Nano-optical mapping of permittivity contrasts and electronic properties at the surface and beneath

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015) [Doktorarbeit]

Seite(n): VIII, 134 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Streulicht-Nahfeldmikroskopie (s-SNOM) ermöglicht optische Messungen mit einer Auflösung weit unterhalb des Beugungslimits mittels der optischen Nahfeldwechselwirkung zwischen einer beleuchteten Spitze und der Probe. Da Nahfelder nicht auf die unmittelbare Probenoberfläche beschränkt sind, ist mit dieser Methode eine quantitative Untersuchung von vergrabenen Strukturen möglich. Darüber hinaus ermöglicht Streulicht-Nahfeldmikroskopie in Verbindung mit abstimmbaren monochromatischen Lichtquellen auch lokale optische Spektroskopie auf einer Längenskala von unter 50 nm. In dieser Arbeit wird der mittlere infrarote Spektralbereich zwischen 5 µm und 11 µm verwendet, um Proben mit Hinblick auf ihre freien Ladungsträger und optischen Phononen zu untersuchen.Die Möglichkeiten der Streulicht-Nahfeldmikroskopie werden von zwei Perspektiven betrachtet. Im ersten Teil dieser Arbeit werden generelle Fragestellungen adressiert, die die Abbildungseigenschaften und die zugrundeliegende Physik betreffen. In diesem Zusammenhang wird ein neues Modell zur theoretischen Beschreibung der Nahfeldwechselwirkung mit geschichteten Proben vorgestellt, das eine quantitative Analyse von gemessenen Kontrasten ermöglicht. Zusätzlich wird das Auflösungsvermögen und die Messempfindlichkeit für Objekte, die von einer dielektrischen Schicht bedeckt sind experimentell untersucht.Ein grundlegender Unterschied zwischen beugungsbegrenzter Spektroskopie und Nahfeldspektroskopie ist, dass die evaneszenten Felder an der Tastspitze hohe Werte für den lateralen Anteil des k-Vektors aufweisen. Die Bedeutung dieser Komponente für die Anregung von Oberflächenwellen (Oberflächen-Plasmon-Polaritonen und Oberflächen-Phonon-Polaritonen) wird erörtert. Auch der Fall von hoch-dispersiven Oberflächenwellen in aufkommenden zweidimensionalen Systemen wie Graphen wird betrachtet.Im zweiten Teil wird die Anwendbarkeit der Streulicht-Nahfeldmikroskopie für die Untersuchung von Nanostrukturen, die über eigens hergestellte Modellsysteme hinausgehen demonstriert. An drei verschiedenen Materialien wird gezeigt, dass die Methode Einsicht in Phänomene bietet, die anderweitig nur schwer zugänglich sind:Die Ladungsträgerdichte von dotierten Indiumarsenid-Nanodrähten kann mit einer Genauigkeit von 10% bestimmt werden, ohne die Probe elektrisch zu kontaktieren. Das ist bei Weitem ausreichend, um leichte unbeabsichtigte Abweichungen in der Ladungsträgerdichte zu erfassen. Aus diesem Grund ist Streulicht-Nahfeldmikroskopie als eine Routine-Methode für die Messung der Dotiereffizienz in Nanostrukturen vorstellbar.An chemisch synthetisierten Antimontellurid-Plättchen wurde eine zuvor unbekannte, hoch-symmetrische Domänenstruktur nachgewiesen. Durch Spektroskopie und Modellrechnungen kann der Ursprung dieser Domänen mit unterschiedlichen Ladungsträgerdichten erklärt werden. Ein Vergleich zu unterschiedlich hergestellten Proben aus demselben Material zeigt, dass diese Entdeckung in Zusammenhang steht mit dem speziellen Kristallisationsprozess von Plättchen, die aus der Lösung synthetisiert werden.Schließlich werden die Auswirkungen von ausgedehnten Kristall-Defekten in epitaktischen Schichten aus Siliziumkarbid auf die lokalen phononischen Eigenschaften untersucht. Wie sich herausstellt, haben typische Arten von Defekten einen starken Einfluss auf das von der Spitze gestreute Nahfeld. Die Konsequenzen davon für auf Oberflächen-Phonon-Polaritonen basierende Verwendungsmöglichkeiten von Siliziumkarbid werden erörtert.Insgesamt zeigen die Anwendungen auf Nanodrähte, Plättchen und epitaktische Schichten, dass Streulicht-Nahfeldmikroskopie eine geeignete Methode ist für die Untersuchung von Systemen und Materialien, die derzeit von hohem wissenschaftlichen Interesse sind. Die Fortschritte in der mathematischen Beschreibung von Nahfeldkontrasten ermöglicht eine Auswertung von Messungen an vertikal inhomogenen Proben. Das ist von großer Bedeutung für die Etablierung der Methode als nichtinvasive Messtechnik für die Charakterisierung von Dünnfilmen. Zusammengefasst ist diese Arbeit ein Beleg dafür, dass Streulicht-Nahfeldmikroskopie im mittleren Infrarotbereich einen vielfältigen Zugang zu grundlegenden materialspezifischen Fragestellungen in der modernen Festkörperphysik bietet.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Hauer, Benedikt

Gutachterinnen und Gutachter

Taubner, Thomas
Schäpers, Thomas

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-022343
  • REPORT NUMBER: RWTH-2015-02234