Moderne Methoden der Mikroskopie. Optische Nahfeldmikroskopie SNOM

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1 Moderne Methoden der Mikroskopie Optische Nahfeldmikroskopie SNOM Marius Wanko 12. September 2000 Zusammenfassung Dies ist das Prospekt zu einem Vortrag im Rahmen eines Studentenseminars über Moderne Methoden der Mikroskopie, das im SS 1998 an der Uni Paderborn von Prof. W. Sohler geleitet wurde. Ziel des Vortrages war es, einen groben Überblick über Grundlagen und Anwendung der optischen Nahfeldmikroskopie zu geben. 1 Einleitung Optische Mikroskope nehmen in Forschung und Industrie auch heute noch eine dominierende Stellung ein, da sie gegenüber anderen Verfahren wie SEM, STM oder AFM einige Vorteile besitzen. So lassen sich Proben kostengünstig und ohne großen Aufwand untersuchen, wobei eine Vielzahl von Präparations- und Kontrastverfahren zur Verfügung stehen. Auch die zerstörungsfreie Detektion ist insbesondere bei biologischen Proben und in der Qualitätskontrolle von Bedeutung. Ferner ist man bei anderen Verfahren oft auf Proben mit speziellen Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, glatte Probenoberfläche) angewiesen. Ein großer Nachteil der klassischen optischen Mikroskopie ist jedoch die generelle Beschränkung des Auflösungsvermögens, welches von der Wellenlänge des Lichtes und der numerischen Apertur des Objektives abhängt: d min = λ n sin α 1

2 Diese Grenze ist jedoch nicht endgültig, sondern läßt sich überwinden, wenn man anstatt des Fernfeldes das optische Nahfeld detektiert. Das optische Nahfeld enthält Informationen über Strukturen der Probenoberfläche, die deutlich kleiner als λ sind (bis hin zu atomaren Größenordnungen). Um das optische Nahfeld jedoch detektieren zu können, muß man das Objektiv durch eine Apertur ersetzen, welche die Probenoberfläche in geringem Abstand abscannt. Das Auflösungsvermögen eines optischen Nahfeld Mikroskops (SNOM = Scanning Near Field Optical Microscope) hängt lediglich von der Größe der Apertur und dem Abstand zur Probe ab. Die Geschichte der Nahfeld Mikroskopie ist noch recht jung. Ein erstes Nahfeldmikroskop für Mikrowellen stammt von Ash Nicholls (1972). Er erreichte damit eine Auflösung von λ/60. Der Durchbruch für Nahfeldmikroskopie im sichtbaren Bereich wurde erst durch die Piezo-Technik der Rastersonden Mikroskopie möglich. Das erste SNOM für den sichtbaren Bereich stammt von Pohl (1984), das erste SNOM in Reflexion entwickelte Fischer (1988). Es besteht aus einer Quarzkristall-Platte, die auf der Unterseite mit einer 20 nm starken Al Schicht versehen ist. Durch eine kleine Apertur in dieser Schicht kann das Licht, das in der Platte total reflektiert wird, mit der Probe wechselwirken. Das an der Probe gestreute Licht kann dann über der Platte detektiert werden. Abbildung 1: SNOM in Reflexion nach Fischer 2

3 2 Das optische Nahfeld Um zu verstehen, was das Nahfeld ist, bzw. wie das Licht mit der Probenoberfläche wechselwirkt, verwendet man das Modell einer dielektrischen Kugel. Tatsächlich verhält sich ein Objekt oder eine Struktur, die wesentlich kleiner als die Wellenlänge ist, in guter Näherung wie eine solche. Abbildung 2: Dipolfeld einer dielektrischen Kugel in ebener Welle Im Feld einer ebenen Welle wird diese Kugel (Durchmesser a, Dielektrizitätskonstante ɛ) polarisiert und emittiert das Feld eines oszillierenden Dipols mit dem Dipolmoment p [1]: E Dipol = 1 4πε 0 {k 2 ( n p) n 1 r + [3 n( n p) p]( 1 r 3 ik r 2 )} exp i(ωt k r) mit p = ( ε 1 ε + 2 ) a3 Eein. Aus dieser Gleichung lassen sich nun die führenden Terme für das Nahfeld (r λ/2) und das Fernfeld (r λ/2) entwickeln: E Nahfeld = E F ernfeld = k2 ( p n( n p)) 4πε 0 r 3 n( n p) p 4πε 0 r 3 exp i(ωt k r) für r λ/2, exp i(ωt k r) 3 für r λ/2.

4 Das Nahfeld fällt wie das statische Dipolfeld mit 1/r 3 ab, ist also nicht propagierend. Es in unmittelbarer Umgebung kleiner Objekte sehr stark ausgeprägt, geht dann aber bei Abständen λ im Fernfeld unter, wie Abbildung 3 zeigt. Abbildung 3: Vergleich von Fernfeld und Nahfeld 3 Betriebsarten Man unterscheidet zwischen emission mode und collection mode je nachdem, ob die Faserspitze die Probe lokal beleuchtet und das Licht im Fernfeld gesammelt und detektiert wird, oder ob die Probe gleichmäßig beleuchtet wird (Mikroskopobjektiv) und das Nahfeld von der Spitze detektiert wird. Auch eine Kombination aus beiden ist möglich (external reflection), jedoch wegen der schwachen Intensitäten problematisch. Je nach Art der Probe ist es sinnvoll, das transmittierte Licht (transmission mode) oder das reflektierte Licht (reflection mode) zu untersuchen. Ein weiteres Instrument ist das optische Tunnelmikroskop (STOM = Scanning Tunneling Optical Microscope) [2]. Dabei befindet sich die Probe auf der Basisfläche eines Prismas, an der ein Laserstrahl total reflektiert wird. Bewegt man eine dielektrische Spitze in wenigen nm 4

5 Abbildung 4: Betriebsarten des SNOM. (a) transmission emission (b) transmission collection (c) external reflection (d) reflection mit Cassegrain system. Abstand von der Probe, so streut diese die evaneszente Welle, so daß sich in ihrem Inneren eine propagierende Welle bildet, die detektiert werden kann. Da die Intensität der evaneszenten Welle exponentiell mit der Höhe abfällt, kann die Intensität hier auch zur Abstandskontrolle herangezogen werden und somit die Topographie der Probe aufgenommen werden. Einfacher ist es, die Spitze eines AFM (atomic force microscope) mit Scherkraftkontrolle, oder ein STM zu verwenden. Dessen oszillierende Spitze erzeugt eine periodische Störung der Oberflächenplasmonen und damit eine Modulation in der Intensität des re- 5

6 flektierten Laserstrahls, welche mit lock-in Technik gemessen werden kann (SPNM = Scanning Plasmon Nearfield Microscope) [3]. Abbildung 5: Scanning tunneling optical microscope 4 Sonden für das optische Nahfeld Eine Sonde für das optische Nahfeld besteht im Prinzip aus einer hinreichend kleinen Apertur ( nm). In der Regel werden dielektrische Spitzen verwendet, die aus einer herkömmlichen monomode- Faser hergestellt werden. Die Wechselwirkung zwischen einer solchen Apertur und der Probe ist theoretisch sehr komplex und bis heute nicht vollständig geklärt. Man stellt sich die Apertur als Streukörper vor, die vom optischen Nahfeld angeregt wird und im Inneren der Faser eine propagierende Welle aussendet (collection mode). Man verwendet sowohl unbeschichtete als auch mit einer nm starken Metallschicht (meist Aluminium wegen des starken Skin Effektes) beschichtete Faserenden. Unbeschichtete Spitzen haben i.a. einen kleineren Spitzenradius und eine höhere Lichtausbeute. Allerdings sind solche Spitzen sehr empfindlich gegen Streulicht. Daher ist man (zumindest bei optischer Scherkraftkontrolle) auf beschichtete Spitzen angewiesen. Beschichtete Spitzen lassen sich wie gesagt nicht 6

7 so fein herstellen und produzieren daher eher topographische Artefakte (siehe Abbildung 6). Ferner begrenzt die starke Wärmeentwicklung an der Spitze im emission mode die einsetzbare Intensität. Abbildung 6: Vergleich von unbehandelter und beschichteter Spitze Eines der Hauptprobleme der Nahfeldmikroskopie ist die geringe Intensität des Lichtes nach passieren der Apertur der weitaus größte Teil der Leistung im emission mode wird an der Faserspitze und nicht an der Probe reflektiert. Daher versucht man den konusförmigen Teil der Spitze möglichst kurz zu halten. Das Standardverfahren bei der Herstellung beschichteter Spitzen ist in Abbildung 7 zu sehen. Die Faser wird mit einem CO 2 Laser erhitzt und auseinandergezogen. Die Spitzen werden mit verschiedenen Ätzverfahren verfeinert oder gleich durch Ätzen hergestellt (Abbildung 8). Das Problem dabei ist die meist beschränkte Reproduzierbarkeit der Spitzen, wodurch diese i.a. auch noch recht teuer zu kaufen sind. Anschließend erfolgt die Bedampfung unter einem wohldefiniertem Winkel, so daß eine Apertur an der Spitze frei bleibt. Das Ergebnis zeigt Abbildung 9. Zum Schluß seien noch zwei exotische Varianten erwähnt. In einer Mikropipette, wie sie z.b. in der Gentechnik verwendet wird, kann man einen Kristall aus einem fluoreszierenden Material wachsen. In diesem werden durch Laserlicht metastabile Exzitonen erzeugt, die in die Spitze wandern und dort rekombinieren können. Man erhält so eine sehr intensive punktförmige Lichtquelle mit ähnlichen Eigenschaften wie eine emittierende Faserspitze. Auch wurden Versuche gemacht, eine Halbleiterspitze bestehend aus einem GaAs Kristall in 111 Richtung mit Elektroden zu versehen, zwischen denen eine Spannung den Kristall zum Leuchten anregt. 7

8 Abbildung 7: Herstellung von beschichteten Spitzen Abbildung 8: (a) gezogene Spitze, (b) danach geätzt, (c)-(e) direkt geätzt 5 Abstandskontrolle Das Bild eines optischen Nahfeldmikroskops ist sehr interpretationsbedürftig. Oft ist nicht klar, ob eine Struktur in der Aufnahme durch die Materialeigenschaften der Probe oder durch die Topographie verursacht wird. Daher möchte man die optische Aufnahme direkt mit einer Abbildung der Topographie vergleichen 1. Darüber hinaus ist es für die Lebensdauer der Spitze wichtig, eine präzise Abstandskontrolle zu 1 Gerade die Kombination aus Information über die räumliche Strukturen auf der Probenoberfläche und deren optische Eigenschaften ist die Stärke des SNOM 8

9 Abbildung 9: Al-beschichtete Spitze und geätzte Spitze ohne Beschichtung Abbildung 10: Fluoreszierende Mikropipette, Halbleiter-Sonde verwenden (nur beim STOM ist es möglich eine optische Abstandskontrolle einzusetzen). Die gängigen Methoden basieren auf Scherkraft- Detektion wie sie auch beim AFM eingesetzt wird. Dabei wird die Spitze in laterale Oszillation versetzt (möglichst die Eigenfrequenz der Spitze). Diese Schwingung wird durch Reibungskräfte gedämpft, wenn die Spitze mit der Probe Kontakt aufnimmt (10-15 nm). Alles was man also tun braucht, ist die Schwingungsamplitude der Spitze zu messen. Drei verschiedene Methoden sind in Abbildung 11 gezeigt. In (a) und (b) wird die Spitze mit einem fokussierten Laserstrahl beleuchtet und dann entweder zwei reflektierte Strahlen in einem Interferometer 9

10 Abbildung 11: Verschiedene Methoden der Scherkraftdetektion 10

11 verglichen, oder der an der Faser gebeugte Strahl an einer segmentierten Photodiode detektiert. Der Trend geht heute mehr zur nicht optischen Methode in (d). Die Faser ist auf eine sog. tuning-fork geklebt ein Piezoelement, welches direkt eine zur Schwingungsamplitude proportionale Wechselspannung liefert [4]. Auf diesem Wege vermeidet man unerwünschtes Streulicht und benötigt nur sehr geringe Amplituden ( 1 nm). Typische Eigenfrequenzen liegen bei 30 khz. 6 Anwendungsbeispiele Die Anwendungsbereiche sind sehr breit gefächert. Man findet im Internet und in Fachmagazinen jede Menge Arbeitsgruppen, die ihre Ergebnisse präsentieren [5]. Ein paar Beispiele seien hier gezeigt. Das optische Bild enthält Informationen über Transmittivität, Reflektivität und Änderungen des Brechungsindex. Ferner läßt sich die Intensität in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung untersuchen. So lassen sich auch magnetooptische Eigenschaften der Probe sichtbar machen. 6.1 Chemischer Kontrast Abbildung 12 zeigt eine Probe von AgIBr Kristallen, wie sie in Photofilmen eingesetzt werden. Die Oberfläche der einzelnen Kristalle ist sehr flach (links). Das SNOM Bild (in Transmission) zeigt Strukturen, die von einem Gradient der Jod-Konzentration innerhalb der Kristalle herrührt. Abbildung 13 zeigt die (001) Oberfläche eines benzothiazoline-2- thione Kristalls, auf der sich aufgrund von Defekten Inseln gebildet haben [6]. Während das benzothiazoline-2-thione an der (001) Oberfläche vor Autooxidation geschützt ist (entscheidende funktionale Gruppen liegen im bulk), findet die Autooxidation in den Inseln statt. Dies sieht man im SNOM Bild an der schwächeren Reflektivität (chemischer Kontrast). 6.2 Lithographie Eine einfache und schnelle Methode um Spitzen zu testen ist in Abbildung 14 zu sehen. Eine 9-chloroanthracene Oberfläche wurde an drei Stellen mit einer schlechten, unbeschichteten Spitze unter Scherkraft Kontrolle bestrahlt [7]. Das rechte Bild zeigt die entstandenen 11

12 Abbildung 12: AgIBr Kristalle. Topographie und SNOM Bildgröße: 7, 5µm Abbildung 13: Autooxidation von benzothiazoline-2-thione Inseln. AFM, SNOM. Strukturen im AFM Modus. Im linken Bild wurde eine thioindigoid dye Oberfläche an zwei Stellen 10 s lang mit einer feinen Spitze erhitzt (1µW bei 488 nm). Die beiden Inseln haben einen Abstand von 600 nm. 6.3 Polarisations Kontrast Eine weitere Anwendung ist die Untersuchung einer Probe bzgl. ihrer dichroitischen und doppelbrechenden Eigenschaften, wobei auch hier das Auflösungsvermögen und die topographische Information des SNOM interessante Untersuchungsmethoden eröffnen. Dabei unter- 12

13 Abbildung 14: Photolithographisch und thermisch erzeugte Strukturen scheidet man zwischen Methoden mit fester Eingangspolarisation (Beleuchtung der Probe) und Methoden mit modulierter Eingangspolarisation. Abbildung 15: Mikrostrukturierung von Flüssigkristall-Filmen. Links: Umorientierung mit dem AFM, rechts: photomikrographische Aufnahme mit gekreuzten Polarisatoren Ein Beispiel für eine Untersuchung mit fester Eingangspolarisation zeigt Abbildung 15. Hier wurden Flüssigkristalle auf einem Polymer Substrat aufgebracht, die sich dabei nach der Orientierung des Substrates ausrichten. Das Substrat wurde zunächst durch einen Walzvorgang einheitlich orientiert 2. Dann wurde das Substrat mit einem AFM umorientiert auf den abgescannten Flächen ist das Substrat nun 2 Standardverfahren zur Herstellung von LCD Displays 13

14 in Scanrichtung orientiert. Entsprechend richten sich dann die Flüssigkristalle aus. Dadurch treten die behandelten Flächen in der mikroskopischen Aufnahme unter gekreuzten Polarisatoren hervor. Mit dieser Methode lassen sich feine lichtführende Strukturen erzeugen. Die SNOM Aufnahme (Abbildung 16 unten) zeigt zusätzlich einen Effekt an den Rändern dieser Flächen: In einem gewissen Übergangsbereich müssen sich die Moleküle umordnen. Dabei wechselt der Drehsinn der Umorientierung, wie unten links gezeigt ist [8]. Abbildung 16: Topographie und SNOM Bilder Zusätzliche Informationen kann man gewinnen, wenn man die lineare Eingangspolarisation kontinuierlich über die gesamte Phase moduliert und zusammen mit der optischen Information speichert. Man erreicht dies mit einem elektrooptischen Kristall und einem λ/4-plättchen [9]. Damit läßt sich z.b. die Magnetisierung eines Bismut-dotierten Yttrium-Eisen-Granat Filmes (YIG) wie in Abbildung 17 über den Faraday Effekt 3 sichtbar machen. Über den Phasen-Ausgang eines 2-3 Während beim Faraday Effekt die Polarisationsrichtung des transmittierenden Lichtes gedreht wird, ist der Kerr Effekt in Reflektion wirksam. Letzterer wird in MO-Medien genutzt. 14

15 Kanal Lock-in Verstärkers, der das transmittierte Licht mit dem einfallenden Licht vergleicht (vor den Detektoren befinden sich feste Analysatoren), wurde Abbildung 18 links aufgenommen. Damit kann man den Drehwinkel des Faraday Effektes direkt (bei nur einem Scan) messen er beträgt hier 2,3 Grad zwischen den Domänen [10]. Abbildung 17: Magnetische Domänen eines YIG Filmes. Abbildung 18: Topographie und SNOM mit modulierter Eingangspolarisation. Kantenlänge: 15 µm. 6.4 SNOM an cholesterischen Flüssigkristallen Mit dem SNOM, das im Rahmen der Übung vorgeführt wurde, werden in der Arbeitsgruppe Kitzerow (physikalische Chemie) Flüssigkristalle in cholesterischer Phase untersucht [11]. Das verwendete 15

16 SNOM von der Firma ZEISS, das sich noch in der Erprobungsphase befindet, basiert auf einem klassischen optischen Mikroskop, das auch als SNOM im transmission mode betrieben werden kann. Dabei kann man mit modulierter Eingangspolarisation arbeiten, um einen besseren Kontrast zu erzielen (wurde bisher noch nicht eingesetzt). Die Spitzen stammen von der Firma imm [12] und werden in Mikrofabrikation hergestellt, d.h. mit Methoden der Halbleiterfertigung (s. Abbildung 25). Was aber sind eigentlich cholesterische Flüssigkristalle? In Abbildung 19 sind drei verschiedene Phasen dargestellt, die sich in Anordnung und Orientierung der länglichen Moleküle voneinander unterscheiden. In der nematischen Phase 4 (a) sind die Moleküle einheitlich orientiert, aber wie in der flüssigen Phase uneinheitlich angeordnet, bzw. können sich translatorisch bewegen. Dabei bilden sich fadenartige Strukturen. In der smektischen Phase 5 (b) sind die Moleküle zusätzlich in einer Dimension räumlich geordnet (Schichtstruktur). In der cholesterischen Phase 6 (c) schließlich sind benachbarte Moleküle um einen festen Winkel gegeneinander verdreht es entsteht eine Helix-Überstruktur, die sich nach einer Ganghöhe p periodisch fortsetzt. Abbildung 19: Verschiedene Phasen von Flüssigkristallen. Da bei der Vorführung der Maustreiber versagte, werden hier ein paar Beispiele nachgeliefert, die in den letzten Wochen entstanden 4 von griech.: nema = Gespinst, Faden 5 von griech.: smegma = Seife, Schmiere 6 von Cholesterinester 16

17 Abbildung 20: Topographie, Fehlersignal und SNOM. sind. Abbildung 20 zeigt eine Aufnahme von Flüssigkristallen, die perlenartig auf einem Polymer Substrat angehäuft sind. Um diese Anhäufungen zu erhalten wird das Substrat photolitographisch behandelt. Das linke Bild zeigt das Topographiesignal, das mit nichtoptischer Scherkraftdetektion gewonnen wurde (constant force). Das mittlere Bild ist das Amplituden bzw. Fehlersignal, also die Abweichung zwischen dem Ist- und Soll-Wert der Höhe der Spitze über der Probe und entspricht etwa der Ableitung des Topographie-Signals in Scanrichtung. Das rechte Bild ist das optische Intensitäts-Signal aus dem Photomultiplier. Im mittleren Bild ist bei den Inseln auch ein wellenförmiger Artefakt zu erkennen, der durch Eigenschwingungen des Regelkreises entsteht. Man kann ihn nicht immer vermeiden, da bei zu großer Zeitkonstante des Regelkreises die Abstandskontrolle zu träge reagiert. In Abbildung 21 ist die Spitze etwas unvorsichtig über die Probe bewegt worden... Allerdings hat sie diese Behandlung überlebt und das vorliegende Bild geliefert. Der erzeugte Graben ist auch im SNOM Bild zu sehen, was man als topographischen Artefakt ansehen kann; allerdings zeigt der Vergleich von Auflösung und Grabenbreite, daß die optische Apertur und der wirksame Spitzenradius weitaus kleiner sind, als die ganze Faserspitze (Vergl. Abbildung 25). Im oberen Teil des SNOM Bildes erkennt man die Bildung der cholesterischen Phase: Die Moleküle beginnen ab einer bestimmten Schichtdicke sich umzuorientieren. Wenn man die Schichtdicke weiter erhöht, wird die Oberfläche schließlich wellig, was man dann auch in der Topographie sehen kann (siehe Abbildung 22 und 23). 17

18 Zum Schluß noch ein Beispiel ohne Flüssigkristalle. Abbildung 24 zeigt eine Probe, auf der NaCl-Kristalle gewachsen und anschließend durch Auflösen wieder entfernt wurden. Im Fehler-Signal-Bild (oben rechts) sieht man deutlich den oben erwähnten Artefakt durch Resonanzen des Regelkreises. Abbildung 21: Entstehen der cholesterischen Phase am Highway. 18

19 Abbildung 22: Dickere Schicht aus Flüssigkristallen. Abbildung 23: Vergrößerung. Literatur [1] Joos. Lehrbuch der Theoretischen Physik. AULA-Verlag, Wiesbaden, 15 edition, [2] D. Courjon, K. Sarayeddine, and M.Spajer. Scanning tunneling optical microscopy. Optical Communication, 71:23, [3] M. Spajer, D. Courjon, K. Sarayeddine, A. Jalocha, and J.-M. Vigoureux. Microscopie en champ proche par réflexion. J. Phys. III, 1(1), [4] K. Karrai. Non-Optical Shearforce Detection. Appl. Phys. Lett., 66:1842,

20 Abbildung 24: Dickere Schicht aus Flüssigkristallen, Vergrößerung. Abbildung 25: In Mikrofabrikation hergestellte Spitze der Firma imm. 20

21 [5] Uni-Wuppertal. Links zu SNOM Seiten. [6] G. Kaupp and A. Herrmann. Chemical Contrast in Scanning Near-Field Optical Microscopy. J. Phys. Org. Chem., 10: , [7] G. Kaupp and A. Herrmann. Positive submicron lithography using uncoated or far-field apertured SNOM tips on organic crystals. Ultramicroscopy, 71: , [8] Th. Lacoste. Scanning Near-field Optical Microscopy and Polarization Contrast. Ph.d. thesis, University of Basel, [9] D. A. Higgins, D. A. Vanden Bout, J. Kerimo, and P. F. Barbara. Polarization-Modulation Near-Field Scanning Optical Microscopy of Mesostrucured Materials. J. Phys. Chem., 100(13794), [10] Th. Lacoste, Th. Huser, and H. Heinzelmann. Faraday Rotation Imaging by Near-field Optical Microscopy. Z. Phys. B, 104:183, [11] Th. Huser, H.-S. Kitzerow, Th. Lacoste, and H. Heinzelmann. Scanning Near-Field Optical Microscopy of Cholesteric Liquid Crystals. J. Chem. Phys., 108: , [12] imm Institute of Microtechnologie Mainz. 21