Magnetische Nanoanalytik: Spinabhängige Abbildung
Halbleiterbauelement-Analytik: Rasterkapazitätsmikroskopie und -Spektrokopie
Optische Nanoanalytik: Nahfeldmikroskopie und -Spektroskopie
Nanoanalytik organischer Systeme: Kryo-Rasterkraftmikroskopie

Optische Nanoanalytik:
Nahfeldmikroskopie und -Spektroskopie

Verbundpartner:
Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig
NanoSensors Dr. Olaf Wolter GmbH
S.I.S. Surface Imaging Systems Rastersonden- und Sensormeßtechnik GmbH
Bruker Optik GmbH
Institut für Angewandte Physik, Universität Karlsruhe (TH)
Physikalisches Institut, Universität Münster
Organische Chemie I, FB 9, Universität Oldenburg

Motivation

Nanoanalytische, optische Meßverfahren werden im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung in vielen Hochtechnologiebereichen entscheidende Bedeutung gewinnen. Dies gilt für die Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik ebenso wie für neue Anwendungen z.B. in der Biotechnologie. In allen Fällen besteht Bedarf für ortsaufgelöste, analytische Informationen bis in den molekularen Bereich. Technologisch markiert der Übergang in submikroskopische Bereiche für die Analyse von Oberflächenstrukturen einen Wendepunkt, da konventionelle lichtoptische Analysemethoden aufgrund ihrer beugungsbegrenzten Ortsauflösung nicht mehr einsetzbar sind. Fundamentale mikroanalytische Techniken wie die Photolumineszenz- und die Raman-Spektrometrie stehen in der Nanoanalytik nicht mehr zur Verfügung.

Einen Ausweg bietet die Kombination dieser spektroskopischen Verfahren mit der optischen Nahfeldmikroskopie (scanning near-field optical microscopy, SNOM). Bei der Annäherung einer Nahfeldsonde an eine Probe wird die Ortsauflösung nur noch durch die Sondengeometrie bestimmt, wenn der Abstand zur Probe signifikant kleiner als die Wellenlänge ist. Auf diesem Weg werden im optischen Frequenzbereich Ortsauflösungen bis ca. l/10 erreicht. Erste spektrometrische Untersuchungen mit Nahfeldmikroskopen sind bereits durchgeführt worden. Im wesentlichen wurden dabei Apertur-Glasfasersonden mit ihren bekannten Nachteilen eingesetzt. Dieses Projekt beschäftigt sich u.a. mit der Untersuchung alternativer Sonden- und Mikroskopkonzepte zur Lösung dieser Aufgaben.

Zielsetzung

Ziel des Verbundprojekts ist die Realisierung eines kombinierten Systems zur optischen Nahfeldspektroskopie, bestehend aus einem kompakten, optischen Nahfeldmikroskop und einem speziell für die Nahfeldmikroskopie optimierten Spektrometer. Als Basisgerät wird ein Nahfeldmikroskop auf der Grundlage von mikrolithographisch hergestellten Silizium-Cantileversonden mit FIB-strukturierten Aperturen angestrebt. Zusätzlich werden von den Universitätsarbeitsgruppen weitere Nahfeldsonden auf ihre Verwendbarkeit für die Nahfeldspektroskopie überprüft.

In diesem Verbundprojekt laufen die Fäden bei der PTB Braunschweig zusammen. Von hier aus wird der Verbund koordiniert und hier geschieht zum Ende des Vorhabens der Aufbau und die Charakterisierung des Nahfeldspektrometer-Gesamtsystems. Auch bei dem Entwurf der Einzelkomponenten spielen die beteiligten Laboratorien der PTB Braunschweig eine wesentliche Rolle. So wird gemeinsam mit der Firma S.I.S. das kompakte, kombinierte optische Nahfeld- und Rasterkraftmikroskop konzipiert und aufgebaut. In Zusammenarbeit mit der Firma NanoSensors werden die Silizium-Nahfeldsonden an die gegebenen Randbedingungen angepaßt und optimiert. Im Rahmen eines Unterauftrags werden bei dem Fraunhofer-Institut (FhG IIS-B, Erlangen) die Sonden mit Hilfe von fokussierten Ionenstrahlen (FIB) modifiziert. Gemeinsam mit der Bruker Optik GmbH soll ein an die Erfordernisse der Nahfeldmikroskopie angepasstes Spektrometer mit optimierten Signal/Rausch-Verhältnissen entwickelt werden. Nach dem Aufbau des Gesamtsystems ist dieses in seiner Leistungsfähigkeit zu charakterisieren. Dazu sollen geeignete Normale entwickelt werden, mit deren Hilfe eine Spezifizierung hinsichtlich spektraler und lateraler Auflösung ermöglicht werden soll.

Das Teilvorhaben der Universität Münster beinhaltet grundlegende Untersuchungen zum Einsatz der dort entwickelten Tetraedersonden aus Glas sowie aus Silizium für die Nahfeldmikroskopie. Für das Vorhaben ist ihre Erprobung hinsichtlich spektroskopischer Anwendungen im nahen Infrarot und Fluoreszenzmessungen von großem Interesse. An der Universität Karlsruhe bestehen sowohl Erfahrungen auf dem Gebiet der experimentellen Nahfeldmikroskopie als auch bei der theoretischen Beschreibung der Abbildungsprozesse. Speziell sind Simulationsrechnungen zum Abbildungsverhalten der im Verbund verwendeten unterschiedlichen Nahfeldsonden geplant, wobei die Einflüsse der verschiedenen Kontrastmechanismen, der Sondengeometrie, der Objekttopographie sowie weiterer Messparameter auf das Messergebnis erörtert werden. Im Rahmen des Vorhabens kommt dem direkten Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationen eine zentrale Bedeutung zu. Ein Schwerpunkt an der Universität Karlsruhe sowie an der Universität Oldenburg liegt seit einigen Jahren im Einsatz von unbeschichteten Glasfasersonden für nahfeldmikroskopische und spektroskopische Untersuchungen. In beiden Gruppen wurden bereits Messungen bei Raumtemperatur sowie bei tiefen Temperaturen (Karlsruhe) an verschiedenen Materialsystemen durchgeführt. Ein Vergleich der Ergebnisse an gleichen Proben soll eine Quantifizierung der mit diesen Sonden erreichbaren optischen Auflösung ermöglichen. In Oldenburg stehen bei den Messungen der chemische Kontrast und die Nahfeldspektroskopie auf technischen Oberflächen im Vordergrund. Naheliegende Anwendungen betreffen hierbei die Färbetechnik sowie Nanopartikel in Lacken.