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WO2008025491A1 - Sonde, insbesondere zur optischen rastemahfeldmikroskopie - Google Patents

Sonde, insbesondere zur optischen rastemahfeldmikroskopie Download PDF

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Publication number
WO2008025491A1
WO2008025491A1 PCT/EP2007/007452 EP2007007452W WO2008025491A1 WO 2008025491 A1 WO2008025491 A1 WO 2008025491A1 EP 2007007452 W EP2007007452 W EP 2007007452W WO 2008025491 A1 WO2008025491 A1 WO 2008025491A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
slot
metal
metal tip
probe according
excitation light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2007/007452
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nader Issa
Reinhard Guckenberger
Fritz Keilmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Publication of WO2008025491A1 publication Critical patent/WO2008025491A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Definitions

  • the invention relates to a probe, in particular for optical scanning field microscopy.
  • optical near-fields are in the optical Rasternahfeldmikroskop (SNOM: S ⁇ canning Near-field Optical Microscope) utilized.
  • excitation light is focused onto a metal tip, so that surface plasmon polarites (OPP) are excited and propagated on the mantle surface of the metal tip, resulting in light focusing at the end of the metal tip.
  • OPP surface plasmon polarites
  • the excitation light is passed through a small metal aperture and thus greatly limited in space.
  • the advantage of this is that the excitation light no longer passes directly into the sample space and therefore does not lead to a disturbing background signal.
  • much light is lost in the metal aperture when the aperture diameter of the metal aperture is much smaller than the wavelength of the light is, so that the optical resolution is in practice worse than in the apertureless optical scanning near-field microscopy.
  • the above-mentioned surface plasmon polaritons are coupled electronic / electromagnetic vibrations that can propagate along a metal surface.
  • the above-mentioned focusing effect of such surface plasmon polaritons (OPP) is so far only partially understood and accordingly the subject of intensive research.
  • the optical excitation of the TMOPP mode is to be improved here, which leads to the focusing of light at the foremost end of the metal tip.
  • the excitation side is separated from the sample side by a metal screen, the metal screen preventing the excitation light incident from the excitation side from reaching the sample side and forming a disturbing background signal there.
  • the probe according to the invention has a metal tip, on the lateral surface of which surface plasmon polaritons are capable of propagation and at whose end a light focusing takes place, as already explained in the introduction to the prior art.
  • the metal screen has at least one slot in order to couple the excitation light coming from the excitation side onto the lateral surface of the metal tip and thereby excite the surface plasmon polaritons on the lateral surface of the metal tip.
  • the slot in the metal screen is annular and coaxially surrounds the metal tip on the outside thereof. This means that the symmetry axis of the metal tip is aligned with the central axis of the annular slot.
  • the invention is not limited to embodiments in which the central axis of the slot and the axis of symmetry of the metal tip are aligned.
  • the metal tip of the probe and the interior of the annular slot are formed einstuckig, so that the annular slot between the lateral surface of the metal tip and a corresponding hole in the metal shield is formed.
  • this metal tip facing the excitation light is conically shaped.
  • regular flat-top structures which are concentric in the rotationally symmetrical case.
  • the annular slot in the metal screen has a rounded outer edge in order to radiate the OPP components running on this side of the slots into the
  • the outer slot flank of the annular slot in the metal screen is rounded on the side facing the sample chamber.
  • the annular slot in the metal screen adjoins with its inner edge directly on the lateral surface of the metal tip, so that the inner diameter of the annular slot at this point is substantially equal to the outer diameter of the metal tip.
  • the inner edge of the annular slot is thus without any attachment in the lateral surface of the metal tip. This is advantageous in order to maximize the coupling of the surface plasmon polyps from the annular slot to the TMOPP mode on the surface of the metal tip.
  • the annular slot is circular, i. rotationally symmetric.
  • the annular slot and / or the metal tip are elliptical in cross-section or have the shape of a regular polygon. Accordingly, then the symmetry of the polarization of the excitation light to choose.
  • the symmetry of the metal tip need not be identical to the symmetry of the slot in the metal screen.
  • the decisive factor is only a good coupling to the then modified TMOPP mode of the metal tip.
  • the slot in the metal screen has a slot width less than half the wavelength of the excitation light to minimize propagation of the excitation light and propagation of OPP modes other than the desired TMOPP mode through the slots hold.
  • the slot in the metal screen preferably has a slot depth which amounts to at least several penetration depths of the excitation light so that all unwanted OPP modes are sufficiently attenuated, as well as the excitation light itself. Slit depths of about 100 nm are typically sufficient for visible and infrared light.
  • the metal tip and / or the metal screen consist of a non-metallic carrier, which is coated on its surface with a Metallschxcht, the carrier preferably consists of a dielectric.
  • the metal layer applied to the non-metallic carrier should have a sufficient layer thickness of at least 20 nm.
  • the slot is filled in the metal screen with a dielectric.
  • the metal shield for shielding the sample side from the excitation side is planar in one exemplary embodiment.
  • the metal screen it is not necessary within the scope of the invention for the metal screen to be planar. Rather, in the context of the invention, for example, also has the possibility that the metal screen is conical and runs from the excitation side to the sample side.
  • the metal screen and / or the metal tip in each case have a twofold or higher symmetry with respect to the central axis of the metal tip, which also includes a rotational symmetry.
  • the excitation light is radially polarized and is focused with optical lenses perpendicular to the annular slot in the metal screen. This means that the radially polarized excitation light is incident parallel to the central axis of the annular slot in the metal screen on the annular slot, resulting in optimum excitation of the radially symmetric OPP mode in the annular slot.
  • the excitation light is linearly polarized, for which purpose the invention provides two variants, which are described below.
  • the central axis of the annular slot is offset relative to the axis of symmetry of the metal tip, wherein the slot consists only of two opposing slot segments.
  • the axial offset between the central axis of the slot and the axis of symmetry of the metal tip should in this case be dimensioned such that the surface plasmon polaritons generated in the opposite slot segments interfere constructively there after their propagation to the end of the metal tip.
  • the excitation light is directed at a certain coupling angle at an angle to the central axis of the slot onto the opposing slot segments.
  • the coupling angle is in this case so large that the phase position of the radial components of the surface plasmon polaritons of the opposite slot segments is substantially equal.
  • the invention also encompasses protection for a scanning near-field optical microscope with the probe according to the invention described above.
  • the invention also encompasses the novel use of such a probe in a scanning near-field optical microscope.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a probe according to the invention with a metal tip and a metal shield for shielding the sample side from the excitation side, wherein the metal shield is planar-shaped,
  • FIG. 2 shows a modification of the probe according to FIG. 1, wherein the metal screen is conically shaped
  • FIG. 3 shows a modification of the probe according to FIG. 2, wherein a region of the metal shield within the annular slot has a metal tip pointing to the excitation side,
  • FIG. 4 shows a modification of the embodiment according to FIG. 2, wherein the metal screen is conically curved
  • FIG. 5 shows a modification of the probe according to FIG. 3, wherein the outer slot flanks of the annular slot in the metal screen on the sample side are rounded off
  • Figure 6 shows a modification of the embodiment of Figure 4, wherein the annular slot is arranged eccentrically with respect to the metal tip, as well as
  • Figure 7 is a plan view of the annular slot in the embodiment of Figure 6 from the direction of the central axis of the metal tip.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a probe according to the invention, which can be used, for example, for optical scanning field microscopy.
  • the probe consists essentially of a metal tip 1 and a metal shield 2, both made of metal.
  • the metal screen 2 serves to shield a sample side 3 from an excitation side 4, wherein on the sample side 3 is a sample to be examined microscopically, while from the excitation side 4 radially polarized excitation light 5 impinges at right angles on the metal screen 2.
  • annular slot 6 coaxially surrounding the metal tip 1, the inner diameter of the annular slot 6 being equal to the outer diameter of the metal tip 1 at the base thereof.
  • the incident on the slot 6 radially polarized excitation light 5 leads in the annular slot 6 to excite a radially symmetric OPP mode 7, which in turn excites on the conical surface of the metal tip 1 a TMOPP mode 8, which extends to one end 9 of the metal tip 1 spread out and there ensures a light focusing.
  • a circular disk-shaped inner part 10 which is part of the Metal tip 1 is, ie, the metal tip 1 and the inner part 10 are formed einstuckig.
  • the annular slot 6 in the metal screen 2 in this case has a slot width d, which is smaller than half the light wavelength of the excitation light. 5
  • the metal shield 4 in the region of the annular slot 6 has a thickness which amounts to at least a plurality of penetration depths of the excitation light 5. This is advantageous because unwanted OPP modes and the excitation light 5 itself are sufficiently attenuated.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 corresponds largely to the one described above and shown in FIG.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the metal screen 2 is not planar, but tapers conically from the excitation side 4 to the sample side 3, wherein the entire probe is also rotationally symmetrical in this case.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 3 corresponds largely to the exemplary embodiment described above and shown in FIG. 2, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the inner part 10 of the annular slot 6 on the Stimulation page 4 is also conically shaped and there forms another metal tip 11. As a result, the excitation of the OPP mode 7 in the annular slot 6 of the metal screen 2 is improved.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 corresponds largely to the exemplary embodiment described above and shown in FIG. 2, so that reference is made to the above description to avoid repetition.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the metal screen 2 is curved and thus also has no sectionwise planar partial surfaces.
  • FIG. 5 corresponds largely to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIG. 3, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the outer slot flank of the annular slot 6 in the metal screen 2 on the sample side 3 is rounded. As a result, the radiation of the OPP components running on this side of the slot 6 on the sample side 3 is advantageously reduced.
  • FIGS. 6 and 7 is largely identical to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIG. 4, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details.
  • the annular slot 6 in the metal screen 2 in this case has a central axis 12, while the metal tip 1 has a different central axis 13.
  • the peculiarity of this exemplary embodiment consists in the fact that the central axis 12 of the annular slot 6 is offset relative to the central axis 13 of the metal tip 1.
  • annular slot 6 is interrupted in the metal shield 2 in the circumferential direction and has only two slot segments 14, 15 which face each other with respect to the central axis 12.
  • the excitation light 5 is linearly polarized in the direction of a polarization direction 16, the polarization direction 16 being oriented from the one slot segment 14 to the opposite slot segment 15.
  • the use of linearly polarized excitation light 5 is advantageous because linearly polarized excitation light 5 is much easier to generate than radially polarized light.
  • the axial offset between the central axes 12, 13 is in this case selected so that the surface plasmon pola ⁇ tones generated in the opposite slot segments 14, 15 interfere constructively there after their propagation to the end 9 of the metal tip 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonde, insbesondere zur optischen Rasternahfeldmikroskopie, mit einer Metallspitze (1), auf deren Mantelfläche Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (8) ausbreitungsfähig sind und an deren Ende eine Lichtfokussierung erfolgt, einer hinter der Metallspitze (1) befindlichen Anregungsseite (4), von der Anregungslicht (5) eingekoppelt wird, das die Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (8) auf der Mantelfläche der Metallspitze (1) anregt, und einer vor der Metallspitze (1) befindlichen Probenseite (3), auf der sich eine Probe befindet, wobei zwischen der Probenseite (3) und der Anregungsseite (4) ein Metallschirm (2) angeordnet ist, der die Probenseite (3) von der Anregungsseite (4) abschirmt, und der Metallschirm (2) mindestens einen Schlitz (6) aufweist, um das von der Anregungsseite (4) kommende Anregungslicht (5) auf die Mantelfläche der Metallspitze (1) einzukoppeln und dadurch die Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (8) auf der Mantelfläche der Metallspitze anzuregen.

Description

BESCHREIBUNG
Sonde, insbesondere zur optischen Rasternahfeldmikroskopie
Die Erfindung betrifft eine Sonde, insbesondere zur optischen Rasternahfeldmikroskopie .
Die Abbildung und Strukturierung von Oberflachen mit einer Auflosung besser als die durch das Beugungslimit gegebene Grenze von etwa der halben Lichtwellenlange kann durch die Ausnutzung von optischen Nahfeldern erfolgen. Solche optischen Nahfelder werden im optischen Rasternahfeldmikroskop (SNOM: S^canning Near-field Optical Microscope) ausgenutzt.
In einer aperturlosen Variante der optischen Rasternahfeldmikroskopie fokussiert man Anregungslicht auf eine Metallspitze, so dass auf der Mantelflache der Metallspitze Ober- flachen-Plasmon-Polaritonen (OPP) angeregt werden und sich dort ausbreiten, was zu einer Lichtfokussierung am Ende der Metallspitze fuhrt. Hiermit wurde bereits eine optische Auflosung von 10 nm erreicht. Ein Problem ist hier, dass die abzubildende oder zu strukturierende Probe von dem Anregungslicht direkt mitbeleuchtet wird, was bei der Abbildung zu ei- nem starken Hintergrundsignal fuhrt.
In einer anderen Variante der optischen Rasternahfeldmikroskopie wird das Anregungslicht dagegen durch eine kleine Metallapertur geschickt und dadurch raumlich stark begrenzt. Vorteilhaft daran ist, dass das Anregungslicht nicht mehr direkt in den Probenraum gelangt und deshalb nicht zu einem störenden Hintergrundsignal fuhrt. Allerdings geht in der Metallapertur viel Licht verloren, wenn der Aperturdurchmesser der Metallapertur wesentlich kleiner als die Lichtwellenlänge ist, so dass die optische Auflosung hierbei in der Praxis schlechter ist als bei der aperturlosen optischen Rasternahfeldmikroskopie .
Bei den vorstehend erwähnten Oberflachen-Plasmon-Polaritonen (OPP) handelt es sich um gekoppelte elektronische/elektromagnetische Schwingungen, die sich entlang einer Metalloberflache ausbreiten können. Der ebenfalls vorstehend erwähnte Fokussierungseffekt derartiger Oberflachen-Plasmon- Polaritonen (OPP) ist bisher nur zum Teil verstanden und dementsprechend Gegenstand intensiver Forschung.
In STOCKMANN, M.I.: "Non-linear Laser Photomodification of Macromolecules - Possiblity and Applications", Physical Re- view Letters 93, 137404 (2004) wird gezeigt, dass auf einem runden Metalldraht Oberflachen-Plasmon-Polaritonen in einer speziellen Mode laufen können, deren raumliche Ausdehnung proportional zum Drahtdurchmesser ist und sich bei Verjüngung des Drahtdurchmessers proportional verkleinert. Das fuhrt bei einer konisch geformten Metallspitze von selbst zur gewünschten Fokussierung des Lichtfeldes an ihrem spitzen Ende. Diese sich an einer Spitze selbstkonzentrierende spezielle Mode ist im radialsymmetrischen Fall die transversale magnetische OPP- Mode und wird im Folgenden TMOPP-Mode (TMOPP: Transversale magnetische Oberflachen-£lasmon-£olaritonen) genannt. Der Konzentrationseffekt, von STOCKMANN nur halbanalytisch berechnet, ist inzwischen durch eine vollnumerische Berechnung bestätigt und erweitert worden, wie in ISSA, N. A., GUCKENBER- GER, R. : "Optical Nanofocusing on Tapered Metallic Wavegui- des", Plasmonics, Vol. 2, No. 1, 2007, 31-37 beschrieben wird.
In DE 195 22 546 Al ist eine Apertur-Spitze für die optische Rasternahfeldmikroskopie bekannt, bei der aber das Anregungs- licht in einer Glasfaser gefuhrt wird, also nicht frei eingestrahlt wird, und bei der die Kopplung in die auf der Außenseite der Spitze geführten OPP-Moden über eine Kopplungszone erfolgt. Aus dieser Patentanmeldung ist jedoch keine Vornch- tung zur optimalen Ankopplung der Oberflachen-Plasmon-
Polaritonen und zur Unterdrückung von direkter Einstrahlung des Anregungslichts bekannt.
Eine Kopplung über eine einzelne Apertur an eine Spitze ist in FREY, H. G.: "In High-Resolution Imaging of Single Fluores- cent Molecules with the Optical Near-Field of a Metal Tip", Physical Review Letters 93, 200801 (2004) beschrieben, jedoch ist die Geometrie stark asymmetrisch und die verwendete Apertur hat keine Ähnlichkeit mit einer ringförmigen Blendenan- Ordnung. Zudem wird kein radial polarisiertes Anregungslicht verwendet .
Eine andere bereits veröffentlichte Technik besteht darin, Licht auf die Innenseite einer an den Seitenflachen metalli- sierten dielektrischen Spitze (z.B. aus Glas) zu richten, wobei das Anregungslicht durch die dünne Metallschicht von innen nach außen koppelt und an der Spitze ein lokalisiertes Lichtnahfeld erzeugt. Als Literatur hierzu sei verwiesen auf BOUHELIER et al . : "Plasmon-coupled tip-enhanced near-field optical microscopy", Journal of Microscopy 210, 220-224
(2003) sowie JANUNTS et el.: "Excitation and superfocusing of surface plasmon polaritons on a silver-coated optical fiber tip", Optics Communications 253, 118-124 (2005) und FREY, H. G. et al.: "Optimized apertureless optical near-field probes with 15 nm optical resolution", Nanotechnology 17,
3105-3110 (2006) . Bei all diesen Veröffentlichungen fehlt jedoch jegliche Apertur. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Sonde zur optischen Rasternahfeldmikroskopie anzugeben .
Zum einen soll hierbei die optische Anregung der TMOPP-Mode verbessert werden, die zur Fokussierung von Licht am vordersten Ende der Metallspitze führt.
Zum anderen sollen im Rahmen der Erfindung Strahlungswege zwischen dem Bereich, aus dem das Anregungslicht ankommt, und dem Raum, in dem sich die Probe befindet, verhindert werden, um zu vermeiden, dass in den Probenraum gelangendes Anregungslicht ein störendes Hintergrundsignal bildet.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Sonde gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Im Rahmen der Erfindung wird die Anregungsseite durch einen Metallschirm von der Probenseite getrennt, wobei der Metall- schirm verhindert, dass das von der Anregungsseite einfallendes Anregungslicht auf die Probenseite gelangt und dort ein störendes Hintergrundsignal bildet.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Sonde eine Metallspitze auf, auf deren Mantelfläche Oberflächen-Plasmon-Polaritonen ausbreitungsfähig sind und an deren Ende eine Lichtfokussie- rung erfolgt, wie bereits eingangs zum Stand der Technik erläutert wurde.
Der Metallschirm weist bei der erfindungsgemäßen Sonde mindestens einen Schlitz auf, um das von der Anregungsseite kommende Anregungslicht auf die Mantelfläche der Metallspitze einzukoppeln und dadurch die Oberflächen-Plasmon-Polaritonen auf der Mantelfläche der Metallspitze anzuregen. Vorzugsweise ist der Schlitz in dem Metallschirm ringförmig und umgibt die Metallspitze an deren Außenseite koaxial. Dies bedeutet, dass die Symmetrieachse der Metallspitze mit der Zentralachse des ringförmigen Schlitzes fluchtet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Ausfuhrungsformen beschrankt, bei denen die Zentralachse des Schlitzes und die Symmetrieachse der Metallspitze fluchten.
In einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung sind die Metallspitze der Sonde und das Innere des ringförmigen Schlitzes einstuckig ausgebildet, so dass der ringförmige Schlitz zwischen der Mantelflache der Metallspitze und einer entsprechenden Bohrung in dem Metallschirm gebildet wird.
Darüber hinaus ist in einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass sich innerhalb des ringförmigen Schlitzes eine weitere Metallspitze befindet, die nicht in Richtung der Probe ausgerichtet ist, sondern in umgekehr- ter Richtung, d.h. zur Anregungsseite hin. Dadurch wird für eine erhöhte Anregung der Oberflachen-Plasmon-Polaritonen gesorgt. Vorzugsweise ist diese dem Anregungslicht zugewandte Metallspitze konisch geformt. Denselben Zweck können auch regelmäßige, im rotationssymmetrischen Fall konzentrische Ober- flachenstrukturen erfüllen.
Weiterhin ist in einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass der ringförmige Schlitz in dem Metallschirm eine abgerundete Außenflanke aufweist, um das Abstrahlen der an dieser Seite der Schlitze laufenden OPP-Komponenten in den
Probenraum zu verringern. Hierzu reicht es aus, wenn die äußere Schlitzflanke des ringförmigen Schlitzes in dem Metallschirm auf der dem Probenraum zugewandten Seite abgerundet ist. Vorzugsweise grenzt der ringförmige Schlitz in dem Metallschirm mit seiner Innenflanke unmittelbar an die Mantelflache der Metallspitze an, so dass der Innendurchmesser des ring- formigen Schlitzes an dieser Stelle im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Metallspitze ist. Die Innenflanke des ringförmigen Schlitzes geht hierbei also ansatzlos in die Mantelflache der Metallspitze über. Dies ist vorteilhaft, um die Ankopplung der Oberflachen-Plasmon-Polaπtonen aus dem ringförmigen Schlitz an die TMOPP-Mode auf der Mantelflache der Metallspitze zu maximieren.
Bei den bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung ist der ringförmige Schlitz kreisnngformig, d.h. rotationssym- metrisch. Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass der ringförmige Schlitz und/oder die Metallspitze im Querschnitt elliptisch sind oder die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen. Entsprechend ist dann die Symmetrie der Polarisation des Anregungslichts zu wählen.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Symmetrie der Metallspitze nicht identisch sein muss mit der Symmetrie des Schlitzes in dem Metallschirm. Entscheidend ist lediglich eine gute Ankopplung an die dann modifizierte TMOPP-Mode der Metallspit- ze.
Vorzugsweise weist der Schlitz in dem Metallschirm eine Schlitzbreite auf, die kleiner ist als die halbe Lichtwellen- lange des Anregungslichts, um die Ausbreitung des Anregungs- lichts und die Propagation anderer OPP-Moden als der gewünschten TMOPP-Mode durch die Schlitze hindurch möglichst gering zu halten. Darüber hinaus weist der Schlitz in dem Metallschirm vorzugsweise eine Schlitztiefe auf, die mindestens mehrere Eindringtiefen des Anregungslichts betragt, damit alle unerwünschten OPP-Moden genügend gedampft werden, ebenso wie das Anregungs- licht selber. Dazu genügen typischerweise Schlitztiefen von etwa 100 nm für sichtbares und infrarotes Licht.
In möglichen Varianten der Erfindung bestehen die Metallspitze und/oder der Metallschirm aus einem nicht-metallischen Trager, der an seiner Oberflache mit einer Metallschxcht beschichtet ist, wobei der Trager vorzugsweise aus einem Dielektrikum besteht. Die auf den nicht-metallischen Trager aufgebrachte Metallschicht sollte eine ausreichende Schichtdicke von mindestens 20 nm haben.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass der Schlitz in dem Metallschirm mit einem Dielektrikum gefüllt ist.
Der Metallschirm zur Abschirmung der Probenseite von der Anregungsseite ist in einem Ausfuhrungsbeispiel planar (eben) . Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich, dass der Metallschirm planar ist. Vielmehr besteht im Rahmen der Erfindung beispielsweise auch die Möglichkeit, dass der Metallschirm konisch ist und von der Anregungsseite zu der Probenseite hinzulauft.
In den bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung weisen der Metallschirm und/oder die Metallspitze jeweils für sich betrachtet eine zweifache oder höhere Symmetrie zur Zentralachse der Metallspitze auf, was auch eine Rotationssymmetrie einschließt . In der bevorzugten Variante der Erfindung ist das Anregungslicht radial polarisiert und wird mit optischen Linsen senkrecht auf den ringförmigen Schlitz in dem Metallschirm fokus- siert. Dies bedeutet, dass das radial polarisierte Anregungs- licht parallel zur Zentralachse des ringförmigen Schlitzes in dem Metallschirm auf dem ringförmigen Schlitz trifft, was zu einer optimalen Anregung der radial symmetrischen OPP-Mode in dem ringförmigen Schlitz fuhrt.
Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass das Anregungslicht linear polarisiert ist, wozu die Erfindung zwei Varianten vorsieht, die nachfolgend beschrieben werden.
In einer Variante der Erfindung mit linear polarisiertem An- regungslicht ist die Zentralachse des ringförmigen Schlitzes gegenüber der Symmetrieachse der Metallspitze versetzt, wobei der Schlitz lediglich aus zwei gegenüber liegenden Schlitzsegmenten besteht. Der Achsversatz zwischen der Zentralachse des Schlitzes und der Symmetrieachse der Metallspitze sollte hierbei so bemessen sein, dass die in den gegenüber liegenden Schlitzsegmenten erzeugten Oberflachen-Plasmon-Polaritonen nach ihrer Ausbreitung zum Ende der Metallspitze hin dort konstruktiv interferieren.
In einer anderen Variante der Erfindung mit linear polarisiertem Anregungslicht wird das Anregungslicht dagegen mit einem bestimmten Einkopplungswinkel schräg zur Zentralachse des Schlitzes auf die gegenüber liegenden Schlitzsegmente gerichtet. Der Einkopplungswinkel ist hierbei so groß, dass die Phasenlage der radialen Komponenten der Oberflachen-Plasmon- Polaritonen der gegenüber liegenden Schlitzsegmente im Wesentlichen gleich ist. Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch Schutz für ein optisches Rasternahfeldmikroskop mit der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Sonde.
Ferner umfasst die Erfindung auch die neuartige Verwendung einer derartigen Sonde in einem optischen Rasternahfeldmikroskop.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Sonde mit einer Metallspitze und einem Metallschirm zur Abschirmung der Probenseite von der Anregungsseite, wobei der Metallschirm planar geformt ist,
Figur 2 eine Abwandlung der Sonde gemäß Figur 1, wobei der Metallschirm konisch geformt ist,
Figur 3 eine Abwandlung der Sonde gemäß Figur 2, wobei ein Bereich des Metallschirms innerhalb des ringförmigen Schlitzes eine Metallspitze aufweist, die zur Anregungsseite weist,
Figur 4 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2, wobei der Metallschirm konisch gekrümmt ist,
Figur 5 eine Abwandlung der Sonde gemäß Figur 3, wobei die äußeren Schlitzflanken des ringförmigen Schlitzes in dem Metallschirm auf der Probenseite abgerundet sind, Figur 6 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4, wobei der ringförmige Schlitz in Bezug auf die Metallspitze exzentrisch angeordnet ist, sowie
Figur 7 eine Aufsicht auf den ringförmigen Schlitz bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 aus der Richtung der Zentralachse der Metallspitze.
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemä- ßen Sonde, die beispielsweise zur optischen Rasternahfeldmikroskopie eingesetzt werden kann.
Die Sonde besteht im Wesentlichen aus einer Metallspitze 1 und einem Metallschirm 2, die beide aus Metall bestehen.
Der Metallschirm 2 dient zur Abschirmung einer Probenseite 3 von einer Anregungsseite 4, wobei sich auf der Probenseite 3 eine mikroskopisch zu untersuchende Probe befindet, während von der Anregungsseite 4 radial polarisiertes Anregungslicht 5 rechtwinklig auf den Metallschirm 2 auftrifft.
In dem Metallschirm 2 befindet sich ein ringförmiger Schlitz 6, der die Metallspitze 1 koaxial umgibt, wobei der Innendurchmesser des ringförmigen Schlitzes 6 gleich den Außen- durchmesser der Metallspitze 1 an deren Basis ist. Das auf den Schlitz 6 auftreffende radial polarisierte Anregungslicht 5 führt in dem ringförmigen Schlitz 6 zur Anregung einer radial symmetrischen OPP-Mode 7, die wiederum auf der konischen Mantelfläche der Metallspitze 1 eine TMOPP-Mode 8 anregt, die sich zu einem Ende 9 der Metallspitze 1 hin ausbreitet und dort für eine Lichtfokussierung sorgt.
Innerhalb des ringförmigen Schlitzes 6 befindet sich hierbei ein kreisscheibenförmiges Innenteil 10, das Bestandteil der Metallspitze 1 ist, d.h. die Metallspitze 1 und das Innenteil 10 sind einstuckig ausgebildet.
Der ringförmige Schlitz 6 in dem Metallschirm 2 weist hierbei eine Schlitzbreite d auf, die kleiner ist als die halbe Lichtwellenlange des Anregungslichts 5.
Weiterhin weist der Metallschirm 4 im Bereich des ringförmigen Schlitzes 6 eine Dicke auf, die mindestens mehrere Ein- dringtiefen des Anregungslichts 5 betragt. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch unerwünschte OPP-Moden und das Anregungslicht 5 selbst genügend gedampft werden.
Das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 2 stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 1 dargestellten
Ausfuhrungsbeispiel uberein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausfuhrungsbeispiels besteht darin, dass der Metallschirm 2 nicht planar ist, sondern konisch von der Anregungsseite 4 zu der Probenseite 3 hin zulauft, wobei die gesamte Sonde auch hierbei rotationssymmetrisch ist.
Das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel uberein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausfuhrungsbeispiels besteht darin, dass das Innenteil 10 des ringförmigen Schlitzes 6 auf der Anregungsseite 4 ebenfalls konisch geformt ist und dort eine weitere Metallspitze 11 bildet. Dadurch wird die Anregung der OPP-Mode 7 in dem ringförmigen Schlitz 6 des Metallschirms 2 verbessert .
Das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 4 stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel uberein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Eine Besonderheit dieses Ausfuhrungsbeispiels besteht darin, dass der Metallschirm 2 gekrümmt ist und somit auch keine Abschnittsweise planaren Teilflachen aufweist.
Ferner stimmt das in Figur 5 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 3 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel uberein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten diesel- ben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausfuhrungsbeispiels besteht darin, dass die äußere Schlitzflanke des ringförmigen Schlitzes 6 in dem Metallschirm 2 auf der Probenseite 3 abgerundet ist. Da- durch wird vorteilhaft die Abstrahlung der an dieser Seite des Schlitzes 6 laufenden OPP-Komponenten auf die Probenseite 3 verringert .
Ferner stimmt das in den Figuren 6 und 7 dargestellte Ausfuh- rungsbeispiel weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel uberein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Der ringförmige Schlitz 6 in dem Metallschirm 2 weist hierbei eine Zentralachse 12 auf, wahrend die Metallspitze 1 eine andere Zentralachse 13 aufweist. Die Besonderheit dieses Aus- fuhrungsbeispiels besteht hierbei darin, dass die Zentralachse 12 des ringförmigen Schlitzes 6 gegenüber der Zentralachse 13 der Metallspitze 1 versetzt ist.
Eine weitere Besonderheit dieses Ausfuhrungsbeispiels besteht darin, dass der ringförmige Schlitz 6 in dem Metallschirm 2 in Umfangsrichtung unterbrochen ist und lediglich zwei Schlitzsegmente 14, 15 aufweist, die einander bezüglich der Zentralachse 12 gegenüber liegen.
Ferner ist das Anregungslicht 5 hierbei in Richtung einer Po- larisationsrichtung 16 linear polarisiert, wobei die Polari- sationsrichtung 16 von dem einen Schlitzsegment 14 zu dem gegenüber liegenden Schlitzsegment 15 ausgerichtet ist. Die Verwendlung von linear polarisiertem Anregungslicht 5 ist vorteilhaft, weil linear polarisiertes Anregungslicht 5 wesentlich einfacher zu erzeugen ist als radial polarisiertes Licht.
Der Achsversatz zwischen den Zentralachsen 12, 13 ist hierbei so gewählt, dass die in den gegenüber liegenden Schlitzseg- menten 14, 15 erzeugten Oberflachen-Plasmon-Polaπtonen nach ihrer Ausbreitung zum Ende 9 der Metallspitze 1 hin dort konstruktiv interferieren.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele beschrankt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Bezugs zeichenliste :
1 Metallspitze
2 Metallschirm
3 Probenseite
4 Anregungsseite
5 Anregungslicht
6 Schlitz
7 OPP-Mode
8 TMOPP-Mode
9 Ende der Metallspitze
10 Innenteil des Schlitzes
11 Metallspitze
12 Zentralachse des Schlitzes
13 Symmetrieachse der Metallspitze
14 Schlitzsegment
15 Schlitzsegment
16 Polarisationsrichtung

Claims

ANSPRUCHE
1. Sonde, insbesondere zur optischen Rasternahfeldmikroskopie, mit a) einer Metallspitze (1), auf deren Mantelfläche Oberflä- chen-Plasmon-Polaritonen (8) ausbreitungsfähig sind und an deren Ende (9) eine Lichtfokussierung erfolgt, b) einer hinter der Metallspitze (1) befindlichen Anregungsseite (4), von der Anregungslicht (5) eingekoppelt wird, das die Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (8) auf der Mantelfläche der Metallspitze (1) anregt, und c) einer vor der Metallspitze (1) befindlichen Probenseite (3) , auf der sich eine Probe befindet, dadurch gekennzeichnet, d) dass zwischen der Probenseite (3) und der Anregungsseite (4) ein Metallschirm (2) angeordnet ist, der die Probenseite (3) von der Anregungsseite (4) abschirmt, e) dass der Metallschirm (2) mindestens einen Schlitz (6) aufweist, um das von der Anregungsseite (4) kommende Anregungslicht (5) auf die Mantelfläche der Metallspitze (1) einzukoppeln und dadurch die Oberflächen- Plasmon-Polaritonen (8) auf der Mantelfläche der Me- tallspitze (1) anzuregen.
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Schlitz (6) in dem Metallschirm (2) ringförmig ist und die Metallspitze (1) an deren Außenseite koaxial umgibt.
3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallspitze (1) und das Innere (10) des ringförmigen Schlitzes (6) einstückig ausgebildet sind.
4. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des ringförmigen Schlitzes (6) eine weitere Metallspitze (11) befindet, die in Richtung der Anregungsseite (4) weist.
5. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Schlitz (6) in dem Metallschirm (2) eine abgerundete Außenflanke aufweist.
6. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Schlitz (6) mit seiner Innenflanke unmittelbar an die Mantelfläche der Metallspitze (1) angrenzt, so dass der Innendurchmesser des ringförmigen Schlitzes (6) an dieser Stelle im Wesentlichen gleich dem Au- ßendurchmesser der Metallspitze (1) ist.
7. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Schlitz (6) die Form a) eines Kreises, b) einer Ellipse oder c) eines regelmäßigen Vielecks aufweist.
8. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Schlitz (6) in dem Metallschirm (2) eine Schlitzbreite (d) aufweist, die kleiner ist als die halbe Lichtwellenlänge des Anregungslichts, und/oder b) dass der Schlitz (6) in dem Metallschirm (2) eine Schlitztiefe aufweist, die mindestens mehrere Eindringtiefen des Anregungslichts beträgt.
9. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallspitze (1) und/oder der Me- tallschirra (2) einen dielektrischen Träger aufweist, der mit einer Metallschicht beschichtet ist.
10. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (6) in dem Metallschirm (2) mit einem Dielektrikum gefüllt ist.
11. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschirm (2) a) planar ist oder b) konisch ist und von der Anregungsseite (4) zu der Probenseite (3) zuläuft.
12. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschirm (2) und/oder die Metallspitze (1) jeder für sich eine zweifache oder höhere Symmetrie zur Achse der Metallspitze (1) aufweisen.
13. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde rotationssymmetrisch ist.
14. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anregungslichtquelle, die das Anregungslicht (5) emittiert, wobei das Anregungslicht (5) linear oder radial polarisiert ist.
15. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Anregungslicht (5) radial polarisiert ist, und b) dass das Anregungslicht (5) koaxial auf den ringförmigen Schlitz (6) auftrifft.
16. Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Schlitz (6) in dem Metallschirm (2) in mehrere Schlitzsegmente unterteilt ist.
17. Sonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Anregungslicht (5) linear polarisiert ist, b) dass der ringförmige, unterbrochene Schlitz (6; 14, 15) und die Metallspitze (1) Zentralachsen (12, 13) aufwei- sen, die um einen vorgegebenen Achsversatz zueinander versetzt sind, c) dass der Schlitz (6) zwei Schlitzsegmente (14, 15) aufweist, die einander bezüglich der Zentralachse (12) des Schlitzes (6) gegenüber liegen, d) dass das Anregungslicht (5) eine Polarisationsrichtung (16) aufweist, die im Wesentlichen von dem einen Schlitzsegment (14) zu dem gegenüber liegenden Schlitzsegment ausgerichtet (15) ist, e) dass der Achsversatz zwischen den Zentralachsen (12, 13) so groß ist, dass die in den beiden Schlitzsegmenten (14, 15) erzeugten Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (8) nach ihrer Ausbreitung zu dem Ende (9) der Metallspitze (1) hin an dem Ende (9) der Metallspitze (1) konstruktiv interferieren.
18. Sonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Anregungslicht (5) linear polarisiert ist, b) dass der Schlitz (6) zwei Schlitzsegmente (14, 15) auf- weist, die einander bezüglich der Zentralachse (12) des
Schlitzes (6) gegenüber liegen, c) dass das Anregungslicht (5) in einem vorgegebenen Ein- kopplungswinkel auf die gegenüber liegenden Schlitzsegmente (14, 15) des Schlitzes (6) gerichtet ist, d) dass der Einkopplungswinkel so groß ist, dass die Phasenlage der radialen Komponenten der Oberflächen- Plasmon-Polaritonen (8) der gegenüber liegenden Schlitzsegmente (14, 15) im Wesentlichen gleich ist.
19. Optisches Rasternahfeldmikroskop mit einer Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
20. Verwendung einer Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 18 in einem optischen Rasternahfeldmikroskop
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