DE102009000823B3

DE102009000823B3 - Photoleitende Messspitze, Messaufbau und Verwendung der photoleitenden Messspitze und/oder des Messaufbaus

Info

Publication number: DE102009000823B3
Application number: DE102009000823A
Authority: DE
Inventors: Michael Nagel; Markus WÄCHTER
Original assignee: ANGEWANDTE MIKRO und OPTOELEKT; Amo GmbH
Current assignee: ANGEWANDTE MIKRO und OPTOELEKT; Amo GmbH
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: WO2010091754A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine photoleitende Messspitze zur Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes, mit einer Anordnung wenigstens eines Trägers und einer in lateraler Erstreckung auf dem Träger angeordneter, voneinander isolierten ersten Elektrode und zweiten Elektrode, die über ein photoleitendes Material im Bereich einer photoleitenden Lücke an einem distalen Ende miteinander verbunden sind, wobei wenigstens in einem das vordere Ende der Elektroden umfassenden vorderen Bereich der Anordnung eine laterale Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode, bezüglich einer Wellenlänge der elektrischen Komponente des zu detektierenden elektro-magnetischen Feldes nichtwellenlängenangepasst ausgelegt ist, und sich zum distalen Ende hin verkleinert, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft und die Anordnung eine laterale Abmessung am distalen Ende im Bereich der photoleitenden Lücke unterhalb 20 µm hat. Weiter betrifft die Erfindung einen Nahfeld-Messaufbau. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung der Nahfeld-Messspitze und/oder des Nahfeldmessaufbaus.

Description

Die Erfindung betrifft eine photoleitende Messspitze zur, insbesondere zur direkten zeitlich und räumlich hochauflösenden, Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere zur Nahfeld-Detektion und/oder Fernfeld-Detektion mit einer Anordnung wenigstens eines Trägers und einer in lateraler Erstreckung auf dem Träger angeordneter, voneinander isolierten ersten Elektrode und zweiten Elektrode, die über ein photoleitendes Material im Bereich einer photoleitenden Lücke an einem distalen Ende miteinander verbunden sind. Weiter betrifft die Erfindung einen Messaufbau. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung der Messspitze und/oder des Messaufbaus.
THz-Strahlung ist Gegenstand vielfältiger Forschung und Anwendung. Eine Erzeugung und/oder Detektion von THz-Strahlung hoher Leistung in der Materialanalyse ist z. B. mit Anordnungen der Art, wie sie in der DE 10 2006 059 573 B3 beschrieben ist, möglich. Üblicherweise aber mit photoleitenden Messspitzen, wie in WO 2004/023566 A1 . Eine vergleichsweise ungewöhnliche Anordnung aus drei Messspitzen der WO 2006/072762 A1 dient zur polarisationsabhängigen Detektion von THz-Strahlung.
Insbesondere für bildgebende Verfahren hat die Anwendung von THz-Strahlung zunehmend Beachtung gefunden als vielversprechende Methode um im Bereich des fernen Infrarot räumlich aufgelöste Informationen verschiedener Materialeigenschaften zu detektieren. Allerdings beschränken Beugungseffekte die räumliche Auflösung von bildgebenden Verfahren, insbesondere im THz-Bereich, nämlich vor allem aufgrund der optischen Komponenten des Aufbaus wie Linsen oder Parabolspiegel. üblicherweise liegt eine örtliche Auflösungsgrenze oberhalb von einigen hundert Mikrometern. Um eine Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes unterhalb von beispielsweise 500 μm Ortsauflösung zu erreichen, sind aufwändige nahfeldoptische Mikroskope (SNOM) eingesetzt worden. So konnten SNOM-Lösungsansätze zu einer örtlichen Auflösung unterhalb der Wellenlänge der zu detektierenden elektrischen Komponente erreicht werden. Dazu wurden sowohl statische als auch dynamische Aperturen eingesetzt. Allerdings ist die Sensitivität und Bandbreite der apertur-basierten Ansätze stark beschränkt, da die Amplitude der transmittierten Felder mit der dritten Potenz des Aperturdurchmessers abnimmt.
In einer alternativen SNOM Methode kann zum Beispiel THz-Strahlung auf eine metallische Drahtspitze im Subwellenlängen-Durchmesserbereich einfallen, welche nahe der Probenoberfläche angebracht wird. Gestreutes Licht von der Metallspitze kann Aufschluss über die Probe im Subwellenlängen-Ortsauflösungsbereich geben und im Fernfeld gesammelt werden (s-SNOM). In dieser Konfiguration ist eine räumliche Auflösung im Bereich von 150 nm bei THz-Frequenzen berichtet worden. Die räumliche Auflösung eines THz-s-SNOM Aufbaus hängt allerdings kritisch vom Radius der Abtastspitze ab und dem Abstand zwischen der Spitze und der Probenoberfläche. Unglücklicherweise ist darüber hinaus das gestreute Nahfeld-THz-Signal relativ klein und von einem vergleichsweise großen Hintergrundbeitrag von gestreuter THz-Strahlung unterlegt, die von reflektierter THz-Strahlung der Probenoberfläche resultiert. Zusätzlich wird auch die Zeitauflösung erheblich reduziert.
Ein sehr effizienter Weg das Signal/Rausch Verhältnis bei dieser Art von s-SNOM Konfiguration zu verbessern, besteht darin, das elektrische Nahfeld direkt oder wenigstens in enger Nachbarschaft der Tastspitze über eine elektrooptisch aktive Kristallplatte abzutasten. Zwar wird die schlechte Zeitauflösung dadurch nicht verringert, jedoch ist die volle THz-Anregungsbandbreite für das elektro-optische Sampling verfügbar. In diesem Fall ist die räumliche Auflösung beugungsbegrenzt auf die Größe des optischen Probe-Strahldurchmessers von üblicherweise 10 μm. Solche Ergebnisse wurden unter anderem geliefert von N. A. Seo et. al. in Opt. Express 15, 11781–11789 (2007).
Eine vielversprechende SNOM Alternative zur Nahfeldabtastung basiert auf miniaturisierten photoleitenden Messspitzen (PC-SNOM). Photoleitende Messtaster basieren auf niedrigtemperaturgewonnenem GaliumArsenid (LT-GaAs) als Schalter mit isolierten Elektroden. Solche Schalter sind unter Bildung einer Kontaktlinse mit einem dielektrischen Substrat verwendet worden um elektrische Signale auf koplanaren Streifenleitungen zu detektieren. In direktem Kontaktmodus und bei einer zeitlichen Auflösung von 2.3 ps konnte eine Spannungssensitivität von 4 μV/(Hz)^1/2 erreicht werden. Um die Invasivität solcher photoleitender Schalter mit Messspitze zu verringern ist es vorteilhaft großvolumige dielektrische Substrate zu vermeiden und statt dessen ultradünne photoleitende (photokonduktive PC) Filme (Dicke ca. 1 μm) auf LT-GaAs als selbstfreistehende Substrate zu nutzen – so berichtet beispielsweise durch R. K. Lai et al. in Applied. Phyics. Letters. 69, 1843–1845 (1996). Obwohl die Verwendung von isolierten PC-Schaltern eine hohe Feldsensitivität bietet, ist die räumliche und zeitliche Auflösung begrenzt aufgrund der hohen RC-Zeitkonstanten und der räumlich recht ausgedehnten Feldankopplung des photokonduktiven Schalters (PC-Schalters) in einem nicht kontaktierten Modus. Unter Verwendung einer Dipol-Antenne mit einem schmalen integrierten PC-Gap können RC-Konstanten reduziert werden – so beispielsweise beschrieben in US 2003/0184328 A1 – jedoch ist die räumliche Feldankopplung immer noch definiert durch die λ/2-Länge der Dipolarme. So konnten räumliche und zeitliche Auflösungen im Bereich von 100 μm und einigen Pikosekunden berichtet werden, die allerdings kaum wiederholt reproduzierbar waren.
Es hat sich gezeigt, dass der Ansatz einer direkten zeitlich und räumlich hochauflösenden Felddetektion mittels photoleitender Nahfeld-Messspitzen zwar gutes Potenzial hat aufgrund der – mit wellenlängen-resonanter Auslegung als Dipol – hohen Feldsensitivität für die eingangs genannten Anwendungen in großem Maßstab zum Einsatz zu kommen. Wünschenswert ist es jedoch, eine verbesserte Ortsauflösung und Breitbandigkeit zu erreichen.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine photoleitende Messspitze und einen Messaufbau sowie eine zugehörige Verwendung anzugeben, mittels der eine hohe Ortsauflösung und breitbandige Detektion mit guter Zeitauflösung erreicht werden kann, wobei dennoch eine hohe Feldsensitivität gegeben sein sollte.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung mittels einer photoleitenden Messspitze der eingangs genannten Art gelöst, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass wenigstens in einem das vordere Ende der Elektroden umfassenden vorderen Bereich der Anordnung eine laterale Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode, bezüglich einer Wellenlänge der elektrischen Komponente des zu detektierenden elektro-magnetischen Feldes nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt ist, und sich zum distalen Ende hin verkleinert, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft und die Anordnung eine laterale Abmessung am distalen Ende im Bereich der photoleitenden Lücke unterhalb 20 μm hat.
Gemäß dem Konzept der Erfindung ist vorgesehen, dass die laterale Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode nicht-wellenlängenangepasst an eine Wellenlänge der elektri schen Komponente des zu detektierenden elektromagnetischen Feldes ist. Mit anderen Worten ist die Begrenzungsstruktur frei von einer wellenlängen-resonanten Struktur. Dazu sieht die Erfindung im Grundsatz vor, diese zum distalen Ende hin sich stetig verkleinernd auszulegen, wobei auch das Maß der Verkleinerung, d. h. die Abnahme selbst, stetig verläuft. Insbesondere soll das distale Ende im Bereich der photoleitenden Lücke eine laterale Abmessung unterhalb von 20 μm haben.
Die Erfindung hat erkannt, dass sich hinsichtlich der Breitbandigkeit vor allem das Problem stellt, dass der Ansatz über Dipol-Antennen dazu führt, die Breitbandigkeit bewusst aufzugeben, um eine hohe Feldsensitivität zu ermöglichen.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine photoleitende Messspitze – bei Aufgabe der Dipolform, bzw. bei Aufgabe einer wellenlängen-angepassten lateralen Begrenzungsstruktur der Anordnung – in der Lage ist, besonders breitbandig für eine zeitlich hochauflösende Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes zur Verfügung zu stehen. Die Erfindung hat erkannt, dass eine hohe Sensitivität der photoleitenden Messspitze trotz Aufgabe resonanter Strukturen dadurch erreicht werden kann, dass mit einer besonders geringen lateralen Abmessung, d. h. Querabmessung, der photoleitenden Messspitze am distalen Ende nicht nur eine Ortsauflösung deutlich unterhalb der zu detektierenden Wellenlänge der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes erreicht wird, sondern über den am distalen Ende mit geringer Querabmessung bewirkten elektromagnetischen „Spitzeneffekt” eine deutliche Feldüberhöhung erreicht wird. Überraschend wurde festgestellt, dass dies den Verlust an Messsensitivität durch Aufgabe der resonanten Struktur mehr als aufhebt. Im Ergebnis wird somit nicht nur eine verbesserte Messsensitivität bei deutlich verbesserter Ortsauflösung erreicht, sondern im Ansatz bereits eine hohe Breitbandigkeit und damit frequenzbreite Einsatzmöglichkeit der photoleitenden Nahfeld- oder Fernfeld-Messspitze.
Insbesondere kann unter Verwendung der photoleitenden Messspitze ein verbessertes PC-SNOM Nahfeld-Messprinzip mit einer frei positionierbaren photoleitenden Nahfeld-Messspitze verwirklicht werden, die in der Lage ist, direkt zeitlich und räumlich hochauflösend eine Felddetektion mit hoher Sensitivität aufgrund des Spitzeneffekts am distalen Ende der Messspitze zu ermöglichen. Aufgrund der weitgehenden Vermeidung von flügelartigen Elektroden-Begrenzungsstrukturen oder sonstigen resonanten bzw. wellenlängenangepassten Antennen-Begrenzungsstrukturen lässt sich eine hohe Breitbandigkeit bei hoher Sensitivität z. B. mit räumlicher Submillimeter-Auflösung und/oder zeitlicher Subpikosekunden-Auflösung erreichen.
Die Erfindung führt auch auf einen Nahfeld- und/oder Fernfeld-Messaufbau, insbesondere PC-SNOM Messaufbau. Dieser dient vorzugsweise der hochauflösenden Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes. Vorzugsweise ist die Messspitze dabei an einem Körper, insbesondere Glaskörperhafter angebracht.
Weiter führt die Erfindung auf die Verwendung der photoleitenden Messspitze zur direkten zeitlich und räumlich hochauflösenden Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes bei bildgebenden Verfahren. Insbesondere hat sich eine Verwendung im Bereich der Medizintechnik oder der Materialprüfung als vorteilhaft erwiesen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, aus denen sich weitere Vorteile und Ergänzungen zum Konzept der Erfindung ergeben.
Vorzugsweise ist wenigstens in dem vorderen Bereich der Anordnung der Verlauf der lateralen Begrenzungsstruktur bestimmt durch einen Elektrodenabstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode und/oder eine Elektrodenabmessung der ersten oder zweiten Elektrode. Unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung ist ein Verlauf des Elektrodenabstands und/oder der Elektrodenabmessung nicht-wellenlängenangepasst, d. h. frei von einer wellenlängen-resonanten Struktur. Ein Elektrodenabstand und/oder eine Elektrodenabmessung haben sich als vergleichsweise kritisch hinsichtlich der Realisierung des erfinderischen Konzepts erwiesen und bevorzugte Auslegungen des Elektrodenabstands- und/oder der Elektrodenabmessung haben sich als besonders wirkungsvoll erwiesen.
Besonders vorteilhaft kann ein Elektrodenabstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode und/oder eine Elektrodenabmessung der ersten und/oder zweiten Elektrode zum distalen Ende hin abnehmen. Insbesondere kann ein Elektrodenabstand und/oder eine Elektrodenabmessung im Bereich der photoleitenden Lücke vorteilhaft unterhalb 20 μm liegen, vorzugsweise unterhalb 5 μm liegen.
Unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, dass eine Abnahme des Elektrodenabstands und/oder eine Abnahme einer Elektrodenabmessung zum distalen Ende hin stetig verläuft. Dadurch wird in besonders vorteilhafter Weise erreicht, dass ein Maß der Verkleinerung der Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode stetig verläuft. Vorteilhaft kann beispielsweise – im mathematischen Sinn ausgedrückt – eine erste Ableitung eines Verlaufs der lateralen Begrenzungsstruktur, insbesondere eines Elektrodenabstands und/oder einer Elektrodenabmessung stetig sein. Beispielsweise kann eine Abnahme des Elektrodenabstands und/oder eine Abnahme der Elektrodenabmessung linear verlaufen. Es kann sich auch als vorteilhaft erweisen, dass eine Abnahme des Elektrodenabstands und/oder der Elektrodenabmessung gekrümmt, insbesondere konisch oder konvex, verläuft. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein anwendungsangepasstes Ansprechverhalten der photoleitenden Messspitze hinsichtlich ihrer Sensitivität unter Berücksichtigung des Konzepts der Erfindung erreichen.
Vereinfacht ausgedrückt sehen diese Art von Weiterbildungen vor, dass die erste und zweite Elektrode zur Bildung einer Spitze im Bereich der photoleitenden Lücke aufeinander zulaufen und vorteilhaft die Elektroden selbst spitz ausgebildet sind. Ein Maß der Verkleinerung der Begrenzungsstruktur ist dabei stetig. Durch Verzicht auf resonante Antennenelemente werden Ortsauflösung, Bandbreite, Empfindlichkeit und Nichtinvasivität wesentlich verbessert. Dadurch werden Anwendungsbereiche in vielfältiger Form erschlossen, die mit bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten resonanten, vergleichsweise niedrigen Ortsauflösungen und hoher Invasivität nicht erreicht werden konnten. Dazu gehört insbesondere die Qualitätsprüfung und Entwicklung von integrierten Höchstfrequenzschaltungen oder die hochauflösende THz-Bildgebung im Bereich der Medizintechnik, Bioanalytik, Sicherheitstechnik, z. B. zur ortsaufgelösten Spektroskopie zum Nachweis von Gefahrstoffen oder dergleichen. Darüber hinaus findet das vorliegende Konzept in der Grundlagenforschung, insbesondere im Bereich neuartiger photonischer Materialien und Strukturen Verwendungsmöglichkeiten.
Die Messspitze hat sich insbesondere als vorteilhaft zur Detektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes in einem Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm erwiesen. Darüber hinaus lassen sich unter Berücksichtigung des Konzepts der Erfindung problemlos auch Wellenlängenbereiche zwischen 20 μm und 1 mm erschließen. Nach der erfindungsgemäßen Auslegung der photoleitenden Messspitze ist in den genannten Wellenlängenbereichen die Begrenzungsstruktur nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt.
Grundsätzlich lassen sich unterschiedliche konstruktive Weiterbildungen der Nahfeld- und/oder Fernfeld-Messspitze realisieren. Vorteilhaft ist eine Messspitze, bei der die laterale Begrenzungsstruktur am distalen Ende, insbesondere im Bereich der photoleitenden Lücke vergleichsweise klein ist. Dies hat erhebliche Vorteile zur Erreichung des elektromagnetischen „Spitzeneffekts”, da dieser gemäß dem Konzept der Erfindung ganz wesentlich zur Erhöhung der Sensitivität der erfindungsgemäßen photoleitenden Messspitze beiträgt. Eine laterale Abmessung der lateralen Begrenzungsstruktur, insbesondere Elektrodenabstand und/oder Elektrodenabmessung, liegt vorteilhaft unterhalb von 20 μm, insbesondere 10 μm, vorzugsweise unterhalb von 3 μm. Applikationsspezifisch lässt auch eine untere Grenze der lateralen Begrenzungsstruktur oberhalb von 10 nm, vorzugsweise oberhalb von 100 nm realisieren.
Zur Verbesserung der Breitbandigkeit lassen sich vorteilhaft die distalen Enden der Elektroden gerundet realisieren. Vorzugsweise sind dabei Durchmesser zwischen 1 μm und 10 μm, insbe sondere im Bereich unterhalb von 3 μm vorgesehen. Solche Abmessungen stellen einerseits die Realisierung des elektromagnetischen „Spitzeneffekts” sicher und berücksichtigen andererseits die breitbandige Auslegung der Nahfeldmessspitze gemäß dem Konzept der Erfindung.
Vorzugsweise ist ein Öffnungswinkel eines Abstandsraumes der Begrenzungsstruktur zwischen den Elektroden vorgesehen, der in einem Bereich zwischen 20° und 70° liegt. Vorteilhaft ist auch ein Öffnungswinkel eines Abstandsraumes zur Begrenzungsstruktur einer Elektrode vorgesehen, der zwischen 5° und 25° liegt. Durch die weiterbildende Auslegung der Öffnungswinkel wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass die laterale Begrenzungsstruktur der Elektroden möglichst fern einer Dipolstruktur realisiert ist. Unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung wurde erkannt, dass eine Dipolstruktur weitgehend wellenlängen-resonante Eigenschaften in sich vereint und dazu – in seiner einfachsten Ausprägung – parallele, seien es koplanare oder flügelartige Elektrodenstrukturen umfasst. Durch die weiterbildende Auslegung der Öffnungswinkel des Abstandsraumes bzw. Abmessungsraumes lässt sich eine laterale Begrenzungsstruktur der ersten und/oder zweiten Elektrode erreichen, welche einer Dipolstruktur vergleichsweise unähnlich ist. Im Rahmen von besonders bevorzugten Weiterbildungen lässt sich ein Öffungswinkel eines Abstandsraumes, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 40° und 50° realisieren. Ein Öffnungswinkel eines Abmessungsraumes lässt sich in besonders vorteilhafter Weise zwischen 10° und 15° realisieren.
In vorteilhafter Weise lässt sich die Längenabmessung unter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Konzepts zur photoleitenden Messspitze auslegen. Vorzugsweise hat der vordere Bereich eine Längenabmessung unterhalb von 2 mm bis zum distalen Ende. Dadurch lässt sich insbesondere die breitbandige Auslegung der photoleitenden Messspitze unterstützen. Vorzugsweise ist die Längenabmessung des vorderen Bereichs bis zum distalen Ende unterhalb von 1 mm, insbesondere unterhalb von 500 μm ausgelegt. Je nach Anwendungsfall lassen sich auch Längenabmessungen des vorderen Bereichs unterhalb von 300 μm, insbesondere unterhalb von 100 μm realisieren. Darüber hinaus lässt sich unter Weiterbildung des erfinderischen Konzepts auch ein hinterer Bereich der Anordnung der photoleitenden Nahfeldmessspitze vorteilhaft auslegen, welcher dem proximalen Ende der Nahfeldmessspitze näher liegt. In besonders bevorzugter Weise ist dazu eine Begrenzungsstruktur des hinteren Bereichs im geometrischen Sinne ähnlich zu einer Begrenzungsstruktur des vorderen Bereichs ausgelegt. So können z. B. im vorderen und hinteren Bereich die Elektroden aufeinander zulaufen. Dadurch werden Geometrieübergänge, welche wellenlängen-resonante Strukturen hervorrufen können, vorteilhaft vermieden und unterstützen somit die breitbandige Auslegung der Nahfeldmessspitze. Bei Bedarf können jedoch grundsätzlich im hinteren Bereich auch Begrenzungsstrukturen realisiert werden, welche unähnlich zu einer Begrenzungsstruktur des vorderen Bereichs ausgebildet sind. So können, z. B. im vorderen Bereich die Elektroden aufeinander zulaufen und im hinteren Bereich parallel verlaufen.
Vorzugsweise hat der hintere Bereich eine Längenabmessung von nicht mehr als 10 mm, insbesondere unterhalb von 2 mm, vorzugsweise unterhalb von 1 mm. Das proximale Ende hat vorzugsweise eine Querabmessung unterhalb von 10 mm, vorzugsweise unterhalb von 3 mm, insbesondere unterhalb von 2 mm, vorzugsweise unterhalb von 1 mm. Durch die Begrenzung der Längenabmessung des hinteren Bereichs und/oder der Querabmessung des proximalen Endes der Nahfeldmessspitze wird unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung vorteilhaft eine breitbandige Auslegung der photoleitenden Nahfeldmessspitze noch weiter verbessert.
Die Nahfeldmessspitze lässt sich grundsätzlich mit unterschiedlichen, dem Fachmann geläufigen Materialen realisieren. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei ein photoleitendes Material für die photoleitende Lücke in Form eines LT-GaAs-basierenden Materials erwiesen. LT-GaAs zeichnet sich durch eine besonders kurze Relaxationszeit von angeregten Elektronen aus und kann somit eine besonders breitbandige Frequenzsensitivität zur Verfügung stellen. Für das Elektrodenmaterial hat sich insbesondere ein chrom- oder goldbasierendes Material als vorteilhaft erwiesen.
Hinsichtlich des Messaufbaus hat sich gezeigt, dass dieser sowohl als Fernfeld- oder Nahfeld-Messaufbau, vorzugsweise in Form eines photokonduktiven SNOM-Messaufbaus, realisiert werden kann. Die photoleitende Nahfeldmessspitze kann besonders vorteilhaft an einem Körper, z. B. Glaskörper, angebracht sein und mit dem Körper im Messaufbau implementiert sein. Aus Zugänglichkeitsgründen kann die photoleitende Messspitze vorteilhaft zur Frontebene der Strahlung geneigt sein. Selbstverständlich können auch andere Körper zur Anbringung der photoleitenden Messspitze genutzt werden oder andere Möglichkeiten zur Implementierung der photoleitenden Messspitze im Messaufbau genutzt werden. Der Körper dient insbesondere als Träger von elektrischen Leistungen, die zur elektrischen Anbindung der Elektroden vorgesehen sind. Ein Glaskörper hat sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, um die photoleitende Messspitze für eine frei propagierende Anregungsstrahlung und/oder für die zu detektierende Strahlung verfügbar zu machen. Es hat sich gezeigt, dass der Messaufbau unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung besonders vorteilhaft optische Komponenten derart aufweist, dass diese für eine frei propagierende Anregungsstrahlung und/oder zu detektierende Strahlung vorgesehen sind.
Der Messaufbau und/oder die Messspitze lassen sich insbesondere im Rahmen bildgebender Verfahren, vorzugsweise im Bereich der Medizintechnik oder in der Materialprüfung einsetzen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.
Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze gemäß dem Konzept der Erfindung in einer vergleichsweise einfachen Ausführung;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze in Weiterbildung der ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze in Form einer Variante, in Ansicht (a) als Draufsicht und in Ansicht (b) als Seitenansicht;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze gemäß dem Konzept der Erfindung in Abwandlung zur ersten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze gemäß dem Konzept der Erfindung in Abwandlung zur dritten Ausführungsform, in Ansicht (a) als Draufsicht und in Ansicht (b) als Seitenansicht;
6 in Ansicht (a) eine detaillierte schematische Darstellung einer photoleitenden Messspitze gemäß der zweiten Ausführungsform mit Bemaßung und Materialbezeichnung, in Ansicht (b) eine vergrößerte Darstellung des vorderen Bereichs der Anordnung der photoleitenden Messspitze und in Ansicht (c) eine SEM-Aufnahme der zuvor schematisch dargestellten photoleitenden Messspitze in einer freistehenden Realisierung auf einem Saphirsubstrat gebondeten Form;
7 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Felddetektion, in Ansicht (a) ein Fernfeld-Aufbau mit optischen Komponenten zur Anregung, Übertragung der Anregungsstrahlung und Detektion, letztere umfassend die photoleitenden Fernfeldmessspitze gemäß dem Konzept der Erfindung, vorliegend gemäß der zweiten Ausführungsform, und in Ansicht (b) eine räumliche Detaildarstellung der optischen Komponenten zur Nahfeld-Detektion umfassend die photoleitenden Nahfeldmessspitze gemäß der zweiten Ausführungsform;
8 exemplarische Fernfeld- und Nahfeldmessergebnisse, die mit den in 6 und 7 gezeigten Messaufbauten bzw. der dort gezeigten photoleitenden Messspitze erzielt wurden – auf der linken Seite der 8 entsprechende Wellenformen in der Zeitdomäne, wie sie entsprechend im Fernfeld und im Nahfeld detektiert wurden – die beiden Messkurven zeigen eine einfallende THz-Welle mit Polarisierung jeweils in X-Richtung und Y-Richtung, wobei die Pfeile in einem gleichmäßigen Abstand von 4.5 ps (Pikosekunden) angebracht sind. Die rechten Darstellungen zeigen das Fourier-transformierte Signal der Zeitdomäne jeweils für die Polarisierung in X-Richtung und Y-Richtung;
9 in Ansicht (a) eine schematische Darstellung eines Einzelelements einer frequenzselektiven Oberfläche, welche zur experimentellen Charakterisierung der zuvor erläuterten photoleitenden Messspitze genutzt wurde mit Dimensionsangaben in Mikrometer und in Ansicht (b) eine räumlich hochauflösende bildliche Darstellung des Einzelelements der frequenzselektiven Oberfläche unter Nutzung eines THz-Nahfeldbildes. Das Bild besteht aus 50 × 50 Pixeln mit 3 × 3 μm² Pixelgröße und der Pfeil repräsentiert die Polarisierungsrichtung des übertragenen elektrischen Feldes. In Ansichten (c) und (d) ist die THz-Feldamplitude über eine 10 μm breite metallische Struktur der Ansicht (b) entlang der X-Richtung und Y-Richtung gezeigt – der schattierte Bereich zeigt die Bereiche der unterlegten metallischen Struktur an.
1 bis 5 zeigen im Folgenden fünf besonders bevorzugte Ausführungsformen von photoleitenden Messspitzen in schematischer Darstellung, die sich zur Nahfeld- und Fernfeld-Detektion eignen. 6 bis 9 zeigen darüber hinaus eine konkrete an der zweiten Ausführungsform angelehnte Realisierung mit beispielhaftem THz-Messergebnissen im Fernfeld und Nahfeld einer photoleitenden Messspitze. Alle im folgenden dargestellten Messspitzen eignen sich in besonders vorteilhafter Weise zur direkten zeitlich und räumlich hoch auflösenden Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes sowohl im Fernfeld als auch im Nahfeld. Es hat sich gezeigt, dass eine Realisierung und ein Einsatz einer photoleitenden Messspitze gemäß dem Konzept der Erfindung und insbesondere gemäß der vorliegend beschriebenen Ausführungsformen geeignet ist, in industriellem Maßstab, z. B. für bildgebende Verfahren, problemlos vorteilhaft möglich ist – solche Verfahren mit bildgebender Funktion unter Nutzung von insbesondere THz-Strahlung haben sich im Bereich der Medizintechnik oder auch der Materialprüfung als besonders sinnvoll erwiesen. Grundsätzlich eignen sich die im Folgenden dargestellten photoleitenden Messspitzen nicht nur zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung im THz-Bereich, sondern grundsätzlich zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung im infraroten, bzw. ferninfraroten Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm, insbesondere mit vergleichsweise hoher Sensitivität auch im Wellenlängenbereich zwischen 20 μm und 1 mm. Die dargestellten photoleitenden Nahfeldmessspitzen sind gemäß dem Konzept der Erfindung wenigstens in diesen Wellenlängenbereichen mit einer Begrenzungsstruktur für die Elektroden versehen, die nicht-wellenlängenangepasst ist, d. h. einer lateralen Begrenzungsstruktur, die weitgehend frei von einer wellenlängen-resonanten Struktur ist.
Im Einzelnen zeigt 1 eine photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer Anordnung 140, wenigstens eines Trägers 110 und in lateraler Erstreckung auf dem Träger 110 angeordneter, von einander isolierter erster Elektrode 120 und zweiter Elektrode 130. Vorliegend ist der Träger 110 vollständig in Form von LT-GaAs gebildet. Freistehendes selbsttragendes LT-GaAs hat sich vorliegend als vorteilhaft erwiesen, muss jedoch nicht generell derart ausgeführt sein z. B. kann der Träger auch ein AlAs mit aufgebrachtem LT-GaAs sein. Da der Träger 110 vorliegend vollständig aus LT-GaAs gebildet ist, sind die Elektroden 120, 130 somit an deren distalen Ende 150 – dort insbesondere im Bereich einer in 6 beispielhaft näher dargestellten photoleitenden Lücke 235 – über photoleitendes Material in Form von LT-GaAs miteinander verbunden. Mit anderen Worten, es sind die Elektroden 120, 130 über die photoleitende Lücke am distalen Ende 150 voneinander elektrisch isoliert, wobei photooptisch angeregte Ladungsträger in dem photoleitenden Material generiert werden können, welche dann über die Elektroden messbare elektrische Felder verursachen. Vorliegend hat sich LT-GaAs als photoleitendes Material als besonders geeignet erwiesen, da die Ladungsträger-Lebensdauer in LT-GaAs vergleichsweise kurz ist und somit LT-GaAs eine frequenz-breitbandige Felddetektion ermöglicht.
Die Elektroden 120, 130 weisen eine Begrenzungsstruktur 170 auf, die durch den Verlauf der – inneren, äußeren, oberen, unteren – Berandung der ersten und zweiten Elektrode 120, 130 gebildet ist. Der Verlauf der Berandung ist vorliegend derart, dass sich die laterale Begrenzungsstruktur 170 zum distalen Ende 150 hin insgesamt verkleinert und zwar so, dass eine Maß der Verkleinerung stetig verläuft. Mathematisch ausgedrückt ist der Verlauf der Berandungsänderung stetig und führt zu einem verkleinerten Abmaß der Begrenzungsstruktur 170 auf das distale Ende 150 zu und darüber hinaus ist eine erste Ableitung eines Maßes für den Verlauf der Berandung der lateralen Begrenzungsstruktur 170 zum distalen Ende hin stetig. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist dies dadurch gewährleistet, dass ein Maß der Verkleinerung, d. h. ein die Begrenzungsstruktur 170 verkleinernder Verkleinerungsverlauf selbst stetig. Im vorliegenden konkreten Fall der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 nimmt insbesondere der Elektrodenabstand 180 zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode als auch eine Elektrodenabmessung 181, 182 zum distalen Ende 50 hin ab. Würde man also einen Elektrodenabstand 180 oder eine Elektrodenabmessung 181, 182 als Funktion des Weges X vom proximalen Ende 190 der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 zum distalen Ende 150 auftragen, so ist die Abnahme des Elektronenabstands 180 und die Abnahme der Elektrodenabmessung 181, 182 stetig als auch die erste Ableitung derselben. Dazu ist gemäß der ersten Ausführungsform der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 die Abnahme des Elektrodenabstands 180 und die Abnahme der Elektrodenabmessung 182 linear verlaufend gewählt.
Im Unterschied zu vergleichsweise schmalbandigen und resonant bzw. wellenlängenangepasst ausgelegten Dipolelektroden-Strukturen – deren Begrenzungsstruktur regelmäßig parallele Berandungsverläufe – vorsieht, handelt es sich bei der vorliegenden Auslegung der Begrenzungsstruktur der Elektroden um eine nicht-wellenlängenangepasste Struktur bezüglich einer vergleichsweise großen Bandbreite von Wellenlängen der elektrischen Komponente des zu detektierenden elektromagnetischen Feldes. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist die in der ersten Ausführungsform gewählte Begrenzungsstruktur der Elektroden angepasst für einen besonders breitbandig zu detektierenden Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 20 μm und 1 mm. Vor diesem Hintergrund handelt es sich um eine Ausführungsform, die nicht nur THz-Strahlung, sondern darüber hinaus einen breiten ferninfraroten Wellenlängenbereich detektieren kann.
Der gemäß dem Konzept der Erfindung in Kauf genommene Sensitivitätsverlust durch ausdrücklichen Verzicht auf eine wellenlängen-resonante Auslegung wird gemäß dem Konzept der Erfindung überkompensiert dadurch, dass am distalen Ende 150 im Bereich der photoleitenden Lücke eine laterale Abmessung der Anordnung 140 unterhalb 20 μm vorliegt – in 6 z. B. eine photoleitende Lücke unterhalb 5 μm bei 1.8 μm. Je nach Bedarf lässt sich eine laterale Abmessung auch deutlich unterhalb von 10 μm, vorzugsweise unterhalb von 3 μm wählen, wie dies beispielsweise am konkreten Auslegungsbeispiel der 6 bis 9 erläutert ist. Dadurch wird gemäß dem Konzept der Erfindung aufgrund des elektromagnetischen Spitzeneffekts eine Feldüberhöhung im Bereich des distalen Endes 150 erreicht, der nicht nur eine überlegene Sensitivität gegenüber resonanten Elektrodenanordnungen, insbesondere Dipolanordungen, schafft, sondern darüber hinaus eine räumliche Auflösung deutlich erhöht.
Die erste hier beschriebene Ausführungsform stellt die Vorgaben gemäß dem Konzept der Erfindung insbesondere in einem, das distale Ende 150 der Elektroden 120, 130 umfassenden vorderen Bereich 160 sicher. Dadurch ist gewährleistet, dass insbesondere in einem für die Ankopplung eines elektromagnetischen Feldes relevanten vorderen Bereich 160 der photoleitenden Messspitze 100 wellenlängenangepasste oder resonanz-erzeugende Strukturen vermieden werden – gewährleistet also die Breitbandigkeit und hohe Sensitivität der photoleitenden Messspitze 100 zur direkten zeitlich und räumlich hoch auflösenden Felddetektion sowohl im Nahfeld als auch Fernfeld.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze 200, die ähnlich wie die photoleitende Messspitze 100 eine Anordnung 240 eines Trägers 210 mit Elektroden 220, 230 aufweist, die über ein photoleitendes Material – vorliegend LT-GaAs des Trägers 210 – im Bereich einer photoleitenden Lücke an einem distalen Ende 250 miteinander verbunden sind. Wiederum ist dem Konzept der Erfindung folgend, die laterale Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode 220, 230 nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt und verkleinert sich mit stetig verlaufendem Verkleinerungsmaß zum distalen Ende 250 hin, wobei am distalen Ende 250 der photoleitenden Lücke eine laterale Abmessung unterhalb von 20 μm liegt. In Weiterbildung der ersten Ausführungsform der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 ist bei der zweiten Ausführungsform der photoleitenden Nahfeldmessspitze 200 zusätzlich eine Feldabschirmung 261 auf die Elektroden 220, 230 aufgebracht. Dies hat Vorteile, wenn die Detektion in stark feldstreuenden Bereichen vorgenommen werden soll. Außerdem lässt sich so eine Ladungsträgergenerierung auf den Bereich der photoleitenden Lücke 235 (6) wirkungsvoll beschränken. Die Abschirmung 261 ist vorliegend in Form einer sich – ähnlich wie die Elektroden 220, 230 – stetig verkleinernden Metallabschirmung gebildet und diese fast bis zum distalen Ende 250 überdeckt. Um eine frei propagierende Ladungsträgeranregung im Bereich der photoleitenden Lücke zu ermöglichen, ist die Anordnung 240 am distalen Ende 250 nicht von der Abschirmung 261 abgedeckt.
Diese in 2 dargestellte bevorzugte zweite Ausführungsform einer photoleitenden Nahfeldmessspitze 200 ist in 6 im Detail im Rahmen einer konstruktiven Ausführung einer Messspitze 200 näher beschrieben. Dort wird auch gezeigt, dass die bisher bei resonanten Dipolstrukturen photoleitender Messspitzen bekannten Nachteile einer niedrigen Ortsauflösung und niedrigen Bandbreite durch Messspitzen der vorliegenden Art gezielt vermieden werden. Sowohl die Messspitze 100 als auch die Messspitze 200 vermeiden die Nutzung großflächiger photoleitender Schalter mit einer Einzelkontaktzuleitung und resonanten Antennenelementen. Vielmehr sind bei beiden Ausführungsformen gemäß dem Konzept der Erfindung zwei benachbarte spitz zulaufende planare Elektroden 120, 130 bzw. 220, 230 vorgesehen, die im Rahmen der Anordnung 140, 240 auf einem dünnen selbsttragenden photoleitenden Substrat – vorliegend LT-GaAs – aufgebracht sind und deren Elektrodenabstand als auch deren Elektrodenabmessung sich zur Spitze hin verringert, wobei ein Maß der Verringerung selbst stetig ist. Mit anderen Worten, es werden auch Knicke oder dgl. jedenfalls im vorderen Bereich der Anordnung vermieden. Dadurch wird eine vergleichsweise starke Feldüberhöhung im Bereich der photoleitenden Lücke am distalen Ende 150, 250 erreicht, die es ermöglicht, die Felddetektion auf den durch die photoleitende Lücke begrenzten Spitzenbereich zu begrenzen. Die Erzeugung der Feldüberhöhung ist vorliegend weitgehend frequenzunabhängig und die RC-Konstante aufgrund der extrem kleinen Schalterfläche vergleichsweise klein, so dass eine deutlich höhere Bandbreite als mit den bisherigen Lösungen erreicht werden kann. Es wird somit ein besonders hoher Grad an Ortsauflösung, Bandbreite, Empfindlichkeit und Nicht-Invasivität erreicht.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze 300, deren Anordnung 340 mit Träger 310 und Elektroden 320, 330 ähnlich wie die Messspitze 100 der ersten Ausführungsform ausgebildet ist, so dass in Bezug auf die Ausbildung der Anordnung 340 auf die entsprechende Beschreibung der 1 Bezug genommen wird. Vorliegend ist die Anordnung 340 der photoleitenden Messspitze 300 mit einem Körper verbunden, der eine weitere Anordnung 341 bildet. Die Anordnung 341 weist einen weiteren Träger 311 sowie eine darauf angeordnete erste elektrische Leitung 321 sowie eine zweite elektrische Leitung 331 auf. Dazu ist der – vorliegend aus transparentem Material in Form eines Quarzglases gebildete – weitere Träger 311 der weiteren Anordnung 341 mit dem Träger 310 der Anordnung 340 verbunden. Ebenso ist die erste elektrische Leitung 321 mit der ersten Elektrode 320 über einen elektrischen Kontakt 322 verbunden und die zweite elektrische Leitung 331 ist über einen zweiten elektrischen Kontakt 332 mit der zweiten Elektrode 330 elektrisch verbunden. Mit anderen Worten ist – wie aus Ansicht (b) der 3 ersichtlich die Anordnung 340 der photoleitenden Nahfeldmessspitze 300 auf der weiteren Anordnung 341 derart aufgebracht, dass ein das distale Ende 350 der Elektroden 320, 330 umfassender vorderer Bereich 360 der Anordnung 340 über die weitere Anordnung 341 hinausragt. Auf diese Weise kann ein frei propagierender Anregungsstrahl Ladungsträger in der photoleitenden Lücke am distalen Ende 350 der Elektroden erzeugen. Darüber hinaus kann der Träger 311 der weiteren Anordnung grundsätzlich aus einem beliebigen ausreichend mechanisch stabilen Material gebildet sein. Gleichwohl hat sich, wie oben beschrieben, ein transparenter Träger 311, vorliegend aus Quarzglas, als vorteilhaft erwiesen, da es im Anwendungsfall ggf. erwünscht ist, Bereiche unterhalb der photoleitenden Nahfeldmessspitze 300 einzusehen, beispielsweise über eine CCD-Kamera oder dergleichen optische Apparatur oder optischen Justage.
Darüber hinaus ist auch beim Körper der weiteren Anordnung 341 eine nicht-wellenlängenangepasste Auslegung der lateralen Begrenzungsstruktur der ersten elektrischen Leitung 331 und zweiten elektrischen Leitung 321 gewährleistet – dies analog zur Auslegung der Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode 120, 130, wie sie beispielhaft für alle Ausführungsformen anhand der ersten Ausführungsform der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 in 1 beschrieben worden ist. Vorliegend ist analog zur Begrenzungsstruktur 370 der Anordnung 340 bei der Begrenzungsstruktur 370' der Anordnung 341 vorgesehen, dass der Leitungsabstand 380 zwischen der ersten und zweiten elektrischen Leitung 321, 331 als auch die Leitungsabmessung 371, 372 der ersten und zweiten elektrischen Leitung 321, 331 zum distalen Ende 350 hin abnimmt und die Abnahme des Leitungsabstandes und die Abnahme der Leitungsabmessung 380, 371, 372 zum distalen Ende 350 hin stetig verläuft.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze 400, wiederum umfassend eine Anordnung 440 eines Trägers 410, auf dem eine ersten Elektrode 420 und eine zweite Elektrode 430 angebracht ist und deren laterale Begrenzungsstruktur – nur in dem, das distale Ende 450 umfassenden, vorderen Bereich 460 – eine laterale Begrenzungsstruktur 470 der ersten und zweiten Elektrode 420, 430 aufweist, welche nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt ist und im Wesentlichen den Begrenzungsstrukturen 170, 270, 370 der Ausführungsformen der 1 bis 3 entspricht. Dadurch ist auch bei der vierten Ausführungsform der Messspitze 400 sichergestellt, dass in einem für die Detektion maßgeblichen räumlichen Bereich – nämlich im vorderen Bereich 460 – eine breitbandige und hochsensitive Detektion von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm, jedenfalls im Wellenlängenbereich zwischen 20 μm und 1 mm möglich ist. Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform der Messspitze 400 wurde erkannt, dass in einem hinteren Bereich 461 der Messspitze 400 eine im Wesentliche koplanare Ausführung der Elektroden 420, 430 möglich ist. Dazu verlaufen die Elektroden 420, 430 im hinteren Bereich 461 koplanar und im vorderen Bereich 460 im Wesentlichen spitz aufeinander zu – sind also am Übergang zwischen dem hinteren Bereich 461 und dem vorderen Bereich 460 zueinander hin abgewinkelt. Selbstverständlich sind in Abwandlung des hinteren Bereichs bei anderen Ausführungsformen auch alternative Elektrodenverläufe realisierbar.
5 zeigt eine Weiterbildung der in 4 dargestellten Messspitze in Form der photoleitenden Messspitze 500. Analog zur dritten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze 300, wie sie in 3 beschrieben wurde, ist vorliegend gemäß dem gleichen Prinzip die in 4 beschriebene Anordnung 540 der Messspitze 500 an einem Körper einer weiteren Anordnung 541 angebracht. Dazu ist – ähnlich wie in 3 beschrieben – der Träger 510 der Anordnung 540 derart auf dem Träger 511 der weiteren Anordnung 541 aufgebracht, dass dieser mit einem vorderen Bereich 560 übersteht. Dadurch ist gewährleistet, dass die Anordnung 540 der Messspitze 500 im Bereich der photoleitenden Lücke durch ein frei propagierendes optisches Feld angeregt werden kann. Die erste und zweite Elektrode 520, 530 ist über entsprechende Kontakte 522, 532 elektrisch mit einer ersten und zweiten elektrischen Leitung 521, 531 verbunden, wobei letztere auf dem Träger 511 der weiteren Anordnung 541 aufgebracht sind. Die Begrenzungsstruktur 570' der ersten und zweiten elektrischen Leitung 521, 531 ist – ähnlich wie anhand der dritten Ausführungsform der Messspitze in 3 beschrieben – nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt, d. h., die Begrenzungsstruktur 570' verkleinert sich zum distalen Ende hin, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft. Insbesondere nehmen Leitungsabstände 580 und Leitungsabmessungen 571, 572 zum distalen Ende 550 hin ab, wobei die Abnahme stetig verläuft.
6 zeigt in Ansicht a die photoleitende Nahfeldmessspitze 200 der zweiten Ausführungsform wie sie in 2 dargestellt ist – für gleiche Teile oder Teile gleicher Funktion wurden vorliegend gleiche Bezugszeichen verwendet. Darüber hinaus ist in Ansicht (a) eine Bemaßung für eine konkrete Ausführung der photoleitenden Nahfeldmessspitze 200 angegeben. Daraus ist ersichtlich, dass die Anordnung 240 eine im Wesentlichen dreicksförmige Form hat und vom proximalen Ende 290 zum distalen Ende 250 hin spitz zuläuft. Insbesondere verkleinert sich dazu eine nicht-wellenlängenangepasste Begrenzungsstruktur 270 der ersten und zweiten Elektrode 220, 230 zum distalen Ende 250 hin, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft. Vorliegend hat die Anordnung 240 am proximalen Ende 290 – also an der Basis des Dreiecks – eine laterale Abmessung von 1161 μm. Die im Wesentlichen gleichschenkligen Längen der Elektroden 220, 230 entsprechen im Wesentlichen der Seitenlänge der Anordnung 240, welche vorliegend bei 1152 μm liegt. Die Abschirmung 260 hat vorliegend eine Seitenlänge von 437 μm. Aus Ansicht (a) der 6 ist auch ersichtlich, dass ein Öffnungswinkel 291 eines Abstandsraumes der Begrenzungsstruktur 270 zwischen den Elektroden 220, 230 vorliegend bei 40° liegt. Grundsätzlich kann ein solcher Öffnungswinkel 291 auch zwischen 20° und 70° liegen. Gemäß dem Konzept der Erfindung wurde erkannt, dass ein solcher Öffnungswinkelbereich möglichst weit entfernt von einer wellenlängenresonanten Dipolstruktur ist – vorliegend hat sich ein Öffnungswinkel von 40° als besonders optimal erwiesen. Ebenso ist vorliegend ein Öffnungswinkel 292 eines Abmessungsraumes der Begrenzungsstruktur 270 jeweils einer Elektrode 220 oder 230 bei 10° gewählt worden. Der Öffnungswinkel 292 des Abstandsraumes der Begrenzungsstruktur jeweils eine Elektrode 220, 230 ergibt sich vorliegend aus dem weiteren Öffnungswinkel von 60°, welcher den Abstandsraum der Begrenzungsstruktur 270 an den Außenkanten der Elektroden 220, 230 bezeichnet und vorliegend bei 60° liegt.
Es ist zu verstehen, dass selbst bei Beibehaltung der vorliegenden geometrischen Form und Proportion unabhängig von der vorliegenden Ausführungsform, wie sie in 6(a) gezeigt ist, auch photoleitende Messspitzen realisiert werden können, welche insbesondere kleinere Abmessungen als die vorliegend gewählte Abmessung aufweisen.
In 6(b) ist eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung des distalen Endes 250 der Anordnung 240 gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass der Abstand 280 zwischen der ersten und zweiten Elektrode 220, 230 als auch die Abmessungen 281, 282 derselben bis zum distalen Ende 250 hin stetig linear abnehmen. An der „Spitze” der Anordnung 240 ist die erste Elektrode 220 mit der zweiten Elektrode 230 im Bereich der photoleitenden Lücke 235 über ein photoleitendes Material, vorliegend LT-GaAs, verbunden. Der Abstand 280 zwischen den Elektroden 220, 230 nimmt symmetrisch bis zu einer Abmessung der photoleitenden Lücke 235 von 1,8 μm ab. Um vorliegend die Anregung von photoleitenden Trägern in der photoleitenden Lücke 235 auf ein ausreichendes Maß zu begrenzen, ist im Bereich des distalen Endes 250 der Träger 210 zunächst mit einer optisch transparenten elektrisch isolierenden Polymerschicht 215 bedeckt. Auf der Polymerschicht 215 ist die Abschirmung 261 in Form einer metallischen Maskierungsschicht angebracht, welche auch die Elektroden 220, 230 teilweise abdeckt. Die Abschirmung 261 lässt den Bereich der photoleitenden Lücke 235 am distalen Ende 250 frei, um dort die Anregung von elektrischen Ladungsträgern zu ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass in einer einfacheren Ausführungsform – wie sie bereits anhand von 1 anhand der ersten Ausführungsform der photoleitenden Messspitze 100 beschrieben worden ist – die Abschirmung 261 weggelassen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass eine für die Detektion signifikante Anregung von Ladungsträgern auch ohne Abschirmung 261 und ggf. bei entsprechender Justage der Anregungsfelder auf den Bereich der photoleitenden Lücke 235 beschränkt ist.
In 6(c) ist vorliegend eine SEM-Aufnahme der zuvor erläuterten photoleitenden Messspitze 200 gezeigt, wobei entsprechende Bezugszeichen die zuvor erläuterten Elemente der Anordnung 240 bezeichnen. Die photoleitende Messspitze 200 ist vorliegend als epitaktisch gewachsenes Schichtsystem hergestellt. Auf einer 1,3 μm dicken Schicht von LT-GaAs des Trägers 210. Das Paar „angespitzter” Leitungen, welche die Elektroden 220, 230 bilden, ist aus einem Schichtaufbau einer 10 nm Chromschicht und einer 200 nm Goldschicht auf dem LT-GaAs-Träger aufgebracht. Darüber ist die Anordnung mit einem 1 μm dicken isolierenden und optisch transparenten Polymerfilm belegt und thermisch ausgeheilt. Der Polymerfilm ist unter Verwendung einer photo-resist-Schicht als Maskierungsschicht und einem isotropen Trockenätzvorgang in einem O₂-Plasma hergestellt. Als nächstes folgt im Rahmen der Herstellung der Schritt einer 50 nm dicken Chrommaskierung, welche die optische. Anregung – vorliegend aber nicht notwendigerweise in anderen Ausführungsformen – auf die photoleitenden Lücke 235 am distalen Ende 250 der Messspitze 200 beschränkt. Die Maskierung wird deponiert und lithographisch strukturiert. Als nächstes werden diejenigen Bereiche des LT-GaAs-Trägers 210 weggeätzt, welche nicht mit dem Polymerfilm bedeckt sind, hier durch Anwendung eines chemischen Nassätzvorgangs, welcher Zugriff auf eine Aluminium-Arsenid-Schicht gibt. Danach wird die unterliegenden AlAs-Opferschicht komplett mit einer 10% HF-Lösung weggeätzt, was zu einer selbsttragenden freistehenden LT-GaAs-basierten chipartigen Anordnung 240 der vorliegenden Ausführungsform führt. Schließlich wird die Messspitze 200 auf einen Körper in Form eines 250 μm dicken Saphirsubstrats aufgebracht, vorliegend durch einen Bondingprozess elektrisch angebunden an entsprechende Leitungen auf dem Saphirsubstrat. Die Anbringung erfolgt dabei so, dass die Messspitze 200 über das Saphirsubstrat um einige wenige 100 μm hinausragt, wie dies in der SEM-Aufnahme der 6(c) zu sehen ist.
Die photoleitenden Messspitze 200 wird experimentell durch ein THz-Fernfeld und THz-Nahfeld, wie sie in 8 und 9 gezeigt sind, charakterisiert. Die Charakterisierung erfolgt im Rahmen eines Fernfeld-Messaufbaus und Nahfeld-Messaufbaus, wie sie in 7 gezeigt sind. Für den Aufbau werden 150 fs-Pulse bei 76 MHz Repetitionsrate und einer optischen Wellenlänge von λ = 800 nm zur Anregung und Detektion der breitbandigen THz-Pulse genutzt. Um den Abstand zwischen der photoleitenden Messspitze 200 und der Chromoberfläche zu minimieren wird die photoleitende angespitzte Messspitze um einen Winkel von etwa α = 20° in Bezug auf die X-Y-Ebene der einfallenden THz-Welle für alle Experimente gedreht.
7 zeigt in Ansicht (a) dazu den Messaufbau 700A mit der beschriebenen Messspitze 200, angebracht auf dem zuvor beschriebenen Saphirträger 800. THz-Strahlung von einem Oberflächenemitter 900 wird über zwei Parabolspiegel 710, 720 auf die photoleitende Lücke 235 der Messspitze 200 justiert. Die Anregung des Oberflächenemitters 900 erfolgt über einen optischen Anregungspuls 910. Die Detektion der THz-Strahlung 920 erfolgt mittels eines optischen Detektionspulses 930 der zuvor beschriebenen Art. Die THz-Strahlung 920 kann darüber hinaus durch einen Polarisator 730, vorliegend in Form eines Drahtgitterpolarisators, polarisiert werden.
In Ansicht (b) der 7 ist en Nahfeld-Messaufbau 700B mit der photoleitenden Messspitze 200 am Saphirkörper als Träger 800 vergrößert dargestellt, woraus auch der zuvor erläuterte Neigungswinkel α in Bezug auf die X-Y-Ebene der einfallenden THz-Welle und, ggf. bei entsprechender Justage in Bezug auf die ebenfalls dargestellte Probe 740, ersichtlich ist.
Schematisch ist dazu auch in gestrichelter Umrandung die Anregungsseite des Messaufbaus 700B mit einem Dipolanregungselement 990 dargestellt.
7(a) zeigt einen Messaufbau 700A, wie er zur Fernfelddetektion benutzt wurde. 7(b) zeigt einen Messaufbau 700B, wie er zur Nahfelddetektion benutzt wurde.
Zunächst wurde der Fernfeldaufbau 700A genutzt, um das Zeitansprechverhalten der Messspitze 200 für eine planare Wellenanregung zu bestimmen. In diesem Aufbau 700A wird linear polarisierte THz-Strahlung in Pulsform von einem InAs-Oberflächenemitter-Polymer über ein Paar parabolischer Spiegel 710, 720 auf die photoleitende Messspitze 200 mit einem Fokus für die THz-Strahlung fokussiert, welcher nicht wesentlich größer ist als die photoleitende Lücke 235. Um das Zeitdomänen-Verhalten der Wellenformen zu veranschaulichen, sind diese im oberen linken Teil der 8 für die einfallende THz-Strahlung, jeweils für eine Polarisation in X- und Y-Richtung gezeigt. Für beide Polarisationen ist das Signal auf 25 ps charakterisiert durch mehrere Spitzen, welche mit zunehmender Zeit kleiner werden. Unter Nutzung numerischer Feldsimulationen können die Spitzen-Vielfachreflexionen des THz-Signals in der Messspitze zugeordnet werden. Die THz-Strahlung wird innerhalb der überlappenden Regionen der Abschirmung 260 und der zugespitzen Elektroden 220, 230 geleitet. Diese Zweielektroden-Wellenleiter-Sektion hat eine berechnete durchschnittliche effektive Dielektrizität ε_r,efl = 2,5 bei den vorliegenden THz-Frequenzen. Unter Berücksichtigung einer doppelt passierten Transmissionslänge von 430 μm korrespondiert die berechnete effektive Dielektrizität exakt dem gemessenen zeitlichen Abstand von Δt = 4.5 ps der mehrfachen Spitzen. Die Halbwärtsbreite der Hauptspitze bei t = 0 ps entspricht 0,46 ps und 0,51 ps jeweils für die X- und Y-Polarisation, was einem nutzbaren spektralen Bereich von etwa 0,1 bis 2,5 THz entspricht. Die Fouriertransformierten Signale in der Zeitdomäne sind im oberen rechten Teil der 8 gezeigt. Beide Frequenzspektren zeigen einen Amplitudenabfall für Frequenzen unterhalb von 0,3 THz, was typisch für frei propagierende Transmissionskonfigurationen ist, die eine hochdivergente Punktquelle und optische Fokussierung auf einen subwellenlängen-bemessenen Detektor umfassen. Wie von der Elektrodenanordnung zu erwarten fällt die Signalamplitude für einfallenden THz-Felder die in Y-Richtung polarisiert sind im Vergleich zu X-polarisierten Strahlen ab. Der Sensitivitätsunterschied zwischen X- und Y-Polarisation beträgt 4:1.
Um die Subwellenlängenauflösung der Messspitze 200 zu bestimmen, wurde der in 7(b) gezeigte Nahfeldmessaufbau genutzt. Aus praktischen Gründen wurden die THz-Pulse mit einem photoleitendem Dipolelement erzeugt, welches mittels eines 7 mW optischen Anre gungsstrahls durch eine dispersionskompensierte optische Faser beleuchtet ist. Selbstverständlich können auch andere Anregungsquellen genutzt werden, beispielsweise der Oberflächenemitter 900 des Fernfeldaufbaus der 7(a). Der THz-Strahl propagiert in Z-Richtung durch eine Probe, welche in einem festen Abstand A = 1.0 mm über dem THz-Emitter positioniert ist, was einen λ/2 Wellenlängenabstand einer frei propagierenden THz-Welle bei einer Frequenz von f = 0.15 THz entspricht. Die transmittierten Signale werden durch die photoleitende Messspitze wegdektiert, welche etwa 3 μm oberhalb der Probenoberfläche angeordnet ist.
Zunächst werden die transmittierten THz-Signale in der Zeitdomäne an der Oberfläche einer Referenzprobe gemessen, welche aus einem beidseitig polierten Schmelzzonen-Silizium (Si)-Wafer von 1 mm Dicke und mehr als 3000 Ωcm spezifischen Widerstand besteht. Die Probe ist in dem entsprechenden THz-Frequenzbereich transparent aber opak für Wellenlängen bei optischer Anregung und für den Detektionsstrahl. Eine zusätzliche 10,5 μm dicke Schicht von schwarzem Wachs (Apiezon) wird sein-deponiert auf der Oberseite des Silizium-Wafers. Diese Schicht absorbiert gestreutes Licht des Detektionsstrahls, welches ansonsten reflektiert werden könnte von der Rückseite der Messspitze 200. Die gemessenen Daten in der Zeitdomäne sind im unteren linken Teil der 8 jeweils für eine X- und Y-Polarisierung der THz-Strahlen dargestellt. Die deutlichsten Unterschiede im Vergleich zu den Fernfeld-Daten bestehen in der Pulsverbreitung an der Hauptspitze mit einer Halbwertzeit von 1,2 ps für X-polarisierte und 0,9 ps für Y-polarisierte THz-Strahlung sowie einem zusätzlichen Anteil eines DC-Signals. Aufgrund des Abstandes zwischen Nahfeldemitter und Detektor ergibt sich jedenfalls für Frequenzen unterhalb von 0,15 THz eine deutliche niederfrequente Kopplung. Deswegen findet man in der Frequenzdomäne das Maximum der Signalamplitude bei der Frequenz 0, wie sich dies in den vorher transformierten Daten im unteren rechten Teil der 8 zeigt. Eine moderate Erniedrigung der hochfrequenten spektralen Komponenten ist ebenfalls zu beobachten, was auf die Abwesenheit von fokussierenden optischen Elementen zurückzuführen ist. Eine weitere spezielle Beobachtung in dieser Nahfeldkonfiguration besteht darin, dass Signalreflexionen von der den Referenzprobenoberflächen zusätzlich zu den messspitzeninternen Reflexionen detektiert werden, welche wiederum mittels Pfeilen im unteren linken Teil der 8 gezeigt sind. Wie bei den Fernfeldmessungen wird eine deutliche Reduzierung der Messspitzensensitivität für die Y-Polarisierung beobachtet.
Die räumliche Auflösung, die mit der photoleitenden Messspitze weiterer THz-Frequenzen erreicht werden kann, wird unter Verwendung einer metallischen Teststruktur mit Subwellenlängen-Abmessungen bestimmt und in 9 dargestellt. Die Teststruktur ist eine frequenzselektive Oberfläche, welche aus einem Array von asymmetrisch doppelt geschlitzten Metallringresonatoren mit Subwellenlängen-Abmessungen besteht. Ein solcher Metallringresonator mit entsprechender Radius- und Schlitzbemaßung ist in 9, Ansicht (a) gezeigt. Solche Strukturen sind insbesondere interessant für sogenannte biosensible Anwendungen im THz-Bereich, da diese starke Resonanzverschiebungen bei Beladung mit dielektrisch aktiven Proben verzeichnen. Die frequenzselektive Oberfläche ist profiliert mittels einem 10 nm Chrom- und 200 nm Gold-Aufbau auf dem gleichen Wafer wie die Referenzprobe. Die gesamte frequenzselektive Oberfläche ist unter einer optisch opaken Schicht von schwarzem Wachs angeordnet.
Das durch das THz-Feld hervorgerufene Bild wird durch Raster-Scannen der Probe mit dem distalen Ende 250 der photoleitenden Messspitze 200 erreicht. Dazu werden Scanschritte von 3 μm Schrittgröße in X- und Y-Richtung durchgeführt und zwar bei einem Zeitabstand von 0 ps in der Zeitdomäne, was der Hauptamplitude der THz-Strahlung entspricht. Das erzielte Bild ist in 9 in Ansicht (b) gezeigt. Das räumlich aufgelöste elektrische Feld zeigt deutlich die optisch verborgene Ringresonatorstruktur. Die 1,0 μm breiten metallischen Streifenlinien und die asymmetrische Schlitzanordnung der frequenzselektiven Oberfläche sind klar aufgelöst. Es werden keine weiteren Signalbeiträge in einer Referenzmessung mit einem geblockten THz-Strahl detektiert. Die räumliche Auflösung kann bestimmt werden über Linienmessungen, wie sie in Ansicht (c) der 9 dargestellt sind. Dabei wird die THz-Feldamplitude entlang der zwei hellen Linien, die in 9b gezeigt sind, bestimmt. Unter Verwendung des „10%–90%”-Kriteriums wird eine räumliche Auflösung von bis zu 5 μm – entsprechend einem Anteil von λ/300 – entlang der X-Richtung erreicht und eine räumliche Auflösung von 7 μm – entsprechend einem Anteil von λ/140 – entlang der Y-Richtung bestimmt; dies für eine Wellenlänge bei 1500 μm.
Zusammenfassend ist vorliegend eine attraktive Alternative zu eingangs erläuterten SNOM Konzepten aufgrund des Konzepts der Erfindung ermöglicht worden, dies mit einer Subwellenlängenauflösung bei räumlicher Bildgebung. Darüber hinaus ermöglicht das Konzept der Erfindung eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung mit minimaler Invasivität in Kombination bei den transmittierten THz-Signalen. Eine räumliche Auflösung unterhalb von 5 μm wurde demonstriert bei einem Abstand der photoleitenden Messspitze und einer metallischen Teststruktur von etwa 13 μm. Im Rahmen der Erfindung liegen auch Weiterbildungen und Verbesserungen, insbesondere zur Erhöhung der räumlichen Auflösung der Messspitze, durch Reduzierung des Abstandes zwischen Messspitze und Probe als auch Reduzierung der Messspitze selbst und insbesondere der photoleitenden Lücke 235. Dabei kann die Größe der photoleitenden Lücke sicherlich durch weitere Instrumentierung von geeigneten Herstellungswerkzeugen im Bereich der Nanotechnologie erreicht werden. Die Reduzierung der Messspitze 200 selbst kann durch einfache optische Maskierungsmethoden erreicht werden. Beispielsweise kann auch die Rückseite der Messspitze 200 maskiert werden, um den Einfluss optisch reflektierter Strahlung von der Probenoberfläche zu vermeiden. Solche und andere Verbesserungen bzw. Weiterbildungen liegen im Rahmen des Konzepts der Erfindung.

Claims

Photoleitende Messspitze (100, 200, 300, 400, 500) zur Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes, mit einer Anordnung (140, 240, 340, 440, 540) wenigstens eines Trägers (110, 210, 310, 410, 510) und einer in lateraler Erstreckung auf dem Träger (110, 210, 310, 410, 510) angeordnete' voneinander isolierten ersten Elektrode (120, 220, 320, 420, 520) und zweiten Elektrode (130, 230, 330, 430, 530), die über ein photoleitendes Material im Bereich einer photoleitenden Lücke (235) an einem distalen Ende (150, 250, 350, 450, 550) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens in einem das distale Ende der Elektroden umfassenden vorderen Bereich (160, 260, 360, 460, 560) der Anordnung (140, 240, 340, 440, 540) eine laterale Begrenzungsstruktur (170, 270, 370, 470, 570) der ersten und zweiten Elektrode, bezüglich einer Wellenlänge der elektrischen Komponente des zu detektierenden elektro-magnetischen Feldes nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt ist, und – sich zum distalen Ende (150, 250, 350, 450, 550) hin verkleinert, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft und – die Anordnung (140, 240, 340, 440, 540) eine laterale Abmessung am distalen Ende (150, 250, 350, 450, 550) im Bereich der photoleitenden Lücke (235) unterhalb 20 μm hat.
Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in dem vorderen Bereich (160, 260, 360, 460, 560) der Anordnung (140, 240, 340, 440, 540) ein Elektrodenabstand (180, 280, 380, 480, 580) zwischen der ersten und zweiten Elektrode und/oder eine Elektrodenabmessung (181, 281, 381, 481, 581, 182, 282, 382, 482, 582) der ersten und/oder zweiten Elektrode einen Verlauf der lateralen Begrenzungsstruktur (170, 270, 370, 470, 570) bestimmt.
Messspitze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrodenabstand (180, 280, 380, 480, 580) zwischen der ersten und zweiten Elektrode und/oder eine Elektrodenabmessung (181, 281, 381, 481, 581, 182, 282, 382, 482, 582) der ersten und/oder zweiten Elektrode zum distalen Ende (150, 250, 350, 450, 550) hin abnimmt.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abnahme des Elektrodenabstandes (180, 280, 380, 480, 580) und/oder eine Abnahme einer Elektrodenabmessung (181, 281, 381, 481, 581, 182, 282, 382, 482, 582) zum distalen Ende (150, 250, 350, 450, 550) hin stetig verläuft.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zu detektierende Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 20 μm und 1 mm liegt, und wenigstens in diesem Wellenlängenbereich die Begrenzungsstruktur (170, 270, 370, 470, 570) nicht-wellenlängenangepasst ist.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abnahme des Elektrodenabstandes (180, 280, 380, 480, 580) und/oder eine Abnahme der Elektrodenabmessung (181, 281, 381, 481, 581, 182, 282, 382, 482, 582) linear verläuft.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abnahme des Elektrodenabstandes (180, 280, 380, 480, 580) und/oder eine Abnahme der Elektrodenabmessung (181, 281, 381, 481, 581, 182, 282, 382, 482, 582) gekrümmt verläuft, insbesondere konisch oder konvex verläuft.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Begrenzungsstruktur (170, 270, 370, 470, 570) am distalen Ende, insbesondere im Bereich der photoleitenden Lücke (235), eine laterale Abmessung hat unterhalb von 10 μm, vorzugsweise unterhalb von 3 μm, insbesondere oberhalb von 10 nm, vorzugsweise oberhalb von 100 nm, vorzugsweise ein Elektrodenabstand (180, 280, 380, 480, 580) und/oder eine Elektrodenabmessung (181, 281, 381, 481, 581, 182, 282, 382, 482, 582) im Bereich der photoleitenden Lücke unterhalb 20 μm liegt.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die distalen Enden der Elektroden gerundet sind, vorzugsweise mit Durchmessern im Bereich zwischen 1 μm und 10 μm, insbesondere im Bereich unterhalb von 3 μm.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungswinkel eines Abstandsraumes der Begrenzungsstruktur zwischen den Elektroden zwischen 20° und 70° liegt.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungswinkel eines Abmessungsraumes der Begrenzungsstruktur einer Elektrode zwischen 5° und 25° liegt.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Bereich (160, 260, 360, 460, 560) eine laterale Längenabmessung bis zum distalen Ende unterhalb von 2 mm, vorzugsweise unterhalb von 1 mm, insbesondere unterhalb von 500 μm, vorzugsweise unterhalb von 300 μm, insbesondere unterhalb von 100 μm hat.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen hinteren, dem proximalen Ende (190, 290, 390, 490, 590) näher liegenden, Bereich aufweist, dessen Begrenzungsstruktur geometrisch ähnlich oder unähnlich zu der Begrenzungsstruktur des vorderen Bereiches ausgebildet ist.
Messspitze nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden im vorderen (160, 260, 360, 460, 560) und hinteren Bereich aufeinander zulaufen.
Messspitze nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden im vorderen Bereich (160, 260, 360, 460, 560) aufeinander zulaufen und im hinteren Bereich parallel verlaufen.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Bereich eine Längenabmessung von nicht mehr als 10 mm, insbesondere unterhalb von 2 mm, vorzugsweise unterhalb von 1 mm hat.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das proximale Ende (190, 290, 390, 490, 590) eine laterale Querabmessung unterhalb von 10 mm, vorzugsweise unterhalb von 3 mm, hat, insbesondere unterhalb von 2 mm, vorzugsweise unterhalb von 1 mm hat.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das photoleitende Material ein LT-GaAs-basierendes Material ist.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial ein Cr- oder Au-basierendes Material ist.
Messspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 19, die an einem Körper (311, 511), insbesondere an einem Glaskörper, angebracht ist.
Messspitze nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (311, 511) – elektrische Leitungen (321, 331, 521, 531) trägt, die mit den Elektroden (120, 220, 320, 420, 520, 130, 230, 330, 430, 530) kontaktiert sind und deren laterale Begrenzungsstruktur bezüglich einer Wellenlänge der elektrischen Komponente des zu detektierenden elektromagnetischen Feldes nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt ist und – sich zum distalen Ende hin verkleinert, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft, insbesondere wobei die elektrischen Leitungen aufeinander zulaufen.
Messspitze nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet dass die Anordnung (140, 240, 340, 440, 540) eine Abschirmung auf dem Träger umfasst, welche die photoleitende Lücke frei lässt.
Messaufbau (700A, 700B) mit einer Anregungsquelle für ein elektromagnetisches Feld und einem Detektor zur Felddetektion der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor mit einer Messspitze (100, 200, 300, 400, 500), nach einem der Ansprüche 1 bis 22 gebildet ist.
Messaufbau nach Anspruch 23 in Form eines PC-SNOM Messaufbaus.
Messaufbau nach Anspruch 23 oder 24 in Form eines Fernfeld-Messaufbaus (700A).
Messaufbau nach Anspruch 23 oder 24 in Form eines Nahfeld-Messaufbaus (700B).
Messaufbau nach einem der Ansprüche 23 bis 26 mit der Anregungsquelle und dem Detektor für ein THz-Feld.
Messaufbau nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitze (100, 200, 300, 400, 500) zur Ebene einer Probe und/oder Einfallsfrontebene einer einfallenden Strahlung geneigt ist.
Messaufbau nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass optische Komponenten für eine frei propagierende Anregungs-Strahlung und/oder frei propagierende zu detektierende Strahlung vorgesehen sind.
Verwendung der photoleitenden Messspitze (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 1 bis 22 und/oder des Messaufbaus nach Anspruch 23 bis 29 zur direkten zeitlich und räumlich hochauflösenden Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere für unterschiedliche Polarisationsrichtungen.
Verwendung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der zu detektierende Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 20 μm und 1 mm liegt, und wenigstens in diesem Wellenlängenbereich die Begrenzungsstruktur nicht-wellenlängenangepasst ist.
Verwendung nach Anspruch 30 oder 31 für bildgebende Verfahren, insbesondere im Bereich der Medizintechnik oder der Materialprüfung.