Schlarb, Andreas:

Schwerkraft- und optische Nahfeldmikroskopie

Duisburg-Essen (2003), 155 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik
Dissertation
Abstract:
Mit einem optischen Nahfeldmikroskop (Scanning Near-Field Optical Microscopy / SNOM) können die optischen Eigenschaften einer Oberfläche genauer aufgelöst werden als mit jedem klassischen Mikroskop. Kernpunkt eines optischen Nahfeldmikroskops ist eine sehr kleine Lichtquelle – klein im Vergleich zur Wellenlänge des verwendeten Lichtes –, die in einem Abstand von wenigen nm über die Oberfläche gerastert wird. Ausschlaggebend für das gute Auflösungsvermögen eines optischen Nahfeldmikroskops ist ein evaneszenter und ein propagierender Anteil der elektromagnetischen Welle im Bereich der Oberfläche, weshalb ein optisches Nahfeldmikroskop nicht dem beugungsbeschränkten Auflösungsvermögen eines klassischen Mikroskops von ca. unterliegt. Mit einem Scherkraftmikroskop kann die Voraussetzung eines optischen Nahfeldmikroskops – ein sehr kleiner Abstand zwischen Lichtquelle und Probenoberfläche – verifiziert werden. Dabei ist die Lichtquelle ein Teil eines Systems, das eine resonante Schwingung parallel zur Probenoberfläche ausführt. Jede Scherkraft, die – bei kleinem Abstand – von der Oberfläche auf das System ausgeübt wird, verändert das Schwingungsverhalten, das gemessen werden kann. Auf diese Weise kann gleichzeitig mit den optischen Eigenschaften der Probe ebenfalls die Topographie der Probe gemessen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eine Apertur-SNOM und zusätzlich ein Scherkraftmikroskop konzipiert und aufgebaut. Das Scherkraftmikroskop basiert auf einer Stimmgabel als resonant schwingende Einheit, an der die Lichtquelle des optischen Nahfeldmikroskops befestigt ist. Die Lichtquelle wird aus einer Glasfaser gebildet, indem ein Ende der Glasfaser mit der Methode des „Tube-Etching“ zunächst zu einer Spitze geätzt und anschließend – bis auf das äußere Ende – in einem Aufdampfprozess mit einer lichtundurchlässigen Aluminiumschicht bedeckt wird. Auf diese Weise war es möglich einen Apertur-Durchmesser von ca. 150nm zu erreichen. Dieses Ausmaß bestätigen Messungen mit dem optischen Nahfeldmikroskop, bei denen zwei unterschiedliche Testproben untersucht wurden. Mit einer sogenannten Fischer-Probe als Testprobe konnte das Auflösungsvermögen, das eng mit dem Apertur-Durchmesser korreliert ist, auf ca. 150nm abgeschätzt werden. Eine weitere Probe, die erstmals als Testprobe eingesetzt wurde, besteht aus einer auf ein transparentes Substrat aufgebrachte Aluminium-Stufenkannte, zur Verwirklichung eines hohen Transmissionskontrastes an dem Ort der Kante. Dadurch war es möglich, die Apertur der verwendeten SNOM-Spitze auf unter 225nm abzuschätzen. Innerhalb von Fluoreszenzmessungen wurde der Farbstoff Pyridine 2 untersucht. Dabei ermöglichte das mit dem optischen Nahfeldmikroskop gemessene Fluoreszenzverhalten eine Zuordnung der gleichzeitig gemessenen Topographie. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die in der Topographie erhöhten Strukturen aus Pyridine-2-Molekülen aufgebaut sind und dass insbesondere zwei unterschiedliche Strukturarten je nach Präparationstechnik möglich sind. Verdunstet gelöstes Pyridine 2 auf einem Glassubstrat, so entstehen ca. 0.5µm ? 2µm ausgedehnte und ca. 350nm hohe Strukturen, die wahrscheinlich kristallines Pyridine 2 sind. Dagegen werden beim Spin-Coating als Präparationstechnik zusammenhängende, untereinander ähnliche Strukturen gebildet, die mit einer Höhe von ca. 5nm jedoch wesentlich flacher als die kristallinen Strukturen sind und aufgrund ihrer Höhe nur aus wenigen Lagen Pyridine 2 zusammengesetzt sein können. Der Hintergrund der wirkenden Kraft ist beim Scherkraftmechanismus nicht vollständig geklärt. Um der Ursache der wirkenden Kräfte einen Schritt näher zu kommen, wurde in dieser Arbeit ein neuartiges Experiment aus zwei gekoppelten Scherkraftmirkoskopen vorgestellt und erprobt. Dieses Experiment zeigt verschiedene Zusammenhänge, die einerseits auf einen Wasserfilm auf der Probenoberfläche hindeuten. Dies wird aus der Art der gemessenen Kräfte ersichtlich, die in Form von Reibungskräften mit der Annäherung der SNOM-Spitze auf die Oberfläche einsetzen. Gestützt wird diese Annahme durch die Tatsache, dass diese Reibungskräfte mit dem Entfernen der Spitze von der Oberfläche nicht langsam, sondern – wie die Messungen zeigen – ab einer bestimmten Entfernung sehr schnell auf Null abnehmen. Dieses Verhalten kennzeichnet das Abreißen einer Wasserbrücke zwischen Spitze und Probenoberfläche und belegt dadurch die Existenz eines Wasserfilms, der einen wesentlichen Einfluss auf die wirkenden Scherkräfte besitzt. Neben den Reibungskräften konnten andererseits elastische Kräfte nachgewiesen werden, wenn die Spitze durch den Wasserfilm hindurch mechanischen Kontakt mit der Probenoberfläche eingeht. Die gemessenen elastischen Kräfte können nicht auf dem in der Literatur diskutierten Klopfmechanismus beruhen, da die Stärke dieser Kräfte mit dem Abstand zwischen Spitze und Oberfläche nur sehr schwach variiert. Anstelle des Klopfmechanismus wird deshalb von einem kontinuierlichen Kontakt der Spitze mit der Oberfläche ausgegangen, mit dem eine elastische Verformung der Spitze einhergeht.