DE102006020727A1

DE102006020727A1 - Abtastausleger für die optische Nahfeldmikroskopie

Info

Publication number: DE102006020727A1
Application number: DE102006020727A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Seidel; Stefan Dr.rer.nat.habil. Grafström; Lukas Prof.Dr.phil.habil. Eng
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: DE102006020727B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abtastausleger für die optische Nahfeldmikroskopie, aufweisend eine armartige Aufhängung an einer Chipstruktur und eine endseitig daran befindliche Sonde mit ausgeprägter Spitze, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Isolatorschicht auf dem Abtastausleger mit einer Metallschicht überzogen ist und die Metallschicht und der Abtastausleger im Bereich der Chipstruktur eine elektrische Kontaktierung aufweisen, - an die elektrische Kontaktierung eine elektrische Spannung anlegbar ist, mit der in den Schichten durch inelastische Tunnelprozesse Plasmonen in der Isolatorschicht erzeugt werden, die als Plasmonmode an der Metall-Luft-Grenzfläche lokalisierbar sind, - die metallisierte Spitze eine Feldverstärkung erzeugt, was zur Konzentration des Plasmonfeldes an der Spitze führt, und - die Plasmonmode an der Spitze der Sonde in Licht zerfällt und das austretende Licht zur optischen Detektion heranziehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abtastausleger für die optische Nahfeldmikroskopie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die Kombination der AFM-Technik mit einer im Nanometerbereich arbeitenden Lichtquelle.
Die AFM-Technik mit der Eigenschaft der lokalen Auflösung bis in den Nanometerbereich wird für topologische Analysen von Nanometerstrukturen eingesetzt. Für die Nanometertechnologie werden mit der Erforschung und Erschließung von Eigenschaften von „Quantenpunkten" und ähnlichen Strukturen aus abzählbaren atomaren Bestandteilen, deren optische Charakterisierung für entsprechende Anwendungen erforderlich. Vorraussetzung dafür ist eine entsprechend kleine Lichtquelle, die es gestattet, lokale optische Eigenschaften in räumlichen Bereichen mit Abmessungen im Nanometerbereich zu untersuchen.
Es sind bereits 2D-Tunneldioden bekannt geworden, die die Funktion der von Nanolichtquelle erfüllen, und zudem den Vorteil bieten, dass sich durch Variation der angelegten elektrischen Spannung die Wellenlänge des erzeugten Lichtes variieren lässt.
So können in Metall-Isolator-Metall-Strukturen (MIM-Strukturen) tunnelnde Elektronen Plasmonen-Oszillationen an den Metall-Isolator-Grenzflächen anregen. Dieser inelastische Tunnelprozess wurde erstmals 1976 von Lambe und McCarthy als Lichtemission durch die obere Metallschicht experimentell beobachtet (Lambe, J., McCarthy, S.L., Phys. Rev. Lett. 37, 923 (1976). Diese Lichtemission wird durch die Konversion von Plasmonen in frei propagierenden Photonen an Rauigkeiten der Metall-Isolator-Grenzflächen verursacht. Das Emissionsspektrum besteht aus einem Kontinuum verschiedener Wellenlängen bis zu einer kleinsten Grenzwellenlänge, die durch die angelegte Spannung zwischen den Metallelektroden gegeben ist.
Typischerweise bestehen solche Strukturen aus einem dünnen Aluminiumfilm auf einem Substrat, die durch eine dünne Oxidschicht (1–3 nm) bedeckt ist, auf welche eine zweite dünne Deckelektrode aufgebracht wird. Eine solche Struktur unterstützt verschiedene Plasmon-Moden, bei denen das elektromagnetische Feld an verschiedenen Grenzflächen konzentriert ist. Diese Grenzflächen sind die obere Metall-Luft-Grenzfläche, die untere Metall-Substrat-Grenzfläche bzw. die dünne Oxidschicht (Ushioda, S., Rutledge, J. E., Pierce, R.M., Phys. Rev. Lett. 54, 224 (1985).
Lambe und McCarthy schätzten die externe Quanteneffizienz (Verhältnis von totalem Photonenfluss zu Tunnelstrom) in ihrem Experiment auf 10^–5; weiterführende theoretische Betrachtungen hingegen zeigen, dass die Plasmonanregung in solchen Strukturen recht effektiv ist (inelastische Tunnelrate erreicht 10 % der elastischen Tunnelrate (Davis, L. C., Phys. Rev. B 16, 2482 (1977)).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nanolichtquelle für einen direkten Einsatz in der AFM-Technik nutzbar zu machen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Abtastausleger mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung weist der Abtastausleger eine armartige Aufhängung an einer Chipstruktur und eine endseitig daran befindlichen Sonde mit einer Spitze auf, wobei eine Isolatorschicht auf dem Abtastausleger mit einer Metallschicht überzogen ist, Metallschicht und Abtastausleger im Bereich der Chipstruktur eine elektrische Kontaktierung aufweisen, an die elektrische Kontaktierung eine elektrische Spannung anlegbar ist, mit der in den Schichten durch inelastische Tunnelprozesse Plasmonen in der Isolatorschicht erzeugt werden, die als Plasmonmode an der Metall-Luft-Grenzfläche lokalisiert sind, die durch die Metallschicht metallisierte Spitze eine Feldverstärkung erzeugt, was zur Konzentration des Plasmonfeldes an der Spitze führt, und die Plasmonmode an der Spitze der Sonde (6, 6') in Licht zerfällt und das austretende Licht zur optischen Detektion heranziehbar ist.
Vorteilhaft sind Sonde, armartige Aufhängung und angrenzende Chipstruktur mit einer dünnen Metallschicht überzogen, auf der eine Isolatorschicht und auf dieser eine weitere Metallschicht aufgebracht sind, wobei die beiden Metallschichten im Bereich der Chipstruktur getrennte elektrische Kontaktierungen aufweisen.
Weiterhin vorteilhaft bestehen Sonde, armartige Aufhängung und angrenzende Chipstruktur aus dotiertem Silizium bzw. einem anderen leitfähigen Halbleitermaterial, das eine eigene Oxidschicht aufweist oder auf welches eine Oxidschicht aufgebracht wurde. Die Oxidschicht ist mit einer Metallschicht überzogen, wobei die elektrische Kontaktierung im Bereich der Chipstruktur auf der Metallschicht und auf dem Silizium (Halbleiter) vorgesehen ist.
Vorteilhaft ist an die elektrische Kontaktierung eine variable Spannung anlegbar, die so variiert wird, dass das an der Spitze austretende Licht vom UV-Bereich über sichtbares Licht bis zum infraroten Bereich in seiner relativen Intensität veränderbar ist.
Die erste Metallschicht weist vorteilhaft eine Schichtdicke von 1 nm bis 200 nm auf. Die Isolatorschicht aus einem nichtleitenden Material weist eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 10 nm auf.
Eine erforderliche zweite Metallschicht weist eine Schichtdicke von 1 nm bis 200 nm auf.
Der Vorteil der Erfindung liegt in darin, dass eine breitbandige, stabile, Lichtquelle, die in ihrer Ausdehnung in der Größenordnung des Spitzendurchmessers eines Abtastauslegers liegt, zur lokalen optischen Charakterisierung von Proben eingesetzt werden kann. Insbesondere werden hier die feldverstärkenden Eigenschaften der metallisierten Spitze ausgenutzt, um Plasmonen auf einen Bereich zu konzentrieren, der in etwa dem Spitzenradius der Sonde entspricht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Abtastausleger mit einer Beschichtung, bestehend aus erster Metallschicht, Isolator und zweiter Metallschicht
2 einen Abtastausleger mit einer Beschichtung, bestehend aus einer Metallschicht und Oxidschicht
In der 1 ist ein Abtastausleger mit einer Beschichtung dargestellt. Eine Sonde 6 mit ausgeprägter Spitze ist an einer Chipstruktur 2 armartig aufgehängt. Zumindest auf der mit der Spitze versehenen Seite der Sonde 6 ist die Anordnung mit einer dünnen ersten Metallschicht beschichtet, die bis in den Bereich der Chipstruktur 2 reicht. Auf der ersten Metallschicht 3 ist eine Isolatorschicht 4 aufgebracht, die vor der ersten Metallschicht 3 endet. Eine zweite Metallschicht 5 ist über der Isolatorschicht 4 aufgebracht und endet vor der Isolatorschicht 4. Damit sind die beiden Metallschichten 3, 5 zur Kontaktierung frei zugänglich und mit einer elektrischen Kontaktierung 1 versehen.
Die Schichtanordnung bildet auf dem selbst nicht leitfähigen Material von Sonde 6 und Chipstruktur 2 eine Anordnung nach dem Prinzip einer 2D-Tunneldiode. Bei einer angelegten Spannung von wenigen Volt wird von der Spitze der Sonde 6 elektromagnetische Strahlung emittiert. Das Emissionsspektrum ist breitbandig und kann durch Variation der angelegten Spannung und der eingesetzten Materialien vom UV-Bereich über sichtbares Licht bis zum infraroten Bereich in seiner relativen Intensität verändert werden.
In der 2 ist ein Abtastausleger mit einer Beschichtung, bestehend aus einer Metallschicht, dargestellt. Die Anordnung aus armartig aufgehängter Sonde 6' und angrenzender konventioneller Chipstruktur 2' besteht aus dotiertem Silizium. Dieses Material bildet eine eigene Oxidschicht 7, auf der eine dünne erste Metallschicht 3 abgeschieden ist. Die Metallschicht 3 und das dotierte Silizium weisen im Bereich der angrenzenden Chipstruktur 2' eine elektrische Kontaktierung 1 auf. Das dotierte Material bildet zusammen mit der eigenen Oxidschicht 7 und der Metallschicht 3 eine 2-D-Tunneldiode, die eine Funktion wie in 1 beschrieben aufweist.
Zur Herstellung des Schichtaufbaus werden auf dem Abtastausleger die erforderlichen Metall- und ggf. Oxidschichten durch Sputtern, Aufdampfen, Abscheidung aus der Gasphase, Molekularstrahlepitaxie, pulsed laser deposition, Elektrolyse oder ähnliche Schichtabscheidungsverfahren erzeugt.

1: elektrische Kontaktierung
2: Chipstruktur, undotiert
2': Chipstruktur, dotiert
3: (erste) Metallschicht
4: Isolator
5: zweite Metallschicht
6: Sonde, undotiert
6': Sonde, dotiert
7: Oxidschicht

Claims

Abtastausleger für die optische Nahfeldmikroskopie, aufweisend eine armartige Aufhängung an einer Chipstruktur und eine endseitig daran befindliche Sonde mit ausgeprägter Spitze, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Isolatorschicht (4, 7) auf dem Abtastausleger mit einer Metallschicht (3, 5) überzogen ist und die Metallschicht (3, 5) und der Abtastausleger im Bereich der Chipstruktur (2, 2') eine elektrische Kontaktierung (1) aufweisen, – an die elektrische Kontaktierung (1) eine elektrische Spannung anlegbar ist, mit der in den Schichten durch inelastische Tunnelprozesse Plasmonen in der Isolatorschicht (4,7) erzeugt werden, die als Plasmonmode an der Metall-Luft-Grenzfläche lokalisierbar sind, – die durch die Metallschicht (3, 5) metallisierte Spitze eine Feldverstärkung erzeugt, was zur Konzentration des Plasmonfeldes an der Spitze führt, und – die Plasmonmode an der Spitze der Sonde (6, 6') in Licht zerfällt und das austretende Licht zur optischen Detektion heranziehbar ist.
Abtastausleger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sonde (6); armartige Aufhängung und angrenzende Chipstruktur (2) mit einer dünnen ersten Metallschicht (3) überzogen sind, auf der eine Isolatorschicht (4) und auf dieser eine zweite Metallschicht (5) aufgebracht sind, wobei die beiden Metallschichten (3, 5) im Bereich der Chipstruktur (2) eine elektrische Kontaktierung (1) aufweisen.
Abtastausleger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sonde (6'), armartige Aufhängung und angrenzende Chipstruktur (2') aus dotiertem Silizium bestehen, eine eigene oder fremde Oxidschicht (7) aufweist, die eigene oder fremde Oxidschicht die Isolatorschicht bildet und diese mit einer Metallschicht (3) überzogen ist, wobei die elektrische Kontaktierung (1) im Bereich der Chipstruktur (2') auf der Metallschicht (3) und auf dem dotierten Silizium vorgesehen ist.
Abtastausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an die elektrische Kontaktierung (1) eine variable Spannung anlegbar ist.
Abtastausleger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung so variierbar ist, dass das an der Spitze austretende Licht vom UV-Bereich über sichtbares Licht bis zum infraroten Bereich in seiner relativen Intensität veränderbar ist.
Abtastausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (3) eine Schichtdicke von 1 nm bis 200 nm aufweist.
Abtastausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (4) aus einem nichtleitenden Material besteht und eine Schichtdicke von 0,1 nm bis 10 nm aufweist.
Abtastausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallschicht (5) eine Schichtdicke von 1 nm bis 200 nm aufweist.