Erweiterte Anwendungen der Rastersondenmikroskopie

Achtung! Es folgt viel Text! Weiter unten gibt es ein paar Beispiele aus der Optischen Nahfeldmikroskopie sowie ein Beispiel zur Lithographie.

Ein Rastersondenmikroskop ist im Grunde genommen eine Einrichtung zur Positionierung einer feinen Spitze in einem definierten Abstand über einer Probenoberfläche. Im Gegensatz zu anderen Positioniereinrichtungen arbeitet das Rastersondenmikroskop im Nanometerbereich (10E-9 m). Im Standardbetriebsmodus werden Kräfte gemessen, um eine Oberflächentopographie abzutasten oder Bindungskräfte zu untersuchen (Lateralkraft, Kraftspektroskopie). Neben einer mechanischen Interaktion kann eine Messspitze aber noch auf viele andere Arten mit einer Oberfläche wechselwirken. Durch Verwendung einer leitfähigen Spitze können elektrische Messungen wie z.B. Potential oder Strommessungen durchgeführt werden. Hier gibt es eine Vielzahl verschiedener Messmethoden, bezeichnet mit drei- oder vierbuchstabigen Abkürzungen wie z.B. SSRM (Widerstand), TUNA (Strom), SCM (Kapazität), KFM (Potential), die durch Verwendung verschiedener Verstärker oder Messaufbauten realisiert werden können. In manchen Fällen wird ein besonderes Scannermodell verwendet: So ist z.B. für das Messen von Kleinstströmen ein in den Scanner eingebauter Tunnelstromverstärker zu empfehlen, um Störungen gering zu halten. Bei Kelvin-Probe-Messungen (KFM) oder auch bei Kapazitätsmessungen kann man sich die kleinen Dimensionen des Cantilevers zu Nutze machen, um die elektrischen Eigenschaften auf Kraftmessungen zurückzuführen. Desweiteren kann man mit speziellen Cantilevern auch andere Eigenschaften messen wie z.B. magnetische Kräfte (MFM) oder Temperatureffekte.

Eine der vielfältigsten aber auch gleichzeitig aufwendigsten Rastersondenmikroskopie-Messungen ist die optische Nahfeldmikroskopie (Scanning Optical Nearfield Microscope, SNOM oder NSOM). Diese Klasse von Geräten wird dazu verwendet, elektromagnetische Wechselwirkungen (Licht) mit einer Auflösung zu untersuchen, die kleiner ist als die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Wellen. Hier gibt es ebenfalls vielfältige Möglichkeiten: Beim apertureless SNOM verwendet man eine normale Metall- oder Halbleiterspitze und nutzt die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Probenoberfläche und Spitze aus, um optische Signale zu verstärken. Beleuchtet man den Punkt auf der Probenoberfläche, an dem sich Spitze und Probe am nächsten sind, mit einem Laser, wird die Wechselwirkung zwischen Probe und Licht an der Position der Spitze verstärkt und man kann so elektromagnetische Informationen in der Größenordnung der Spitzengeometrie erhalten. Dies wird insbesondere ausgenutzt zur Verstärkung von Raman-Signalen (Tip-Enhanced Raman).

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine feine Glasfaserspitze zur Konzentration des Lichts zu verwenden. Dabei kann die Glasfaser sowohl zum Beleuchten als auch zum Aufsammeln des detektierten Lichts dienen (Illumination-Collection-Mode SNOM), und man kann damit Photolumineszenzexperimente mit Auflösungen unterhalb der Lichtwellenlänge durchführen. Dies wird besonders interessant, wenn man als Detektor eine Kombination aus CCD-Kamera und Monochromator verwendet und erlaubt das Messen eines kompletten optischen Spektrums an jedem Punkt der Probenoberfläche (Optische Nahfeld Spektroskopie). Für viele Experimente noch interessanter wird es, wenn man diese Messungen bei sehr tiefen Temperaturen durchführen kann. In optischen Halbleitern z.B. treten viele quantenmechanische Effekte erst bei tiefen Temperaturen auf.

Dass so etwas tatsächlich funktioniert, kann man an folgenden Beispielen sehen. Sie wurden mit einem derartigen Gerät (Optisches-Tieftemperatur-Nahfeld-Spektroskop) durchgeführt. Die Scaneinheit ist ein DME DS45-40 SNOM Scanner. Die Messungen stammen aus dem Institut für Angewandte Physik, Technische Universität Braunschweig. (Für den Interessierten gibt es auch noch mehr Videos auf einer anderen Seite.)

Wellenlängenabhängige Emissionsintensität	Dynamik des optischen Emissionsspektrums
InGaN-LED Photolumineszenz bei ca. 50 K Emissionsintensität bei verschiedenen Wellenlängen (siehe rechts) Abstand der Bilder: 3 nm, alle Bilder aus einer einzigen Messung Größe des Bildes 15 Quadratmikrometer

Die Messungen beweisen die Existenz hoher Energiebarrieren in hocheffizienten blauen InGaN LEDs (vgl. Suppression of Nonradiative Recombination by V-Shaped Pits in GaInN/GaN Quantum Wells Produces a Large Increase in the Light Emission Efficiency, A. Hangleiter et al., Phys. Rev. Lett. 95, p. 127402 (2005)). Die Barrierenemissionen weisen eine Linienbreite entsprechend dem Auflösungsvermögen des optischen Spektrometers auf. Man sieht deshalb nur ein kurzes Aufblitzen derartiger Emssionen an verschiedenen Stellen der Oberfläche.

Hochauflösender 5 Mikr. Scan
bei Raumtemperatur

Alle Bilder stammen aus einer einzigen Messung. Da man durch Aufnahme eines Spektrums an jedem Punkt eine dreidimensionale Information erhält (X/Y Koordinate, Wellenlänge), muss man die Daten irgendwie aufbereiten, um ein Bild erstellen zu können.

Das einzelne Bild rechts zeigt als Vergleich die optische Emissionsintensität einer InGan-LED bei Raumtemperatur. Derartige Strukturen zeigen auch gut das Auflösungsvermögen der verwendeten Glasfaserspitze, welches bei dieser Messung etwas besser als 100 nm ist.

Eine der größten Herausforderungen bei derartigen Messungen ist das Herstellen der Glasfaserspitze. In diesem Fall wurde eine geätzte, mit Aluminium bedampfte Spitze verwendet. Zum Herstellen derartiger Glasfaserspitzen benötigt man eine Aufdampfanlage mit rotierendem Halter, einen Zugang zu einem für Flusssäure geeigneten Chemieabzug zum Ätzen der Faserspitze, ein Elektronenmikroskop zur schnellen Überprüfung des Ätz- und Aufdampfergebnisses sowie eine Photolumineszenzprobe, die einem eine Aussage über das Auflösungsvermögen der hergestellten Spitze zu machen erlaubt.

Die optischen Informationen lassen sich auch auf andere Arten darstellen. Man kann sich z.B. ein Bild der Breite des Emissionspeaks oder der Verschiebung des Emissionsmaximums erstellen, wie im Folgenden gezeigt:

Analog zu einem gewöhnlichen Rasterkraftmikroskop liefert ein optisches Nahfeldmikroskop auch eine Topographieinformation. Aufgrund der hohen Lichleistung an der Faserspitze ist diese zwar oft gestört, machmal aber doch verwendbar, wie im obigen Beispiel. Im Topographiebild erkennt man eine mit vielen Cracks durchzogene Probenoberfläche. Das rechte Bild wurde aus der Wellenlängenverschiebung erzeugt und zeigt eine deutliche Rotverschiebung an den Bruchstellen. Die Rotverschiebung resultiert aus der mechanischen Relaxation der Schicht an den Bruchstellen.

Wem das nicht genügt, für den gibt es noch eine Seite mit mehr Videos zur optischen Nahfeldspektroskopie...

In ein Stück Tesafilm geprägte Struktur.
Die Einprägung wurde während eines AFM-Scans erzeugt.
(Quelle: Institut für Halbleitertechnik,
TU Braunschweig)

Mit einem Rastersondenmikroskop lassen sich nicht nur Informationen ermitteln sondern auch Informationen auf eine Probe aufprägen. In der DME Scansoftware besteht z.B. die Möglichkeit, während des Scanvorgangs einen beliebigen Kanal mit der Informationen aus einem Bitmap zu modulieren. Man kann z.B. verschiedene elektrische Pulshöhen oder -breiten sowie Kräfte und Positionen modulieren. Dies unterscheidet sich von konventionellen AFM-Lithographie-Funktionen, bei denen nur die Möglichkeit besteht, bestimmte geometrische Figuren zu schreiben. Durch unsere Herangehensweise, ein Bitmap auf die Oberfläche zu übertragen, können beliebig komplexe Strukturen geschrieben werden, ohne dass man sich Gedanken über die Aufteilung in geometische Unterfiguren machen muss.

Das Bild rechts zeigt ein in ein gewöhnliches Stück Tesafilm geprägten Schriftzug. Die Auflösung entspricht hier der Spitzengeometrie. Die verwendete Spitze hat einen halben Öffnungswinkel von ca. 25°. Die Maße des Schriftzuges sind ca. (BxH) 4,85 x 1,75 Mikrometer. Derartige Lithographiefunktionen sind mittlerweile "Serienmässig" bei jedem unserer AFMs mit eingebaut.