ω p ( ω) 1, ( ω) 1 Plasmafrequen: ω 4πne ω p m r ω r Δ + 0 c longitudinale Plasmaschwingung d nm ne dt C. Kittel, Festörperphysi 4πn e

15 Plasmaschwingungen an Silberpartieln Für die Polarisierbareit a einer Kugel des Radius a gilt in der Rayleigh Näherung a <<l: α a K 3 1 K 0 + K ω p 0 ω( ω + iγ ) Die Plasmonenresonan tritt auf bei mit der DK 0 K 0 ausserhalb der Kugel. Die Resonan hängt auch star ab von der Form des Partiels Goldstäbchen unterschiedlicher Form C. Sönnichsen Dissertation

16 y 1 Metall Dieletrium ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 3,4 0, 0; 1,, 1,,0,,0,,,,, j j j j j j j j t i t i div divd j e e ω ω L. Novotny, B. Hecht. "Principles of nano-optics. Cambridge University Press 006, Kap.1 ( ) () 1, 1 1 1,, 1, 1, 1, 1,, 8 1,, , (6) 0, (5) aus aus j j + + Oberflächenplasmonen an der Grenfläche Metall - Dieletrium

17 Dispersionsbeiehung (8) für Oberflächenplasmonen mit für < + < und 1 1, c c p p ω ω ω ω ω ω + 0 1, < + j j ine von beiden Grenflächen eponentiell ablingende Oberflächenwelle erhält man für ( ) 1 1 ω ω ω p 1

18 L. Novotny, B. Hecht. "Principles of nano- Optics. Cambridge University Press 006, Kap.1

20 Miyaai et al PRL 96, (006) Myaai et al.prl 96, (006)

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22 Nahfeldrastermirosopie Nahfeldmirosopie mit Apertursonden Anwendungen

23 optische Nahfeld Rastermirosopie Phil. Mag. 6, (198) Ash,.A., G. Nichols. "Super Resolution Aperture Scanning Microscope". Nature 37, (197) D.W. Pohl, W. Den, M. Lan. "Optical stethoscopy: image recording with resolution l /0". Appl. Phys. Lett. 44, (1984)

25 J.M. Guerra (1995). Superresolution through illumination by diffraction born evanescent waves. Appl. Phys. Lett 66,

26 homepage von Olympus

32 Topographical and Near-Field Optical Characteriation of Aperture Probes by Means of Fluorescent Nanospheres ample: Tip with large protrusion Tip with small protrusion Scan Scan Aperture Probe Bead (0 nm) AFM: Height 0 nm Height 0 nm SNOM: Intensity Intensity Naber et al

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35 J.A. Veerman et al, J. Microscopy 194 (1999), 477. Betig, R.J. Chichester, Science 6, (1993), 14

36 The T Tip (Tetrahedral Tip) - Fabrication Cleaving of a cover glass

37 Before Squeeing After Squeeing Side View

38 Triangular Aperture Probe: nd Face after Squeeing SM Images A. Naber et al PRL 00, D. Molenda et al O 005 SM Image Topography (AFM) 100 nm 100 nm Grayscale: 0 nm Height 1.4 µm

39 SNOM / AFM tuning for mini prism K1 0.5 mm A. Naber et al., Rev. Sci. Instr. 70, (1999)

40 TA Probe: Imaging of ~17-3 nm sied Nanobeads Topography 3 Fluorescence 0.5 nm a.u. 3 µm 3 µm µm 3 µm

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42 Comparison between Measurements and Theory Gerard Colas de Francs, PRB 005

43 SNOM with a Tetrahedral Aperture Probe Topography Fluorescence Aggregates of CdSe-Cluster A. Naber, Physics Institute, Münster A. Naber et al PRL 00

44 TA Probe: Imaging of CdSe Nanocrystals Average width of single fluorescence spots as a function of aggregate diameter