Überblick

Ziel der Arbeitsgruppe ist die Erforschung von neuartigen infrarot-optischen Abbildungs- und Detektionsmethoden, welche durch den Einsatz von resonanten Nanostrukturen eine bislang unerreichte Sensitivität erreichen können.

Warum Infrarotlicht?

Infrarotlicht ermöglicht die chemische, strukturelle und elektronische Charakterisierung von Materialien, ohne diese dabei zu zerstören. Schwingungen zwischen Atomen eines Moleküls z.B. können mit Infrarotlicht resonant angeregt werden, wobei das Infrotlicht bei dieser Resonanzfrequenz absorbiert wird. Aus dem Infrarot-Spektrum eines Materials (mit vielen "IR-Absorptionsbanden") kann das Material eindeutig identifiziert werden.

Warum Nano-Optik?

In der konventionellen Mikroskopie ist die Auflösung durch Beugung auf etwa eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts beschränkt. Im sichtbaren Spektralbereich entspricht dies ca. 200-300 nm, im Spektralbreich des mittleren Infrarot (3-20 Mikrometer Wellenlänge) sind dies einige Mikrometer. Kleinere Strukturen, d.h. Nanostrukturen können mit konventionellen Mikroskopen nicht aufgelöst werden. Üblicherweise wird für die Charakterisierung von Nanostrukturen die Elektronenmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie verwendet. Beide Methoden haben eine Ortausfösung im Nanometerbereich, erlauben aber in der Regel keine chemisch sensitiven Materialkontraste. Um nun die hohe Ortauflösung der Rastersondenverfahren mit der chemischen Sensitivität der Infrarotspektroskopie zu verbinden, bedienen wir uns der infraroten Nahfeldmikroskopie.

Infrarote Nahfeldmikroskopie

In der infraroten Nahfeldmikroskopie (engl." infrared scanning near-field optical microscopy", IR-SNOM) wird die Probe mit einer feinen Tastspitze abgerastert, ähnlich wie bei einem Rasterkraftmikroskop. Zusätzlich wird diese –meist metallisierte– Tastspitze mit Infrarotlicht eines abstimmbaren Lasers beleuchtet. Am Spitzenapex kommt es zu lokal verstärkten Nahfeldern, die sich nur über eine sehr beschränkten Raumbereich erstrecken, in der Regel einige 10 nm. Die Spitze kann über diese erhöhten Nahfelder mit der Probe optisch wechselwirken. Verschiedene Probenmaterialien zeigen eine unterschiedliche Wechselwirkung, was wiederum vom System Spitze-Probe gestreute Licht beeinflusst. Das gestreute Licht wird interferometrisch detektiert. Die infrarote Streuamplitude und Streuphase geben Aufschluss über das jeweilige Material unter der Tastspitze. Durch Variation der Beleuchtungswellenlänge ist eine ortsaufgelöste Infrarotspektroskopie möglich. In meiner Arbeitsgruppe forschen wir an der Erweiterung der infraroten Nahfeldmikroskopie in 3 Bereichen:

1.) Ein Ziel ist Erhöhung der im Nahfeldmikroskop detektierten Signale und damit die Erhöung der Sensitivtät, so dass noch kleinste Probenmengen detektiert werden können

2.) Mit einer erhöhten Sensitivität soll auch die Anwendung der Nahfeldmikroskopie mit breitbandigen Lichquellen (= grosser spektraler Abstimmbereich) möglich werden

3.) Es sollen die Abbildungseigenschaften der Nahfeldmikroskopie dazu genutzt werden, um quantitative Aussagen über vergrabene Strukturen (d.h. unterhalb der Probenoberfläche) zu treffen.

Neue Konzepte zur hochaufgelösten Abbildung: Metamateralien und Superlinsen

In den letzten Jahren wurde verstärkt an künstlichen Materialien mit einstellbaren optischen Eigenschaften, sogennanten "Metamaterialien" geforscht. Mit diesen Materialien, die aus vielen einzelnen Nanostrukturen oder Schichten bestehen, sind auch neuartige Abbildungskonzepte denkbar, die eine Auflösung jenseits des Beugungslimits erlauben sollen. Ein Beispiel hierfür wäre die von Sir John Pendry vorschlagene "perfekte Linse", die aus einem planaren Metamaterial mit negativem Brechungindex besteht.

Ein anderes, vereinfachtes Konzept ist die sogenannte "Superlinse": Hier wird eine dünne Schicht eines natürlichen Materials verwendet, um kleine Objekte abzubilden und eine Auflösung unterhalb des Beugungslimist zu erhalten. Wichtig  für dieses Konzept ist, dass das Material der Superlinse sogenannte Oberflächenwellen beherbergen kann: Im sichtbaren Spektralbereich ist dies durch dünne Metallfilme gegeben, im infraroten Spektralbereich durch polare Kristalle wie z.B. Siliziumkarbid (SiC). Mittels einer Superlinse aus SiC und dem abbildenden infraroten Nahfeldmikroskop konnte von mir im Jahr 2006 erstmalig der direkte optische Nachweis einer funktionierenden Superlinse erbracht werden, Dabei wurde eine Auflösung von λ/15 gezeigt. Aktuell soll der Abbildungsmechanismus einer Superlinse näher erforscht werden, um wichtige Grundlagen für zukünftige Abbildungsverfahren mittels Metamaterialien zu erhalten.

Neue Konzepte zur Verstärkung der Infrarotspektrokopie: IR-resonante Nanostrukturen ("Optische Antennen")

Lokale Nahfelder können durch geometrische und materialabhängige Resonanzen weiter verstärkt werden.  Kann eine Nanostruktur Licht in einem subwellenlängen Bereich fokussieren, so spricht man von einer "Optischen Antenne". Wir verwenden und untersuchen optische Antennen mit Resonanzen im infraroten Spektralbereich mit dem Ziel, mit diesen verstärkten Nahfeldern die Sensitivität der Infrarotspektroskopie sowohl im Nahfeldmikroskop als auch im konventionellen Infrarotmikroskop zu erhöhen.

Aktuell: Für diese neue Arbeitsgruppe werden noch zwei Postdoktoranden sowie ein Doktorand gesucht!