DE102012001685A1 - Tip for generating high, strong localized electromagnetic field strength, used in scanning near-field optical microscope, has Bragg reflectors that are arranged at predetermined distance from apex portion and shaft - Google Patents

Tip for generating high, strong localized electromagnetic field strength, used in scanning near-field optical microscope, has Bragg reflectors that are arranged at predetermined distance from apex portion and shaft Download PDF

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Abstract

The tip (1) has Bragg reflectors (4,8) that are arranged at predetermined distance (A) from apex portion (2) and shaft (3). The Bragg reflectors are arranged extending along the axis of symmetry. The reflector structures (6a-6d) are arranged over the periphery (5) of the tip. Independent claims are included for the following: (1) optical scanning device; and (2) manufacturing method for tip.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine strukturierte Spitze zum Erzeugen einer hohen, stark lokalisierten elektromagnetischen Feldstärke, also zur Lokalisierung und Verstärkung dieser elektromagnetischen Feldstärke. Die Spitze lässt sich insbesondere in optischen Rasternahfeld-Mikroskopen anwenden.The present invention relates to a patterned tip for generating a high, highly localized electromagnetic field strength, that is, for locating and amplifying this electromagnetic field strength. The tip can be used in particular in optical near-field microscopes.

Wichtige Herausforderungen im Bereich der Optik im Mikro- und Nanometermaßstab sind die Lokalisierung von elektromagnetischen Feldern auf den Scheitelpunkt (nachfolgend auch als Apex bezeichnet) einer Spitze (nachfolgend alternativ auch als Verjüngung bezeichnet) mit dem Ziel, möglichst wenig Emission vom Schaft zu erhalten (unter einer Spitze wird somit nachfolgend ein geometrischer Körper verstanden, der einen Schaft und an einem Ende dieses Schafts einen Scheitelpunkt – den Apex – als Punkt kleinsten Krümmungsradiuses aufweist) und die Verstärkung der Emission der elektromagnetischen Strahlung vom vordersten Bereich der Spitze, also gerade vom Scheitelpunkt bzw. Apex aus. Diese beiden Punkte sind insbesondere bei Sonden für die optische Rasternahfeldmikroskopie (SNOM von englisch Scanning Near-Field Optical Microscope) wichtig, um die Auflösung sowie die Empfindlichkeit/Sensitivität zu erhöhen. Die optische Rasternahfeldmikroskopie hat das Ziel, die optischen Eigenschaften nanostrukturierter Proben abzubilden und dabei Strukturen aufzulösen, die kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Die erfindungsgemäße Spitze, die nachfolgend noch im Detail beschrieben wird, kann insbesondere als Sonde eines antennenbasierten optischen Rasternahfeldmikroskops und/oder eines spitzenverstärkten optischen Rasternahfeldmikroskops eingesetzt werden.Important challenges in the field of optics on the micro- and nanometer scale are the localization of electromagnetic fields on the vertex (hereinafter also referred to as Apex) a tip (hereinafter alternatively referred to as taper) with the aim of obtaining as little emission from the shaft (see A tip is thus understood below to mean a geometric body which has a shaft and at one end of this shaft a vertex - the apex - as the point of the smallest radius of curvature) and the amplification of the emission of the electromagnetic radiation from the foremost region of the tip, ie straight from the apex or Apex out. These two points are particularly important in probes for optical scanning near-field microscopy (SNOM) in order to increase the resolution and the sensitivity / sensitivity. The objective of optical scanning near-field microscopy is to image the optical properties of nanostructured samples, thereby resolving structures smaller than the wavelength of the light used. The tip according to the invention, which will be described in more detail below, can be used in particular as a probe of an antenna-based optical scanning near-field microscope and / or a tip-reinforced optical scanning near-field microscope.

Bei spitzenbasierten bzw. antennenbasierten SNOM-Verfahren werden starke lokale elektromagnetische Felder in der Nähe einer mit einem Laser beleuchteten scharfen Spitze bzw. einer optischen Antenne genutzt, um die Wechselwirkung mit dem optischen Nahfeld der Probe zu untersuchen. Um dabei ein klares Bild (insbesondere: einen hohen Kontrast) zu erhalten, muss jedoch das Nahfeldsignal den Beitrag des Hintergrunds übertreffen. Das Nahfeldsignal ergibt sich aus der kurzreichweitigen Nahfeld-Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe. Es ermöglicht eine hohe Ortsauflösung. Das Hintergrundsignal, das auch ohne Spitze messbar ist, ergibt sich aufgrund der Anregung durch das elektromagnetische Fernfeld und deshalb, weil auch dieses Fernfeld detektiert wird. Ziel der vorliegenden Erfindung ist nun ein möglichst hohes Nahfeldsignal im Vergleich zum Hintergrundsignal bzw. eine Ausbildung der Spitze dergestalt, dass dies ermöglicht ist und eine hohe Lokalisierung der Felder, die unter anderem eine hohe räumliche Auflösung ermöglicht. Ein Problem ist dabei grundsätzlich, dass die Regionen auf der Probe und auf der Spitze, die das Hintergrundsignal erzeugen, eine wesentlich größere Fläche aufweisen, von der aus emittiert werden kann, als die vorderste Region der Spitze (Scheitelpunkt bzw. Apex), von der das Nahfeldsignal herrührt.Point-based or antenna-based SNOM techniques use strong local electromagnetic fields near a laser-illuminated sharp tip or optical antenna to study the interaction with the near-field optical field of the sample. In order to get a clear picture (especially: a high contrast), however, the near field signal must exceed the contribution of the background. The near-field signal results from the short-range near-field interaction between tip and sample. It allows a high spatial resolution. The background signal, which can also be measured without a peak, results from the excitation by the electromagnetic far field and because this far field is also detected. The aim of the present invention is as high a near field signal as possible in comparison to the background signal or a formation of the tip, that this is possible and a high localization of the fields, which enables, inter alia, a high spatial resolution. In principle, a problem is that the regions on the sample and on the tip that produce the background signal have a much larger area from which it can be emitted than the foremost region of the tip (apex) of the the near field signal is due.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Versuche bekannt, das vorbeschriebene Problem zu lösen. Beispielsweise wurden in einer ähnlichen Art von Mikroskop Apertursonden, d. h. Sonden mit einem Loch, benutzt, wobei das Licht durch diese Apertur austritt (z. B. D. W. Pohl, W. Denk, M. Lanz, Appl. Phys. Lett. 44 (1984) 651–653 ). Diese Apertursonden haben jedoch den Nachteil, dass ein Kompromiss zwischen Lichtdurchsatz und Auflösungsvermögen nötig ist. Ein gewisser minimaler Lichtdurchsatz ist für die Detektion notwendig, dies führt jedoch aufgrund des dazu notwendigen Aperturdurchmessers dazu, dass die Auflösung relativ gering ist.From the prior art, attempts are already known to solve the problem described above. For example, in a similar type of microscope, aperture probes, ie probes with a hole, have been used, with the light exiting through this aperture (e.g. DW Pohl, W. Denk, M. Lanz, Appl. Phys. Lett. 44 (1984) 651-653 ). However, these aperture probes have the disadvantage that a trade-off between light throughput and resolution is needed. A certain minimum light throughput is necessary for the detection, but this leads to the fact that the resolution is relatively low due to the necessary aperture diameter.

Einen anderen Ansatz wählen daher konventionelle Sonden für spitzenbasierte SNOM-Messungen ohne Aperturen, wie sie beispielsweise in A. Bek, R. Vogelgesang, K. Kern, Rev. Sci. 77 (2006), 043703 beschrieben sind. Diese Sonden nutzen den Spitzeneffekt, d. h. die intensivere Lokalisierung des Feldes an einer möglichst scharfen Spitze.Conventional probes for tip-based SNOM measurements without apertures, as used in, for example, US Pat A. Bek, R. Vogel Gesang, K. Kern, Rev. Sci. 77 (2006), 043703 are described. These probes make use of the peak effect, ie the more intense localization of the field at the sharpest point possible.

Der Fernfeldbeitrag bei spitzenbasierten SNOM-Messungen kann auch durch eine Modulation des Proben-Sonden-Abstands erfasst und reduziert werden (siehe C. Hoeppener, R. Beams, L. Novotny, Nano Lett. 9 (2009), 903–908 . Dieses Verfahren stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Detektion und die Auswertung des Signals.The far-field contribution to peak-based SNOM measurements can also be detected and reduced by modulating the probe-to-probe distance (see C. Hoeppener, R. Beams, L. Novotny, Nano Lett. 9 (2009), 903-908 , However, this method places very high demands on the detection and the evaluation of the signal.

Eine weitere Möglichkeit, den Fernfeldbeitrag bei spitzenbasierten SNOM-Messungen zu reduzieren, ist, eine optische Antenne nahe der Öffnung einer gewöhnlichen Apertursonde zu befestigen und die Anregung oder auch die Detektion mit der Apertursonde vorzunehmen ( T. H. Taminiau, F. D. Stefani, F. B. Segerink, N. F. v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234–237 ). Die Herstellung dieser Art von Sonden ist jedoch sehr aufwendig, da zusätzlich zur Apertursonde auch eine Antenne hergestellt werden muss.Another way to reduce the far-field contribution in peak-based SNOM measurements is to mount an optical antenna near the aperture of a common aperture probe and to perform the excitation or the detection with the aperture probe ( TH Taminiau, FD Stefani, FB Segerink, NF v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234-237 ). The preparation of this type of probe is very expensive, since in addition to the aperture probe and an antenna must be made.

Schließlich ist aus dem Stand der Technik auch die Möglichkeit bekannt, den Fernfeldbeitrag bei spitzenbasierten SNOM-Messungen zu reduzieren, indem Oberflächenplasmonen weit entfernt von der eigentlichen Spitze bzw. dem Apex im Schaft der Spitze angeregt werden, die schließlich über den Schaft in Richtung des Apexes propagieren (vgl. z. B. F. I. Baida, A. Belkhir, Plasmonics 4 (2009), 51–59 ). Die Lokalisierung und Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung ist bei dieser Vorgehensweise jedoch begrenzt.Finally, the prior art also discloses the possibility of reducing the far-field contribution in peak-based SNOM measurements by exciting surface plasmons far away from the actual tip or apex in the shaft of the tip, eventually over the shaft in the direction of the apex propagate (see, for example, FI Baida, A. Belkhir, Plasmonics 4 (2009), 51-59 ). However, the localization and amplification of the electromagnetic radiation is limited in this approach.

Auch können kleine Metallpartikel als Sonde benutzt werden, die häufig hohe Feldverstärkungen bieten. Diese kleinen Metallpartikel müssen jedoch geeignet hergestellt und befestigt werden, was oft sehr aufwendig ist (siehe hierzu auch T. H. Taminiau, F. D. Stefani, F. B. Segerink, N. F. v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234–237 ). Also, small metal particles can be used as a probe, often providing high field enhancements. However, these small metal particles must be suitably manufactured and fixed, which is often very expensive (see also TH Taminiau, FD Stefani, FB Segerink, NF v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234-237 ).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik eine Spitze für eine verbesserte Feldverstärkung und Feldlokalisierung am vordersten Ende der Spitze (d. h. am Apex) zur Verfügung zu stellen, also eine Spitze zum Erzeugen einer möglichst hohen, möglichst stark am Apex der Spitze lokalisierten elektromagnetischen Feldstärke zur Verfügung zu stellen. Aufgabe ist es darüberhinaus, eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Probe unter Verwendung einer solchen Spitze zur Verfügung zu stellen, die, im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, eine verbesserte Auflösung und/oder einen verbesserten Kontrast bietet. Entsprechend soll ein Verfahren zum Abtasten der Probe zur Verfügung gestellt werden.The object of the present invention is, starting from the state of the art, to provide a tip for improved field enhancement and field localization at the foremost end of the tip (ie at the apex), ie a tip for generating as high as possible, as strong as possible at the apex of the tip to provide localized electromagnetic field strength. It is also an object to provide an apparatus for optically scanning a sample using such a tip which offers improved resolution and / or contrast as compared to prior art devices. Accordingly, a method for scanning the sample should be provided.

Diese Aufgabe wird durch eine Spitze gemäß Anspruch 1, durch eine Anordnung aus einer solchen Spitze und einer die Spitze beleuchtenden Lichtquelle gemäß Anspruch 9, durch eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Probe gemäß Anspruch 10 und durch ein entsprechendes Abtastverfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer solchen Spitze ist in Anspruch 12 beschrieben; erfindungsgemäße Verwendungen in Anspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten lassen sich dabei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.This object is achieved by a tip according to claim 1, by an arrangement of such a tip and a tip-illuminating light source according to claim 9, by a device for optically scanning a sample according to claim 10 and by a corresponding scanning method according to claim 11. A manufacturing method for producing such a tip is described in claim 12; Uses according to the invention in claim 13. Advantageous design variants can be found in each case the dependent claims.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die bei den Ausführungsbeispielen in Kombination miteinander verwirklichten Merkmale müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht genau in den gezeigten Kombinationen verwirklicht sein, sondern können auch in anderen Kombinationen verwirklicht werden. Insbesondere können in den Ausführungsbeispielen gezeigte Merkmale auch auf andere Art und Weise mit anderen gezeigten Merkmalen kombiniert werden oder auch weggelassen werden. Jedes der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale kann bereits für sich eine Verbesserung des Standes der Technik darstellen.Hereinafter, the present invention will be described in general, then by means of embodiments. The realized in the embodiments in combination with each other features need not be realized in the context of the present invention exactly in the combinations shown, but can also be realized in other combinations. In particular, features shown in the embodiments may also be combined in other ways with other features shown or may be omitted. Each of the features shown in the embodiments may in itself constitute an improvement of the prior art.

Eine erfindungsgemäße Spitze zum Erzeugen einer möglichst hohen, stark auf den Apex lokalisierten elektromagnetischen Feldstärke ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze in einem vordefinierten Abstand von ihrem Scheitelpunkt bzw. Apex in ihrem Schaft einen Reflektor aufweist. Der Reflektor ist dabei in dem Schaft einstrukturiert.A tip according to the invention for generating the highest possible electromagnetic field strength, which is strongly localized to the apex, is characterized in that the tip has a reflector at a predefined distance from its vertex or apex in its shaft. The reflector is structured in the shaft.

Die erfindungsgemäße Spitze ist hinsichtlich ihrer Materialien (vorzugsweise ist die Spitze, siehe nachfolgend, aus genau einem Material ausgebildet) und ihrer geometrischen Ausformung bevorzugt so ausgebildet, dass sie für eine Bestrahlung mit Licht im sichtbaren Bereich, im nahen Infrarotbereich oder im Ultraviolettbereich geeignet ist. Die nachfolgend beschriebenen geometrischen Größen der Spitze (z. B. der Abstand des Reflektors vom Apex, dessen Periode, ...) sind somit, je nachdem, bei welcher Wellenlänge des eingestrahlten Lichts die Spitze betrieben werden soll, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben geeignet an diese Wellenlänge angepasst. Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Spitze ergeben sich dabei insbesondere im Bereich der optischen Sondenmessverfahren, vorzugsweise mikroskopischer Sondenmessverfahren, wie beispielsweise der Rasternahfeldmikroskopie. Auch in der Spektroskopie (beispielsweise im Bereich der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie SERS von englisch surface-enhanced Raman scattering) lässt sich die erfindungsgemäße Spitze einsetzen. Schließlich sind auch andere optische Sensoren auf Basis der erfindungsgemäßen Spitze denkbar.The tip according to the invention is preferably designed with respect to its materials (preferably the tip, see below, formed from exactly one material) and its geometric shape such that it is suitable for irradiation with light in the visible range, in the near infrared range or in the ultraviolet range. The geometrical sizes of the tip described below (eg the distance of the reflector from the apex, its period, etc.) are therefore, depending on at which wavelength of the incident light, the tip is to be operated, as described in more detail below suitably adapted to this wavelength. Application areas for the tip according to the invention result in particular in the field of optical probe measuring methods, preferably microscopic probe measuring methods, such as, for example, near-field microscopy. Also in spectroscopy (for example in the field of surface-enhanced Raman spectroscopy SERS of English surface-enhanced Raman scattering), the tip according to the invention can be used. Finally, other optical sensors based on the tip according to the invention are conceivable.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Reflektor innerhalb des Schaftes der Spitze ausgebildet und entlang des überwiegenden Teils des Umfangs dieses Schaftes in den Schaft einstrukturiert. Dies bedeutet, dass der Reflektor in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Spitze und entlang des Außenumfangs der Spitze (also außenumfangsseitig entlang des Mantels der Spitze) gesehen über einen Winkel von > 180°, bevorzugt von 270° oder mehr, bevorzugt von 330° oder mehr, bevorzugt von 350° oder mehr, also besonders bevorzugt entlang des gesamten Umfangs des Schafts der Spitze und somit die Spitze vollständig umgebend ausgebildet ist.In an advantageous embodiment, the reflector is formed within the shank of the tip and structured into the shank along the predominant part of the circumference of this shank. This means that the reflector in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the tip and along the outer circumference of the tip (ie the outer peripheral side along the mantle of the tip) seen over an angle of> 180 °, preferably of 270 ° or more, preferably of 330 ° or More, preferably of 350 ° or more, so particularly preferably along the entire circumference of the shaft of the tip and thus the tip is formed completely surrounding.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform entspricht der vordefinierte Abstand des Reflektors vom Apex einem n-fachen oder einem 1/k-fachen (wobei k und n natürliche Zahlen ≥ 1 sind) der beim Beleuchten der Spitze mit dem Licht einer im Vakuum mit der Wellenlänge λ emittierenden Lichtquelle in der Spitze (also im Material derselben) resultierenden effektiven Wellenlänge λeff. Die effektive Wellenlänge im Spitzenmaterial, das auf Dimensionen strukturiert ist, die ungefähr der äußeren Wellenlänge entsprechen (siehe nachfolgend: die noch verbleibenden Stege der Ausdehnung c und die Antennenstruktur der Ausdehnung a), hängt von den Materialeigenschaften ab und ist vor allem bestimmt durch kollektive Elektronenanregungen. Dabei gilt bevorzugt n = 1, n = 2, k = 2 oder k = 4. Der Abstand des Reflektors vom Apex kann dabei insbesondere als Abstand einer zum Apex nächstliegenden Reflektorstruktur des Reflektors (beispielsweise einer Einkerbung in den Mantel der Spitze bzw. des Schafts derselben) vom Apex definiert sein. Bei der Lichtquelle handelt es sich vorzugsweise um eine monochromatische Lichtquelle, z. B. einen Laser (grundsätzlich lassen sich jedoch auch andere, mit geeigneten Filtern versehene Lichtquellen verwenden), die ausschließlich Licht dieser Wellenlänge λ emittiert, Bevorzugte Laser und Laserwellenlängen sind 350 nm bis 1000 nm.In a further advantageous embodiment, the predefined distance of the reflector from the apex corresponds to an n-fold or a 1 / k-fold (where k and n are natural numbers ≥ 1) which when illuminating the tip with the light of a vacuum with the wavelength λ emissive light source in the apex (ie in the material thereof) resulting effective wavelength λ eff . The effective wavelength in the tip material, which is structured on dimensions that approximately correspond to the outer wavelength (see below: the remaining webs of the extension c and the antenna structure of the extension a), depends on the material properties and is mainly determined by collective electron excitations , In this case, n = 1, n = 2, k = 2 or k = 4 are preferred. The distance of the reflector from the apex may be in particular a distance of a reflector structure closest to the apex Reflectors (for example, a notch in the mantle of the tip or the shaft thereof) may be defined by the apex. The light source is preferably a monochromatic light source, e.g. As a laser (in principle, however, can also use other, provided with suitable filters light sources) that emits only light of this wavelength λ, Preferred laser and laser wavelengths are 350 nm to 1000 nm.

Dieser vordefinierte Abstand des Reflektors vom Apex kann (je nach Wellenlänge λ der Lichtquelle) kleiner als 10 μm, vorzugsweise kleiner als 3 μm, vorzugsweise < 1,5 μm sein (insbesondere für im sichtbaren Bereich, d. h. zwischen etwa 380 nm und 750 nm, emittierende Lichtquellen).This predefined distance of the reflector from the apex (depending on the wavelength λ of the light source) may be less than 10 μm, preferably less than 3 μm, preferably <1.5 μm (in particular for the visible range, ie between approximately 380 nm and 750 nm, emitting light sources).

Die vorbeschriebene, der Vakuumwellenlänge λ im Material der Spitze entsprechende Wellenlänge lässt sich dabei beispielsweise anhand der Veröffentlichung von L. Novotny „Effective Wavelength Scaling for Optical Antennas”, Physical Review Letters, PRL 98, 266802-1 bis 266802-4 (Juni 2007) bestimmen (vgl. dort z. B. 2 für die Spitzenmaterialien Silber, Gold oder Aluminium). Die Bestimmung der effektiven Wellenlänge λeff bei bekanntem Material der Spitze und bei bekannter eingestrahlter Vakuumwellenlänge λ (dies gilt dann auch für die nachfolgend noch beschriebenen, auf einer effektiven Wellenlänge λeff basierenden Ausführungsbeispiele) ist dem Fachmann für die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Ausführungsformen somit bekannt.The above-described, the vacuum wavelength λ in the material of the tip corresponding wavelength can be, for example, based on the publication of L. Novotny "Effective Wavelength Scaling for Optical Antennas", Physical Review Letters, PRL 98, 266802-1 to 266802-4 (June 2007) determine (see there, for example, 2 for the top materials silver, gold or aluminum). The determination of the effective wavelength λ eff with a known material of the tip and with a known irradiated vacuum wavelength λ (this then also applies to the embodiments described below based on an effective wavelength λ eff ) is thus familiar to the person skilled in the art for the embodiments described in the present invention known.

Die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen können ebenso wie die nachfolgend noch beschriebenen Ausführungsformen jeweils mit anderen der beschriebenen Ausführungsformen in beliebiger Kombination realisiert sein.The advantageous embodiments described above, as well as the embodiments described below, can be realized in any combination with other of the described embodiments.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Reflektor innerhalb des Schafts mittels mehrerer (vorzugsweise mindestens drei, mindestens vier oder mindestens fünf einzelne) entlang des Umfangs des Schafts verlaufender Reflektorstrukturen mit einem im Vergleich zum Material der Spitze geänderten optischen Brechungsindex (dessen konkreter Wert sich auf die verwendete Einstrahlwellenlänge im Vakuum, d. h. auf λ, bezieht) ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Reflektorstrukturen um außenumfangsseitig der Spitze entlang laufende, in den Schaft der Spitze einstrukturierte Vertiefungen bzw. Einkerbungen. Die Reflektorstrukturen sind somit diejenigen innerhalb der Spitze verlaufenden, also in das Material der Spitze eingebetteten Strukturen, die aus einem anderen Material ausgebildet sind, als dem zum Herstellen der Spitze bzw. des Schafts derselben verwendeten, nachfolgend auch als Basismaterial bezeichneten, Material (z. B. Gold, Silber oder Aluminium, siehe nachfolgend). Vorzugsweise ist die Spitze aus einem Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt und die Reflektoren sind in dieses Metall einstrukturierte Vertiefungen, die luftgefüllt sind (sofern die erfindungsgemäße Spitze nicht im Vakuum eingesetzt wird). Auch ein Einsatz in einem Inertgas und/oder in Stickstoff und/oder in einer Flüssigkeit ist möglich. Grundsätzlich lassen sich jedoch auch andere Materialien für die Reflektorstrukturen verwenden, sofern sich die Wellenlängen im Basismaterial und in den einstrukturierten Vertiefungen der Spitze unterscheiden.In a further advantageous embodiment, the reflector within the shaft by means of several (preferably at least three, at least four or at least five individual) along the circumference of the shaft extending reflector structures with a compared to the material of the tip modified optical refractive index (whose concrete value is based on the used Einstrahlwellenlänge in vacuum, ie, refers to λ) formed. Preferably, these reflector structures are recesses or notches structured along the outer circumference of the tip and structured in the shank of the tip. The reflector structures are thus those within the tip extending, so embedded in the material of the tip structures that are formed of a different material than that used to make the tip or the shaft thereof, hereinafter also referred to as a base material, material (eg. Gold, silver or aluminum, see below). Preferably, the tip is made of a metal of high electrical conductivity and the reflectors are cavities structured in this metal which are air-filled (unless the tip according to the invention is used in a vacuum). It is also possible to use it in an inert gas and / or in nitrogen and / or in a liquid. In principle, however, it is also possible to use other materials for the reflector structures, as long as the wavelengths in the base material and in the structured depressions of the tip differ.

Die Reflektorstrukturen können entlang der Mantelfläche des Schafts und senkrecht zum Umfang desselben bzw. in Schaftlängsrichtung gesehen jeweils in konstantem Abstand voneinander ausgebildet sein. Ist dies der Fall, so bilden die einzelnen Reflektorstrukturen eine regelmäßige Struktur mit einer vordefinierten Periode aus. Der Reflektor kann somit als periodisches Gitter, insbesondere als Bragg-Reflektor ausgebildet sein. Unter einem solchen Bragg-Reflektor für Oberflächenplasmonen gemäß der vorliegenden Erfindung (siehe auch nachfolgend) ist eine periodische Abfolge von Regionen mit alternierendem optischem Brechungsindex zu verstehen. Zur Bestimmung des vorbeschriebenen, vordefinierten Abstandes des Reflektors vom Apex ist in der Regel wie bereits beschrieben die Reduktion der Vakuumwellenlänge (insbesondere in nanoskaligen Materialien) λ zur effektiven Wellenlänge im Spitzenmaterial λeff zu berücksichtigen (vgl. die vorgenannte Schrift von L. Novotny ). Ist der Reflektor als eine solche Gitterstruktur bzw. als ein solcher Bragg-Reflektor ausgebildet, so kann die Periode dem senkrechten Abstand benachbarter Reflektorstrukturen entsprechen (also z. B. dem Abstand entlang der Längsrichtung bzw. Längsachse der Spitze, wenn die Reflektorstrukturen in Ebenen senkrecht zu dieser Längsrichtung einstrukturiert sind). Anders ausgedrückt kann die Periode senkrecht zu den Ebenen der übrigbleibenden, komplementären Stege des Basismaterials der Spitze bestimmt werden, wenn die Reflektorstrukturen als in die Mantelfläche des Schafts der Spitze eingebrachte Vertiefungen bzw. Einschnitte ausgebildet sind.The reflector structures may be formed along the lateral surface of the shaft and perpendicular to the circumference thereof or, viewed in the longitudinal direction of the shaft, each at a constant distance from each other. If this is the case, then the individual reflector structures form a regular structure with a predefined period. The reflector can thus be designed as a periodic grating, in particular as a Bragg reflector. Such a Bragg reflector for surface plasmons according to the present invention (see also below) is to be understood as a periodic sequence of alternating optical refractive index regions. In order to determine the predefined, predefined distance of the reflector from the apex, the reduction of the vacuum wavelength (in particular in nanoscale materials) λ to the effective wavelength in the peak material λ eff must generally be taken into account, as already described (cf. L. Novotny ). If the reflector is designed as such a lattice structure or as such a Bragg reflector, then the period may correspond to the perpendicular spacing of adjacent reflector structures (ie, for example, the distance along the longitudinal direction or longitudinal axis of the tip, if the reflector structures are perpendicular in planes) are structured to this longitudinal direction). In other words, the period can be determined perpendicular to the planes of the remaining, complementary webs of the base material of the tip, when the reflector structures are formed as recesses or cuts introduced into the lateral surface of the shaft of the tip.

In einer vorteilhaften Ausführungsform gilt für diese Periode p = λeff/4 + λmed/4. λeff/4 entspricht dabei einem Viertel der beim Beleuchten der Spitze mit dem Licht einer im Vakuum mit der Wellenlänge λ emittierenden Lichtquelle (vorzugsweise Laserlichtquelle) resultierenden effektiven Wellenlänge λeff in der Spitze. Entsprechend ist λmed/4 ein Viertel der dieser Vakuumwellenlänge λ im Material der Reflektorstrukturen (also insbesondere in Luft oder im Vakuum) entsprechenden Wellenlänge λmed („med” steht hier für das Material der Reflektorstrukturen).In an advantageous embodiment, p = λ eff / 4 + λ med / 4 holds for this period. λ eff / 4 corresponds to one fourth of the effective wavelength λ eff in the peak resulting from illuminating the tip with the light of a light source (preferably laser light source) emitting in a vacuum with the wavelength λ. Correspondingly, λ med / 4 is one quarter of the wavelength λ med corresponding to this vacuum wavelength λ in the material of the reflector structures (ie in particular in air or in a vacuum) ("med" here stands for the material of the reflector structures).

Vorzugsweise ist die Spitze zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch (insbesondere: als Kegel) ausgeformt. Die Reflektorstrukturen können dabei senkrecht zur Symmetrieachse (also zur Längsachse der Spitze) ausgebildet sein. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, die Reflektorstrukturen (also insbesondere die Einkerbungen) unter einem Winkel von < 90° (dabei jedoch bevorzugt ≥ 45°, bevorzugt ≥ 60°) zu dieser Symmetrieachse auszubilden. Entsprechende Herstellungsverfahren werden nachfolgend beschrieben.Preferably, the tip is at least partially rotationally symmetrical (in particular: as a cone) formed. The reflector structures can be formed perpendicular to the axis of symmetry (ie to the longitudinal axis of the tip). Alternatively, however, it is also possible to form the reflector structures (ie in particular the notches) at an angle of <90 ° (but preferably ≥ 45 °, preferably ≥ 60 °) to this axis of symmetry. Corresponding production methods are described below.

Die Spitze ist vorzugsweise aus einem einzigen Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet. Vorzugsweise ist dieses Material Gold, Silber oder Aluminium.The tip is preferably formed of a single material having a high electrical conductivity. Preferably, this material is gold, silver or aluminum.

Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst zumindest eine der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Spitzen sowie eine Lichtquelle und/oder abstrahlende Probe. Diese Lichtquelle ist dazu ausgebildet, die Spitze zu beleuchten und emittiert (im Vakuum) mit einer Wellenlänge λ. Vorzugsweise handelt es sich bei der Lichtquelle um einen Laser. Es ist jedoch auch möglich, dass die Lichtquelle in einem Wellenlängenbereich (der die Wellenlänge λ umfasst) emittiert (z. B. LEDs oder Sonne als Lichtquelle). Die Lichtquelle bzw. der Laser emittiert vorzugsweise mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich, also zwischen 380 nm und 750 nm (beispielsweise kann die Emissionswellenlänge des die Spitze beleuchtenden Lasers λ = 660 nm betragen). Ebenso sind jedoch im nahen Infrarot, also zwischen 750 nm und 1675 nm, emittierende Lichtquellen bzw. Laser denkbar. Auch im ultravioletten Bereich zwischen 100 nm und 380 nm emittierende Lichtquellen bzw. Laser lassen sich einsetzen. (Signalerfassungseinrichtungen für den jeweiligen Wellenlängenbereich z. B. für die Rasternahfeldmikroskopie sind dem Fachmann bekannt.)An arrangement according to the invention comprises at least one of the above-described tips according to the invention as well as a light source and / or emitting sample. This light source is designed to illuminate the tip and emits (in vacuum) with a wavelength λ. Preferably, the light source is a laser. However, it is also possible for the light source to emit in a wavelength range (which includes the wavelength λ) (eg LEDs or sun as the light source). The light source or the laser preferably emits with a wavelength in the visible range, ie between 380 nm and 750 nm (for example, the emission wavelength of the laser illuminating the tip can be λ = 660 nm). However, in the near infrared, ie between 750 nm and 1675 nm, emitting light sources or lasers are also conceivable. Even in the ultraviolet range between 100 nm and 380 nm emitting light sources or lasers can be used. (Signal detection devices for the respective wavelength range, eg for scanning near-field microscopy, are known to the person skilled in the art.)

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Probe (insbesondere zum Erfassen der optischen Nahfeldwechselwirkung zwischen der Spitze und einer solchen Probe) umfasst eine Spitze (oder eine Anordnung) wie vorbeschrieben. Vorzugsweise handelt es sich bei einer solchen Vorrichtung um ein optisches Rastersondenmikroskop (beispielsweise ein optisches Rasternahfeldmikroskop, z. B. ein antennenbasiertes oder spitzenverstärkendes optisches Rasternahfeldmikroskop). Jedoch können erfindungsgemäße Vorrichtungen auch oberflächenverstärkende oder spitzenverstärkende Raman-Spektroskope sein. Auch andere optische Sonden oder Sensoren lassen sich erfindungsgemäß auf Basis der vorbeschriebenen Spitze ausbilden.A device according to the invention for optically scanning a sample (in particular for detecting the near-field optical interaction between the tip and such a sample) comprises a tip (or an arrangement) as described above. Preferably, such a device is an optical scanning probe microscope (e.g., an optical scanning near-field microscope, e.g., an antenna-based or peak-magnifying optical scanning near-field microscope). However, devices of the invention may also be surface enhancing or tip enhancing Raman spectroscopes. Also other optical probes or sensors can be formed according to the invention on the basis of the above-described tip.

Die Probe kann dabei mit einer der vorbeschriebenen Spitzen, Anordnungen oder Vorrichtungen abgetastet und/oder analysiert werden.The sample can be scanned and / or analyzed with one of the above-described tips, arrangements or devices.

Zum Herstellen der vorbeschriebenen Spitzen wird zunächst in einem ersten Verfahrensschritt ein Grundkörper der Spitze (der den Schaft sowie den Apex derselben ausbildet) hergestellt. Dies erfolgt bevorzugt durch Ätzen eines Drahtes (beispielsweise eines Golddrahtes). In einem weiteren Schritt wird dem Schaft dieses bevorzugt kegelförmigen Grundkörpers der Spitze mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls (z. B. im sog. FIB-Verfahren von englisch focused ion beam) der vorbeschriebene Reflektor (also die Reflektorstrukturen) einstrukturiert. Alternativ dazu lassen sich jedoch auch Bragg-Strukturen, die nicht als Einkerbungen (also nicht „aus Luft”) ausgebildet sind, sondern aus einem Material, das einen anderen Brechungsindex hat als das Basismaterial des Kegels, herstellen. Zum Beispiel kann hierzu ein fokussierter Ionenstrahl zur gezielten Dotierung und zur lokalen Störung der Kristallstruktur genutzt werden, um einen solchen Effekt hervorzurufen. Ebenso ist es auch denkbar, nach Herstellen der luftgefüllten Einkerbungen diese gezielt durch Abscheidung zu verfüllen, bspw. durch Elektronenstrahl- oder Ionenstrahldeposition.To produce the above-described tips, a base body of the tip (which forms the shaft and the apex thereof) is first produced in a first method step. This is preferably done by etching a wire (for example a gold wire). In a further step, the shaft of this preferably conical base body of the tip is structured with the aid of a focused ion beam (eg in the so-called FIB method of the English-focused ion beam) the above-described reflector (ie the reflector structures). Alternatively, however, it is also possible to produce Bragg structures which are not formed as notches (that is, not "out of air"), but rather from a material which has a different refractive index than the base material of the cone. For example, this can be a focused ion beam for targeted doping and local disruption of the crystal structure can be used to cause such an effect. Likewise, it is also conceivable, after producing the air-filled indentations, to fill them in a targeted manner by means of deposition, for example by electron beam or ion beam deposition.

Erfindungsgemäß lässt sich die vorliegende Erfindung vor allen Dingen in optischen Rastersondenmikroskopen, aber auch in Raman-Spektroskopen oder Sensoren einsetzen.According to the invention, the present invention can be used above all in optical scanning probe microscopes, but also in Raman spectroscopes or sensors.

Erfindungsgemäß wird somit durch die vorbeschriebene Spitzenstrukturierung das Nahfeldsignal durch Feldverstärkung und Feldlokalisierung am vordersten Ende (dem Apex) der Spitze verbessert. Dabei ist von entscheidender Bedeutung, dass die erfindungsgemäße Spitze durch ihre Reflektorstrukturen bzw. den Reflektor nahe ihres vorderen Endes als Antenne wirken kann, die sowohl als Empfänger als auch als Sender agiert. Das vordere Ende bzw. der vordere Teil der Spitze (zwischen Reflektor und Apex) kann eine Länge aufweisen, die einer oder mehrerer effektiven/r Wellenlänge(n) oder Bruchteilen davon (insbesondere einem Viertel einer effektiven Wellenlänge oder der Hälfte einer effektiven Wellenlänge) im entsprechenden Spitzenmaterial entspricht.Thus, according to the present invention, the above-described tip patterning improves the near field signal by field enhancement and field localization at the foremost end (the apex) of the tip. It is of crucial importance that the tip according to the invention can act through its reflector structures or the reflector near its front end as an antenna, which acts both as a receiver and as a transmitter. The front end of the tip (between the reflector and the apex) may have a length equal to one or more effective wavelengths or fractions thereof (in particular one quarter of an effective wavelength or half of an effective wavelength) corresponding top material corresponds.

Die Feldverstärkung und Feldlokalisierung kann insbesondere erreicht werden, indem der vorbeschriebene Bragg-Reflektor für Oberflächenplasmonen um die Spitze herum strukturiert wird. Der Reflektor hat einen definierten Abstand von der Spitze, der bewirkt, dass das Material zwischen dem Apex und dem Beginn des Bragg-Reflektors (im Schaft der Spitze) als Antenne wirken kann: Nach Einstrahlen von Licht auf die Spitze mit der Wellenlänge λ wechselwirkt ein elektromagnetisches Feld mit der Antenne, was zu einer erhöhten Einkopplung führt. Es werden insbesondere im vordersten Bereich der Spitze Oberflächenplasmonen erzeugt, wobei der Bragg-Reflektor derart wirkt, dass diese Oberflächenplasmonen von der Spitze in Richtung Schaft propagieren und am Reflektor reflektiert werden. Die Oberflächenplasmonen werden somit im vorderen Spitzenbereich (also im Apex) lokalisiert, so dass hohe Verstärkungen des elektromagnetischen Feldes entstehen. Es lassen sich elektromagnetische Feldstärken z. B. mit einem Verstärkungsfaktor von 100 erzeugen. Die Oberflächenplasmonen werden bevorzugt über die Antenne ausgekoppelt, wobei elektromagnetische Strahlung ausgesendet wird, die Informationen über die lokale Spitze-Probe-Wechselwirkung (also die Nahfeldwechselwirkung) beinhaltet. Die vorliegende Erfindung entfaltet ihren Hauptvorteil somit insbesondere durch einen plasmonischen Reflexionseffekt: Es wird eine Antenne durch den vorderen Teil der Spitze gebildet, die vorzugsweise auf Bruchteile oder Vielfache der effektiven Zielwellenlänge ausgelegt ist (insbesondere eine ganze effektive Zielwellenlänge, eine halbe effektive Zielwellenlänge oder eine Viertel effektive Zielwellenlänge, d. h. n = 1, k = 2 oder k = 4).In particular, the field enhancement and field localization can be achieved by patterning the above-described Bragg reflector for surface plasmons around the tip. The reflector has a defined distance from the tip, which causes the material between the apex and the beginning of the Bragg reflector (in the shaft of the tip) can act as an antenna: after irradiation of light on the tip with the wavelength λ interacts electromagnetic field with the antenna, resulting in increased coupling. In particular, surface plasmons are produced in the foremost region of the tip, with the Bragg reflector acting in such a way that it Propagate surface plasmons from the tip towards the shaft and reflected at the reflector. The surface plasmons are thus located in the anterior tip region (ie in the apex), resulting in high amplifications of the electromagnetic field. It can be electromagnetic field strengths z. B. generate with a gain of 100. The surface plasmons are preferably coupled out via the antenna, wherein electromagnetic radiation is emitted which contains information about the local tip-probe interaction (ie the near-field interaction). The present invention thus achieves its main advantage in particular by a plasmonic reflection effect: An antenna is formed by the front part of the tip, which is preferably designed to fractions or multiples of the effective target wavelength (in particular a whole effective target wavelength, half an effective target wavelength or a quarter effective target wavelength, ie n = 1, k = 2 or k = 4).

Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die erfindungsgemäßen Reflektorstrukturen des Reflektors über den gesamten Umfang des Spitzenschafts in letzteren einstrukturiert sind. Die vorliegende Erfindung kann insbesondere für Anwendungen im Bereich der Optik eingesetzt werden, bei denen eine stark lokalisierte hohe elektromagnetische Feldstärke notwendig ist. So verbessert die Erfindung die Abtastsonden der Rastersondenmikroskope insbesondere im Bereich von antennenbasierten optischen Rasternahfeldmikroskopen. Darunter fallen Methoden, bei denen Licht inelastisch gestreut wird, wie die spitzenverstärkte, nicht lineare optische Rasternahfeldmikroskopie (TENOM). Insbesondere hervorzuheben ist für die Anwendung der vorliegenden Erfindung auch die spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS), bei der die Erfindung einen besonders deutlichen vorteilhaften Effekt zeigt, was auch die Untersuchung von für diese Methode bisher nicht zugänglichen Materialien ermöglicht. Ein weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind Fluoreszenzmessungen mit einer Auflösung im Nanometerbereich. Auch für andere Methoden der optischen Rasternahfeldmikroskopie, bei denen Licht elastisch gestreut wird (wie beispielsweise bei der optischen Streu-Rasternahfeldmikroskopie s-SNOM oder a-SNOM lässt sich die Erfindung einsetzen und führt zu einer verbesserten Signalqualität und einer verbesserten Auflösung). Eine Anwendung außerhalb der Rastersondenmikroskopie ist insbesondere die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS), wobei sich beim Einsatz der erfindungsgemäßen Spitzen ein verbessertes Raman-Signal ergibt, was auch hier Untersuchungen von für diese Methode bisher nicht zugänglichen Materialien ermöglicht, Die hohen Feldstärken sind dabei in der Regel in der Apexregion in einer Ebene senkrecht zur Spitzenachse etwa auf den Spitzenradius beschränkt und entlang der Spitze gesehen etwa so weit ausgedehnt wie die Antenne (d. h. bis zu den Einschnitten). Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt somit eine Anregung durch das eingestrahlte Licht der Vakuumwellenlänge λ gerade möglichst nah am Apex in der Spitze, so dass die erfindungsgemäße Gitterstruktur aufgrund ihrer Lage (Abstand vom Apex) und ihrer Periode als Reflektor für die erzeugten Plasmonen dienen kann (sowohl die Anregung durch das eingestrahlte Licht als auch die Reflexion der Plasmonen erfolgt somit möglichst nah am schaftabgewandten Ende der Spitze bzw. möglichst nah am Apex): Das eingestrahlte Licht (vorzugsweise wird parallel zur Oberfläche der abzutastenden Probe auf die oberhalb dieser Probe angeordnete Spitze eingestrahlt) wird in Plasmonen gewandelt, die sich auf der Oberfläche der Spitze (bzw. des Schafts derselben), also entlang der Mantelfläche der Spitze fortbewegen. Die Plasmonen wandern in Richtung Spitze und werden dort teilweise reflektiert. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist dabei, dass die vom Apex der Spitze zurückreflektierten, wieder auf der Mantelfläche der Spitze entlang wandernden Plasmonen durch den geeignet ausgebildeten und positionierten Reflektor der vorliegenden Erfindung erneut zum Apex der Spitze zurückreflektiert werden. Der vordere Teil der Spitze (also der Teil zwischen Apex und Beginn des Reflektors) wirkt somit als Antenne, die sowohl als Empfänger als auch als Sender agiert, was zu einer erhöhten Ein- und Auskopplung führt. Der Bragg-Reflektor führt dazu, dass Oberflächenplasmonen, die vom Apex in Richtung Schaft der Spitze propagieren, in Richtung des Apexes zurückreflektiert werden, so dass sich am Apex eine hohe elektromagnetische Feldstärke einstellt.It is particularly advantageous if the reflector structures according to the invention of the reflector over the entire circumference of the tip shaft are structured in the latter. The present invention can be used in particular for applications in the field of optics, in which a strongly localized high electromagnetic field strength is necessary. The invention thus improves the scanning probes of scanning probe microscopes, in particular in the area of antenna-based optical scanning near-field microscopes. These include methods in which light is scattered inelastically, such as tip-enhanced, nonlinear optical scanning near-field microscopy (TENOM). Particularly noteworthy for the application of the present invention, the tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS), in which the invention shows a particularly significant advantageous effect, which also allows the study of previously inaccessible for this method materials. Another field of application of the present invention are fluorescence measurements with a resolution in the nanometer range. Other methods of optical scanning near-field microscopy in which light is scattered elastically (such as in s-SNOM or a-SNOM scattered-field optical microscopy, the invention can be used and leads to improved signal quality and improved resolution). An application outside of scanning probe microscopy is in particular the surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), which results in the use of tips according to the invention an improved Raman signal, which also allows investigations of previously inaccessible for this method materials, the high field strengths are in usually in the apex region in a plane perpendicular to the tip axis approximately confined to the tip radius and seen along the tip as extended as the antenna (ie to the incisions). In the present invention, therefore, an excitation by the incident light of the vacuum wavelength λ just as close to the apex in the top, so that the lattice structure according to the invention can serve as a reflector for the plasmons generated (both due to their location (distance from the apex) and their period the excitation by the incident light as well as the reflection of the plasmons is thus as close as possible to the end of the tip remote from the tip or as close to the apex as possible: the incident light (preferably irradiated parallel to the surface of the sample to be scanned on the tip arranged above this sample) is converted into plasmons that move on the surface of the tip (or the shaft of the same), ie along the lateral surface of the tip. The plasmons migrate towards the tip and are partially reflected there. An essential feature of the invention is that the plasmons, which are reflected back from the apex of the tip and migrate again along the lateral surface of the tip, are reflected back to the apex of the tip by the appropriately designed and positioned reflector of the present invention. The front part of the tip (ie the part between the apex and the beginning of the reflector) thus acts as an antenna, which acts both as a receiver and as a transmitter, which leads to an increased coupling and decoupling. The Bragg reflector causes surface plasmons, which propagate from the apex towards the shaft of the tip, to be reflected back towards the apex, so that a high electromagnetic field strength is established at the apex.

Die Position des Bragg-Reflektors stellt die gewünschte Länge des als Antenne wirkenden Teils der Spitze ein. Es ergibt sich eine verbesserte Lokalisierung der elektromagnetischen Felder und eine höhere Intensität am Apex, was zusammen genommen ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist: Hierdurch verbessern sich die Auflösung, der Kontrast und die Signalintensität bei verschiedensten Messverfahren, die die erfindungsgemäße Spitze einsetzen. Vorzugsweise ist dabei die Spitze aus einem einzigen Material herausgearbeitet (beispielsweise aus Gold). Es sind jedoch auch Spitzen einsetzbar, die aus mehreren Materialien bestehen (z. B. Siliziumspitzen, die mit Gold beschichtet sind). Wichtig ist es dabei lediglich, eine hohe elektrische Leitungsfähigkeit der Spitze (bzw. zumindest entlang der Oberfläche derselben) sicherzustellen.The position of the Bragg reflector sets the desired length of the antenna acting part of the tip. This results in an improved localization of the electromagnetic fields and a higher intensity at the apex, which taken together is an important advantage of the present invention: This improves the resolution, the contrast and the signal intensity in a wide variety of measuring methods using the tip according to the invention. Preferably, the tip is machined out of a single material (for example, gold). However, it is also possible to use tips which consist of several materials (for example silicon tips that are coated with gold). It is important only to ensure a high electrical conductivity of the tip (or at least along the surface thereof).

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigen:Hereinafter, the present invention will be described by way of embodiments. Showing:

1 eine erste erfindungsgemäße Spitze. 1 a first tip according to the invention.

2 eine zweite erfindungsgemäße Spitze. 2 a second tip according to the invention.

3 bis 9 die Herstellung erfindungsgemäßer Spitzen sowie rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (5 und 6) erfindungsgemäß hergestellter Spitzen und optische Messungen (7 bis 9). 3 to 9 the production of tips according to the invention and scanning electron micrographs ( 5 and 6 ) produced according to the invention and optical measurements ( 7 to 9 ).

1 zeigt ein Beispiel für eine erste erfindungsgemäße, rotationssymmetrische und im Wesentlichen kegelförmige Spitze 1. Die Spitze 1 weist in einem Abstand a von ihrem Scheitelpunkt bzw. Apex 2 (dieser Abstand a wird entlang der Rotationssymmetrieachse 9 der Spitze 1 gemessen) einen hier als Bragg-Reflektor 8 ausgebildeten Reflektor 4 auf. Vom Apex 2 der Spitze 1 entlang der Rotationssymmetrieachse 9 gesehen beginnt somit in der Entfernung a vom Apex 2 im Schaft 3 der Spitze 1 der Bragg-Reflektor 8. 1 shows an example of a first invention, rotationally symmetric and substantially conical tip 1 , The summit 1 points at a distance a from its vertex or apex 2 (This distance a is along the rotational symmetry axis 9 the top 1 measured) one here as a Bragg reflector 8th trained reflector 4 on. From the apex 2 the top 1 along the rotational symmetry axis 9 seen thus begins at the distance a from the apex 2 in the shaft 3 the top 1 the Bragg reflector 8th ,

Der Bragg-Reflektor 8 erstreckt sich dabei entlang der Symmetrieachse 9 gesehen über insgesamt s = 4 Perioden, weist also insgesamt vier in den Schaft 3 der Spitze 1 einstrukturierte Reflektorstrukturen 6a bis 6d auf (1A). Die vier Reflektorstrukturen 6a bis 6d sind dabei über den gesamten Außenumfang 5 des kegelförmigen Schafts 3 der Spitze 1, also über den vollständigen Umfang 5 des äußeren Mantels 7 der Spitze 1 einstrukturiert. Siehe hierzu die in 1B teilweise dargestellte Projektion der erfindungsgemäßen Spitze 1 entlang der Achse 9 auf die Basisfläche (Boden) des Schafts 3: Die Strukturen 6a bis 6d sind somit über einen Umfangswinkel von α = 360° einstrukturiert.The Bragg reflector 8th extends along the axis of symmetry 9 seen over a total of s = 4 periods, thus has a total of four in the shaft 3 the top 1 structured reflector structures 6a to 6d on ( 1A ). The four reflector structures 6a to 6d are about the entire outer circumference 5 of the conical shaft 3 the top 1 that is, the full extent 5 of the outer coat 7 the top 1 einstrukturiert. See the in 1B partially represented projection of the tip according to the invention 1 along the axis 9 on the base surface (bottom) of the shaft 3 : The structures 6a to 6d are thus structured over a circumferential angle of α = 360 °.

Die Reflektorstrukturen 6a bis 6d des Reflektors 4 verlaufen jeweils parallel zu Ebenen senkrecht zur Achse 9, wobei die einzelnen Zentralebenen der aus dem Material der Spitze 1 (hier: Gold) herausgelösten Reflektorstrukturen 6a bis 6d jeweils den Abstand einer Periode p voneinander aufweisen. Die Strukturen 6a bis 6d werden aus dem Material der Spitze 1 bzw. des Schafts 3 derselben herausgelöst, sind also luftgefüllt. Das Herauslösen der Strukturen 6a bis 6d kann bspw. mit Hilfe des FIB-Verfahrens (focused ion beam) erfolgen. Auch andere Techniken zum Herauslösen sind denkbar.The reflector structures 6a to 6d of the reflector 4 each run parallel to planes perpendicular to the axis 9 , where the individual central planes are made of the material of the top 1 (here: gold) dissolved reflector structures 6a to 6d each have the distance of a period p from each other. The structures 6a to 6d be made of the material of the top 1 or the shaft 3 The same are dissolved, so are filled with air. The dissolution of the structures 6a to 6d can be done, for example, using the FIB method (focused ion beam). Other techniques for dissolution are conceivable.

Die Breite b der Strukturen 6a bis 6d in Richtung der Achse 9 gesehen ist dabei für alle vier Strukturen identisch und beträgt hier b = 165 nm. Die Breite c der zu den herausgelösten Strukturen 6a bis 6d jeweils komplementären, nach dem Herauslösen der Strukturen 6a bis 6d jeweils zwischen zwei benachbarten Strukturen 6 stehen gebliebenen Stege aus dem Material der Spitze 1 in Richtung der Achse 9 beträgt hier c = 125 nm. Somit ergibt sich für eine Periode p, also die Ausdehnung jeweils eines Paares aus einer herausgelösten Struktur 6 bzw. einer Einkerbung und einem benachbart dazu stehengebliebenen Steg längs der Achse 9, p = b + c = 290 nm. Die Gesamtausdehnung der Spitze 1 in Richtung der Achse 9 vom Apex 2 zum Schaftboden beträgt hier 5000 μm.The width b of the structures 6a to 6d in the direction of the axis 9 is identical for all four structures and is here b = 165 nm. The width c of the detached structures 6a to 6d each complementary, after detachment of the structures 6a to 6d each between two adjacent structures 6 Stopped bridges made of the material of the top 1 in the direction of the axis 9 in this case, c = 125 nm. Thus, for a period p, that is to say the extent of one pair in each case results from a detached structure 6 or a notch and an adjacent thereto standing bridge along the axis 9 , p = b + c = 290 nm. The total extent of the peak 1 in the direction of the axis 9 from the apex 2 to the shaft bottom is here 5000 microns.

Die einzelnen Einkerbungen 6a bis 6d und die dazu komplementären Stege sind somit entlang der Rotationssymmetrieachse 9 gesehen abwechselnd angeordnet, wobei insgesamt neun Einkerbungs-Stegpaare ausgebildet sind (gezeigt sind in der Skizze der Übersicht halber nur vier). Die Erstreckung jedes dieser Einkerbungs-Stegpaare entlang der Mantelfläche 7 des Schafts 3 bzw. der Spitze 1 beträgt hier m = p/cos(β) = 294 nm, wobei β = 9° der halbe Winkel der Kegelspitze, also der Winkel zwischen der Mantelfläche 7 und der Rotationssymmetrieachse 9 ist. Die Tiefe d (senkrecht zur Achse 9 gesehen) der einzelnen Reflektorstrukturen 6a bis 6d nimmt vom Apex 2 in Richtung der Achse 9 gesehen linear zu, da die einzelnen Strukturen 6a bis 6d senkrecht zur Achse 9 gesehen so in den Schaft 3 der Spitze 1 einstrukturiert sind, dass zentrisch um die Achse 9 herum im Schaft 3 jeweils lediglich ein Steg mit konstantem Stegdurchmesser e aus dem Material der Spitze 1 stehengeblieben ist. Der Stegdurchmesser e beträgt hier e = 150 nm.The individual notches 6a to 6d and the complementary webs are thus along the rotational axis of symmetry 9 arranged alternately, wherein a total of nine notched web pairs are formed (shown in the diagram for clarity only four). The extension of each of these notched web pairs along the lateral surface 7 of the shaft 3 or the top 1 is here m = p / cos (β) = 294 nm, where β = 9 °, the half angle of the apex, ie the angle between the lateral surface 7 and the rotational symmetry axis 9 is. The depth d (perpendicular to the axis 9 seen) of the individual reflector structures 6a to 6d takes off the apex 2 in the direction of the axis 9 seen linear too, since the individual structures 6a to 6d perpendicular to the axis 9 so seen in the shaft 3 the top 1 are structured that centric around the axis 9 around in the shaft 3 in each case only one web with constant web diameter e from the material of the tip 1 has stopped. The web diameter e is here e = 150 nm.

Die Tiefe d der jeweiligen Einschnitte 6 ist so gewählt, dass der verbleibende Stegdurchmesser e eine ausreichende mechanische Stabilität der Spitze 1 gewährleistet (somit hängt der Stegdurchmesser e vom konkreten Spitzenmaterial ab).The depth d of the respective cuts 6 is chosen so that the remaining web diameter e sufficient mechanical stability of the tip 1 guaranteed (thus, the web diameter e depends on the actual tip material).

Die gezeigte Spitze 1 ist auf eine Beleuchtungswellenlänge, die von einem Dioden-Laser oder einer Probe bei der Vakuumwellenlänge λ = 660 nm emittiert wird, optimiert, wobei sich im Material Gold der Spitze 1 die effektiven Wellenlänge von λeff = 500 nm ergibt (vgl. die Schrift von L. Novotny ).The tip shown 1 is optimized for an illumination wavelength emitted by a diode laser or sample at the vacuum wavelength λ = 660 nm, with the gold being the peak in the material 1 gives the effective wavelength of λ eff = 500 nm (see the specification of L. Novotny ).

Im gezeigten Beispiel gilt somit a = 1*λeff sowie p = λeff/4 + λmed/4 mit λmed als der zur Vakuumwellenlänge λ im Material der Einkerbungen 6a bis 6d, also in Luft, zugehörigen Wellenlänge λmed, die hier praktisch identisch mit der Wellenlänge λ ist.In the example shown, therefore, a = 1 * λ eff as well as p = λ eff / 4 + λ med / 4 with λ med than that for the vacuum wavelength λ in the material of the notches 6a to 6d , ie in air, corresponding wavelength λ med , which is practically identical to the wavelength λ here.

Der Bragg-Reflektor besteht somit aus einer periodischen Abfolge von Regionen mit unterschiedlichem Brechungsindex. Zur Bestimmung des Abstandes a vom Apex 2 zum Beginn des Bragg-Reflektors 8 (d. h. der Struktur 6a) ist die Reduktion der Vakuumwellenlänge λ im nanoskaligen Material Gold berücksichtigt worden.The Bragg reflector thus consists of a periodic sequence of regions with different refractive indices. To determine the distance a from the apex 2 to the beginning of the Bragg reflector 8th (ie the structure 6a ), the reduction of the vacuum wavelength λ has been taken into account in the nanoscale material gold.

Die Periode p des Bragg-Reflektors ist dabei die Summe aus der Dicke c einer Einheit des Spitzenmaterials und der Dicke b einer Einheit (Einschnitt 6) des umgebenden Mediums Luft. Die Dicke b einer Einheit des umgebenden Mediums (Einschnitt 6) ist dabei als ein Viertel der Wellenlänge im umgebenden Medium Luft gewählt, die Dicke c einer Einheit des Spitzenmaterials ist als ein Viertel der Wellenlänge λeff im nanoskaligen Spitzenmaterial gewählt. Der Abstand a der ersten Einheit des umgebenden Mediums (Einschnitt 6a) vom vordersten Ende bzw. vom Apex 2 der Spitze 1 ist so gewählt, dass er hier einem ganzzahligen Vielfachen der effektiven Wellenlänge λeff im Spitzenmaterial Gold entspricht. Die Anzahl der Perioden s sollte mindestens 3 betragen (und ist hier gleich 9).The period p of the Bragg reflector is the sum of the thickness c of a unit of the tip material and the thickness b of a unit (incision 6 ) of the surrounding medium air. The thickness b of a unit of the surrounding medium (incision 6 ) is doing as a quarter of the wavelength in the surrounding Medium air selected, the thickness c of a unit of the tip material is chosen as a quarter of the wavelength λ eff in the nanoscale peak material. The distance a of the first unit of the surrounding medium (incision 6a ) from the foremost end or the apex 2 the top 1 is chosen to be an integer multiple of the effective wavelength λ eff in the peak gold material. The number of periods s should be at least 3 (and equals 9 here).

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Spitze 1, die grundsätzlich ebenso wie die in 1 gezeigte Spitze ausgeformt ist (und demgemäß auch entsprechend herstellbar ist), so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede beschrieben werden. 2 shows a further embodiment of a tip according to the invention 1 that basically as well as the in 1 shown tip is formed (and accordingly also can be produced accordingly), so that only the differences are described below.

Sind in 1 die Einschnitte 6a bis 6d senkrecht zur Spitzenachse 9 ausgeführt, so sind die Einschnitte 6a bis 6d in 2 nicht unter einem Winkel von 90°, sondern unter einem Winkel von lediglich 52° bzgl. der Spitzehauptachse ausgeführt. Dieser Winkel wird dabei zwischen den Mittelachsen der hier ebenfalls parallel zueinander eingebrachten Strukturen 6a bis 6d einerseits und der Achse 9 andererseits gemessen, wobei als Achsrichtung 9 die Richtung vom Boden der Spitze 1 hin zum Apex 2 derselben verwendet wird. Die Tiefe d der Einschnitte 6a bis 6d ist hier im Gegensatz zum in 1 gezeigten Fall konstant und beträgt d = 80 nm. Desweiteren gilt a = 500 nm, b = 165 nm, c = 125 nm und m = b + c = 290 nm. m = b + c ist hier periodisch. 2 zeigt somit einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Spitze 1, bei der die Ebene des gezeigten Querschnitts (dies gilt ebenso für 1A) die Symmetrieachse 9 der Spitze 1 enthält. Die Spitze 1 ist auch im in 2 gezeigten Fall rotationssymmetrisch um diese Achse 9. Dargestellt sind der Abstand a der erste Einheit 6a des umgebenden Mediums (Luft) vom vordersten Ende 2 der Spitze 1, die Dicke b der Einheiten 6a bis 6d des umgebenden Mediums, die Dicke c der Einheiten des Spitzenmaterials zwischen jeweils benachbarten Einheiten 6 sowie die Tiefe d der einzelnen Einschnitte 6a bis 6d, die hier konstant ist. Die Tiefe d der Einschnitte 6 ist dabei so gewählt, dass die verbleibende Struktur der Spitze 1 eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, was vom Spitzenmaterial (hier Gold) abhängt. Die Einschnitte 6 sind in 2 in einem bestimmten Winkel zur Spitzenachse 9 ausgeführt, wobei sie z. B. insbesondere auch (hier nicht gezeigt) senkrecht zur Mantelfläche 7 der Spitze 1 eingebracht sein können,Are in 1 the cuts 6a to 6d perpendicular to the tip axis 9 executed, so are the cuts 6a to 6d in 2 not at an angle of 90 ° but at an angle of only 52 ° with respect to the tip major axis. This angle is thereby between the central axes of the here also parallel to each other introduced structures 6a to 6d on the one hand and the axle 9 on the other hand, being measured as the axial direction 9 the direction from the bottom of the top 1 to the apex 2 the same is used. The depth d of the cuts 6a to 6d is here in contrast to in 1 Furthermore, a = 500 nm, b = 165 nm, c = 125 nm and m = b + c = 290 nm. In this case, m = b + c is periodic. 2 thus shows a cross section through another tip according to the invention 1 in which the plane of the cross section shown (this also applies to 1A ) the symmetry axis 9 the top 1 contains. The summit 1 is also in the 2 shown case rotationally symmetric about this axis 9 , Shown are the distance a of the first unit 6a of the surrounding medium (air) from the foremost end 2 the top 1 , the thickness b of the units 6a to 6d the surrounding medium, the thickness c of the units of the tip material between adjacent units 6 and the depth d of each incision 6a to 6d that is constant here. The depth d of the cuts 6 is chosen so that the remaining structure of the top 1 has sufficient mechanical stability, which depends on the top material (here gold). The cuts 6 are in 2 at a certain angle to the tip axis 9 executed, wherein z. B. in particular also (not shown here) perpendicular to the lateral surface 7 the top 1 can be introduced

3 und 4 zeigen, wie die in 2 gezeigte Spitze 1 (und somit auch die in 1 gezeigte Spitze) hergestellt werden kann. Identische Bezugszeichen in den 3A und 3B bezeichnen dabei identische Merkmale zu 2 (bzw. 1). 3 and 4 show how the in 2 pointed tip 1 (and therefore the in 1 shown tip) can be produced. Identical reference numerals in the 3A and 3B denote identical features 2 (respectively. 1 ).

Gemäß 3 und 4 soll erfindungsgemäß eine für das SNOM-Verfahren einsetzbare Spitze 1 hergestellt werden. Ein solches spitzenverstärktes SNOM-Verfahren benötigt sehr starke lokale elektromagnetische Felder nahe der mittels eines Lasers beleuchteten scharfen Metallspitze 1, um die Nahfeldantwort einer abzutastenden Probe optimal zu erfassen. Um einen möglichst hohen Bildkontrast zu erzielen, muss jedoch das Nahfeldsignal den Signalhintergrundbeitrag (der sich aus der Fernfeldanregung und der Detektion des Fernfeldes ergibt) überschreiten. Zur erfindungsgemäßen Optimierung der Auflösung bei der spitzenverstärkten SNOM spielt die exakte Lokalisierung der Emission des elektromagnetischen Feldes aus der Spitze 1 eine wesentliche Rolle. Erfindungsgemäß werden daher das Nahfeld-zu-Fernfeld-Signalverhältnis und der Einschluss der Oberflächenplasmonen beispielsweise für elektrochemisch geätzte konische bzw. kegelförmige Goldspitzen durch Strukturierung dieser Spitzen (wie in 3 und 4 gezeigt) mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB-Technik von englisch focused ion beam) im Nanometerbereich verbessert.According to 3 and 4 According to the invention, a tip that can be used for the SNOM method should be used 1 getting produced. Such a peak-enhanced SNOM process requires very strong local electromagnetic fields near the laser-etched sharp metal tip 1 to optimally capture the near field response of a sample to be scanned. In order to achieve the highest possible image contrast, however, the near field signal must exceed the signal background contribution (resulting from the far field excitation and the detection of the far field). To optimize the resolution of the peak-enhanced SNOM according to the invention, the exact localization of the emission of the electromagnetic field from the tip plays 1 an essential role. According to the invention, therefore, the near-field to far-field signal ratio and the inclusion of the surface plasmons, for example, for electrochemically etched conical or conical gold peaks by structuring these peaks (as in 3 and 4 shown) with a focused ion beam (FIB technique of English focused ion beam) in the nanometer range improved.

Von besonderem erfindungsgemäßen Vorteil ist es dabei, die erfindungsgemäßen Bragg-Reflektoren 8 für die Oberflächenplasmonen um den gesamten Kegel der Spitze 1 herum in einer genau definierten Distanz vom Apex 2 der Spitze 1 herauszustrukturieren, um Antennenstrukturen endlicher Länge mit dem Ziel eines effizienteren elektromagnetischen Feldeinschlusses nachzuahmen. Erfindungsgemäß lässt sich damit eine Erhöhung im elektromagnetischen Feldeinschluss von 60% erzielen, wie Photolumineszenzspektren, die vor und nach der erfindungsgemäßen FIB-Modifikation aufgenommen wurden, zeigen. Neben der Auflösung wird erfindungsgemäß auch der Kontrast erhöht, so dass sich beispielsweise für eine die erfindungsgemäße Spitze einsetzende TENOM-Vorrichtung eine erhöhte Nachweisempfindlichkeit (und somit ein breiterer Einsatzbereich) ergibt.It is of particular advantage according to the invention, the Bragg reflectors according to the invention 8th for the surface plasmons around the entire cone of the tip 1 around at a well-defined distance from the apex 2 the top 1 to mimic antenna structures of finite length for the purpose of more efficient electromagnetic field confinement. According to the invention, an increase in the electromagnetic field confinement of 60% can thus be achieved, as photoluminescence spectra recorded before and after the FIB modification according to the invention show. In addition to the resolution, the contrast is also increased according to the invention, so that, for example, an increased detection sensitivity (and thus a broader range of application) results for a TENOM device which inserts the tip according to the invention.

Der erfindungsgemäß hergestellte Bragg-Reflektor 8 für Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs für englisch surface plasmon polaritons) ist dabei eine periodische Stapelung verschiedener Regionen mit abwechselnden Brechungsindizes. Der Bragg-Reflektor 8 reflektiert SPPs, die sich in der Richtung auf den Reflektor zubewegen aufgrund von Interferenzeffekten. Für die genaue Wahl des Abstandes zwischen dem Apex 2 einerseits und dem Bragg-Reflektor 8 (bzw. dessen vom Apex 2 aus gesehen erster Struktur 6a) andererseits, der die Länge der resultierenden Antenne festlegt, wird wie bereits beschrieben die Verringerung der Vakuumwellenlänge λ in kleinen metallischen (Nano-)Strukturen auf die Wellenlänge λeff berücksichtigt.The Bragg reflector produced according to the invention 8th for surface plasmon polaritons (SPPs) is a periodic stacking of different regions with alternating refractive indices. The Bragg reflector 8th reflects SPPs moving toward the reflector due to interference effects. For the exact choice of the distance between the apex 2 on the one hand and the Bragg reflector 8th (or from the apex 2 seen from first structure 6a On the other hand, determining the length of the resulting antenna, as already described, the reduction of the vacuum wavelength λ in small metallic (nano) structures to the wavelength λ eff is considered.

Für das in den 3 und 4 gezeigte Beispiel wird nachfolgend eine Wellenlänge von λ = 660 nm ≈ λmed (wobei das Medium der Einschnitte 6a bis 6d Luft ist) ausgewählt. Wellenlängen um diesen Wert von λ = 660 nm werden oft für TENOM-Experimente verwendet. Damit ergibt sich eine effektive Wellenlänge für die, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben, hergestellte Struktur in den 3 und 4 von λeff = 500 nm (Goldspitze 1). Die Periode p des Gitters 4 bzw. 8 wird dabei so gewählt, dass sie der Summe zweier Viertel-Wellenlängen in den beiden Medien Luft und Gold entspricht. Die detaillierte Struktur der Perioden ist dabei so gewählt, dass die Goldstege (Goldschichten zwischen den Einschnitten 6a bis 6d) eine Breite c von 125 nm (= 500/4 nm) aufweisen. Die Einschnitte bzw. Luftschichten 6a bis 6d haben eine Breite b von 165 nm (= 660 nm/4). Für m ergibt sich somit als Summe m = b + c ein Wert von m = 290 nm. Der Abstand a des ersten Einschnittes 6a des Bragg-Gitters 8 vom Apex 2, der die Länge der Antenne bestimmt, wird in den 3 und 4 auf a = 500 nm gesetzt, was somit genau einer effektiven Wellenlänge λeff entspricht. Ein entsprechender Querschnitt ist in 3B gezeigt. For that in the 3 and 4 Example shown below is a wavelength of λ = 660 nm ≈ λ med (where the medium of the incisions 6a to 6d Air is selected). Wavelengths around this value of λ = 660 nm are often used for TENOM experiments. This results in an effective wavelength for the, as described in more detail below, produced structure in the 3 and 4 of λ eff = 500 nm (gold peak 1 ). The period p of the grid 4 respectively. 8th is chosen so that it corresponds to the sum of two quarter-wavelengths in the two media air and gold. The detailed structure of the periods is chosen so that the gold bars (gold layers between the incisions 6a to 6d ) have a width c of 125 nm (= 500/4 nm). The cuts or air layers 6a to 6d have a width b of 165 nm (= 660 nm / 4). Thus, for m, the sum m = b + c results in a value of m = 290 nm. The distance a of the first incision 6a of the Bragg grid 8th from the apex 2 , which determines the length of the antenna, is in the 3 and 4 set to a = 500 nm, which corresponds to exactly one effective wavelength λ eff . A corresponding cross section is in 3B shown.

Als Startmaterial zum Herstellen der Spitze 1 wurden Golddrähte des Durchmessers 100 μm gewählt. Diese Golddrähte wurden in Salzsäure-Lösung (Chlorwasserstoffsäure-Lösung) so geätzt, dass sich die in 3A gezeigte konische bzw. kegelförmige Struktur der Spitze 1 mit einem Apex 2 eines Krümmungsradius von etwa 10 nm ergibt. Das entsprechende Vorgehen ist dem Fachmann bekannt aus Rev. Sci. Instr. 75,837 (2004); doi: 10.1063/1.1688442; Preparation of gold tips suitable for tip-enhanced Raman Spectroscopy and light emission by electrochemical etching; Bin Ren, Gennaro Picardi, Bruno Pettinger . In einem nachfolgenden Schritt wurden die Strukturen 6a bis 6d mit Hilfe eines FEI-Helios 600 Zweistrahlsystems bearbeitet, das aus einem fokussierten Ionenstrahl und einem Rasterelektronenmikroskop REM besteht. Die Methode des fokussierten Ionenstrahls FIB wurde erfindungsgemäß eingesetzt, da die spezielle zu erzielende Geometrie der Spitzen 1 mit nahe am Apex strukturierten Gittern 4, 8, die den gesamten Umfang der Spitze umgeben, ein Werkzeug zur dreidimensionalen Nanostrukturierung notwendig macht. Das verwendete FIB-System bietet darüberhinaus eine hohe Flexibilität und eine schnelle Anpassung der Bearbeitungsparameter während des Herstellungsprozesses.As starting material for making the tip 1 were selected gold wires of diameter 100 microns. These gold wires were etched in hydrochloric acid solution (hydrochloric acid solution) so that the in 3A shown conical or conical structure of the tip 1 with an apex 2 a radius of curvature of about 10 nm. The corresponding procedure is known to the person skilled in the art Rev. Sci. Instr. 75,837 (2004); doi: 10.1063 / 1.1688442; Raman Spectroscopy and light emission by electrochemical etching; Bin Ren, Gennaro Picardi, Bruno Pettinger , In a subsequent step, the structures were 6a to 6d using a FEI Helios 600 two-beam system processed, which consists of a focused ion beam and a scanning electron microscope SEM. The method of the focused ion beam FIB was used according to the invention, since the specific geometry of the tips to be achieved 1 with grids structured close to the apex 4 . 8th surrounding the entire circumference of the tip, a tool for three-dimensional nanostructuring necessary. In addition, the FIB system used offers a high degree of flexibility and rapid adaptation of the machining parameters during the manufacturing process.

Im hier verwendeten Zweistrahlsystem ist die Ionensäule unter einem Winkel von 52° relativ zur Elektronensäule bzw. zum Elektronenstrahl ausgerichtet (3A). Der Probenhalter kann um 360° rotiert werden und um bis zu 52° gekippt werden. Zur FIB-Prozessierung wurden die bereits geätzten Spitzen auf dem Probenhalter so angeordnet, dass der Apex 2 der Spitzen 1 unmittelbar zur Elektronensäule zeigt. In diesem Fall ist der Winkel zwischen der Ionensäule und der Symmetrieachse 9 der Spitze 1 52°. Demgemäß beträgt der Winkel zwischen der Oberfläche 7 der Spitze 1 und der Ionensäule 61° für den in 3A gezeigten mittleren Öffnungswinkel der Spitze 1 von 18° (doppelter Winkel zwischen Symmetrieachse 9 und Mantelfläche 7). Berücksichtigt man diese geometrischen Verhältnisse, so beträgt die Periode im FIB-Muster (zum Herausstrukturieren der gewünschten Periode m = 290 nm) gm = m·cos(29°) = 290 nm·cos(29°) ≈ 254 nm.In the two-beam system used here, the ion column is oriented at an angle of 52 ° relative to the electron column or to the electron beam ( 3A ). The sample holder can be rotated 360 ° and tilted up to 52 °. For FIB processing, the already etched tips were placed on the sample holder such that the apex 2 the tips 1 pointing directly to the electron column. In this case, the angle between the ion column and the axis of symmetry 9 the top 1 52 °. Accordingly, the angle between the surface is 7 the top 1 and the ion column 61 ° for the in 3A shown average opening angle of the tip 1 of 18 ° (double angle between symmetry axis 9 and lateral surface 7 ). Taking into account these geometrical relationships, the period in the FIB pattern (to structure out the desired period m = 290 nm) is g m = m · cos (29 °) = 290 nm · cos (29 °) ≈ 254 nm.

Gemäß der nachfolgenden Gleichung wird der Abstand ga des ersten Einschnittes vom Apex 2 im FIB-Muster auf 432 nm gesetzt. Dieser Abstand ga ist die Projektion, die von der Ionenquelle aus gesehen wird, von der Projektion der Länge a auf die Oberfläche 7 der Spitze 1. Dabei gilt ga = a·cos(9°)·cos(29°) = 500 nm·cos(9°)·cos(29°) ≈ 432 nm.According to the following equation, the distance g a of the first incision from the apex 2 set to 432 nm in the FIB pattern. This distance g a is the projection seen from the ion source, from the projection of the length a to the surface 7 the top 1 , In this case, g a = a · cos (9 °) · cos (29 °) = 500 nm · cos (9 °) · cos (29 °) ≈ 432 nm.

Eine lineare Näherung in den Mustern wird dazu verwendet, die gekrümmte Oberfläche der Spitze 1 ebenso wie den Winkel zwischen der Spitzenachse 9 und dem Ionenstrahl zu kompensieren.A linear approximation in the patterns is used to define the curved surface of the tip 1 as well as the angle between the tip axis 9 and compensate for the ion beam.

Die Einschnitte 6 wurden dadurch hergestellt, dass sie in zwei Teile aufgespalten wurden, die jeweils um denselben Winkel von 45° in unterschiedliche Richtungen rotiert wurden, so dass sich mehrere V-förmige Bearbeitungsmuster ergeben. Die Bearbeitungsmuster wurden auf die Spitze 1 ausgerichtet, so dass die Symmetrieachse der V-Form kongruent mit der Symmetrieachse des Bildes der Spitze ist (gesehen aus Richtung der Ionenquelle). 4 zeigt eine entsprechende Skizze des FIB-Musters und der Spitze (Blickrichtung entlang der Richtung des Ionenstrahls). In 4 entsprechen die dicken schwarzen Linien dem FIB-Muster, d. h. denjenigen Bereichen, über die der Ionenstrahl während der materialabtragenden FIB-Bearbeitung bewegt wird. Dieses Muster wird von einer Seite der Spitze heraus strukturiert, dann wird die Spitze 1 um 180° um die Spitzenachse 9 rotiert, so dass ein identisches Muster (ausgerichtet auf die bereits eingebrachten Strukturen) von der zweiten Seite aus eingebracht werden kann. Hierdurch ergibt sich eine die Mantelfläche 7 in Umfangsrichtung vollständig, also in 360° Konfiguration, umgebende Struktur 6.The cuts 6 were made by splitting them into two parts, each rotated at the same angle of 45 ° in different directions, resulting in several V-shaped machining patterns. The processing patterns were on the top 1 so that the symmetry axis of the V-shape is congruent with the axis of symmetry of the image of the tip (seen from the direction of the ion source). 4 shows a corresponding sketch of the FIB pattern and the tip (viewing direction along the direction of the ion beam). In 4 The thick black lines correspond to the FIB pattern, ie those areas over which the ion beam is moved during material-removing FIB processing. This pattern is structured from one side of the top, then the top becomes 1 180 ° around the top axis 9 rotated, so that an identical pattern (aligned with the already introduced structures) can be introduced from the second side. This results in a lateral surface 7 in the circumferential direction completely, so in 360 ° configuration, surrounding structure 6 ,

Im in 3 und 4 gezeigten Fall wurde ein Ionenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 30 kV und den niedrigst möglichen Ionenströmen der Ionenquelle von 1,5 pA und 9,7 pA verwendet. Diese Werte ermöglichen das Herausstrukturieren von feinen Details aus dem Material der Spitze 1 mit einem geringen Strahldurchmesser, so dass sich auch der Vorteil einer Minimierung von Beschädigungen in der Spitze 1 aufgrund von Ionenstrahlverbreiterungen in Regionen hinein, die gar nicht bearbeitet werden sollen, ergibt. Der geringe Strahlstrom minimiert darüberhinaus unerwünschte Erhitzungseffekte, die ansonsten ggf. für das geringe zu bearbeitende Volumenmaterial der Spitze 1 insbesondere am Apex 2 kritisch werden könnten. Der Apex 2 wird im Gegenteil sogar zunehmend thermisch isoliert, nachdem die ersten Strukturen eingebracht worden sind, da eine Wärmeableitung nur noch durch das dünnere, stehenbleibende Material erfolgt.Im in 3 and 4 In the case shown, an ion beam with an acceleration voltage of 30 kV and the lowest possible ion currents of the ion source of 1.5 pA and 9.7 pA was used. These values enable the structuring of fine details from the material of the tip 1 with a low beam diameter, so that also has the advantage of minimizing damage in the tip 1 due to ion beam broadening into regions that should not be processed at all. The low beam current also minimizes undesirable heating effects that may otherwise be due to the low volume material to be processed on the tip 1 especially at the apex 2 could become critical. The apex 2 On the contrary, it is even increasingly thermally insulated after the first structures have been introduced, since heat dissipation takes place only through the thinner, remaining material.

Ein Starten der materialabtragenden Bearbeitung am Apex 2 und ein dann fortgesetztes Abarbeiten des Schafts 3 in Richtung zum Schaftboden ist aufgrund von Redepositionsproblemen keine Option. Aus diesem Grunde wurden die Strukturen im Parallelmodus herausgearbeitet, was bedeutet, dass das Muster 6a bis 6d in noch nicht ausreichender Tiefe komplett eingebracht wird, wobei dann ein erneutes Scannen unter Verwendung mehrerer Strahldurchgänge erfolgt. Mehrere Strahldurchgänge haben dabei den Vorteil, die Redepositionseffekte des bereits abgetragenen Materials zu verhindern, die ansonsten zu weniger idealen Spitzenformen führen würden. Die einzelnen Einschnitte 6a bis 6d wurden unter Verwendung von Linien-FIB-Bearbeitungsmustern herausstrukturiert. Die Breiten und Tiefen der Einschnitte 6 wurden durch geeignet gewählte Bearbeitungszeiten und durch mehrfaches Anwenden der Muster an benachbarten Positionen (was eine bessere Steuerung der Details des Herausarbeitens und über die herauspräparierten Profile der Einschnitte ergibt) angepasst. Dabei wurden Bearbeitungszeiten für das in 4 gezeigte FIB-Bearbeitungsmuster zwischen 9 s und 40 s untersucht. Abstände gm im FIB-Muster zwischen 240 nm und 360 nm wurden herauspräpariert, um die Anpassung an die effektive Wellenlänge λeff zu ermöglichen. Die Muster wurden bis 1 μm weiter weg vom Spitzenmaterial bzw. weg von der ursprünglichen Spitze ausgedehnt, um den Strahl gradlinig von der Spitzenoberfläche 7 wegzubewegen und um eine Zeitperiode zu ermöglichen, während der der Strahl die Oberfläche nicht beeinflusst. Hierdurch ergibt sich eine zusätzliche Zeit zur Wärmeableitung und führt dazu, dass sich Probleme eines Materialabtrags in Regionen, die gar nicht bearbeitet werden sollen, vermeiden lassen.Starting the material-removing processing on the apex 2 and then continued working off the shaft 3 towards the shaft bottom is not an option due to redeposition problems. For this reason, the structures were worked out in parallel mode, which means that the pattern 6a to 6d is completely introduced in insufficient depth, in which case a rescanning using multiple beam passes takes place. Multiple beam passes have the advantage of preventing the redeposition effects of the already abraded material that would otherwise result in less ideal tip shapes. The individual cuts 6a to 6d were structured using line FIB processing patterns. The widths and depths of the cuts 6 were adjusted by suitably selected processing times and by applying the patterns to adjacent positions multiple times (giving better control over the details of the working out and over the prepared profiles of the cuts). Thereby processing times for the in 4 examined FIB processing pattern between 9 s and 40 s. Distances g m in the FIB pattern between 240 nm and 360 nm were prepared to allow for adjustment to the effective wavelength λ eff . The patterns were extended to 1 μm farther away from the tip material or away from the original tip to direct the beam straight from the tip surface 7 move away and allow for a period of time during which the beam does not affect the surface. This results in additional time for heat dissipation and leads to avoid problems of material removal in regions that are not to be processed at all.

Da es bei dem SNOM-Verfahren notwendig ist, die Spitzen 1 in geringem Abstand über die Probenoberfläche zu bewegen, ist eine mindestens gute mechanische Stabilität der Spitzen 1 notwendig. Demgemäß wurde die Tiefe d der einzelnen Einschnitte 6a bis 6d zwar ausreichend tief gewählt, um den notwendigen Reflexionseffekt am Bragg-Gitter 8 zu erzielen, jedoch andererseits nicht so tief, dass die mechanische Stabilität der Spitze 1 nicht mehr gegeben ist. Beispielsweise zeigt eine Tiefe von d = 80 nm beim in den 2 und 3B gezeigten Fall gute Resultate.Since it is necessary in the SNOM method, the tips 1 To move a small distance over the sample surface is at least a good mechanical stability of the tips 1 necessary. Accordingly, the depth d of the individual cuts became 6a to 6d Although chosen to be sufficiently deep, the necessary reflection effect on the Bragg grating 8th on the other hand, not so deep that the mechanical stability of the tip 1 no longer exists. For example, a depth of d = 80 nm when in the 2 and 3B good results.

5A und 5B und 6A und 6B zeigen zwei erfindungsgemäß hergestellte Spitzen 1. Alle Bilder wurden unter einem Winkel von 52° zur Achse 9 der Spitze 1 aufgenommen. Die Figuren A zeigen jeweils die herausgeätzten Spitzen vor der Bearbeitung mit dem Ionenstrahl. Die Spitze in 5B zeigt Strukturen 6 mit einer Tiefe von d = 80 nm, wohingegen die Spitze in 6B eine Tiefe von d < 20 nm zeigt. Für beide Spitzen 1 liegt die Periodizität gm der benutzten Bearbeitungsmuster bei gm = 280 nm. 5A and 5B and 6A and 6B show two tips made according to the invention 1 , All images were at an angle of 52 ° to the axis 9 the top 1 added. Figures A respectively show the etched-out tips before processing with the ion beam. The top in 5B shows structures 6 with a depth of d = 80 nm, whereas the peak in 6B shows a depth of d <20 nm. For both tips 1 is the periodicity g m of the used processing pattern at g m = 280 nm.

Zur optischen Charakterisierung wurden Photolumineszenz-Rasterbilder (PL-Bilder) und -spektren jeweils vor und nach der Strukturierung der Spitzen 1 mit dem Ionenstrahl aufgenommen. Die Spitzen wurden dazu auf einen piezoelektrischen Positionierer/Versteller montiert und mit einem Laserstrahl mit gaußförmigem Profil, der senkrecht zu ihrer Symmetrieachse orientiert war, angeregt. In den PL-Bildern der noch nicht ionenstrahlstrukturierten Spitzen sind die Konturen mit nahezu einheitlichen Photolumineszenzintensitäten sichtbar, vgl. 7A und 8A. Nach der Strukturierung mit FIB zeigt die Spitze aus 5B (vgl. 7B) ein stark lokalisiertes Photolumineszenzsignal am Apex 2 der Spitze 1, das das Signal vom Schaft 3 der Spitze 1 deutlich übertrifft (vgl. 7B). Der Effekt ist insbesondere auch deswegen als sehr deutlich ausgeprägt zu beurteilen, da das jeweils abgebildete Goldvolumen des Apexes 2 einerseits und des Schafts 3 andererseits stark unterschiedlich ist. Es zeigt sich somit sehr deutlich eine starke lokale Felderhöhung am Apex 2. Andererseits zeigt sich für die in 6B gezeigte Spitze 1 keine wesentliche Erhöhung im Kontrast des Photolumineszenzsignals nach der FIB-Bearbeitung, da das Photolumineszenzbild immer noch durch eine Emission aus dem Schaft bestimmt wird, vgl. hierzu 8B. Das unterschiedliche Verhalten der beiden Spitzen in 5B/7B einerseits und in 6B/8B andererseits lässt sich somit auf die unterschiedliche Profilierung der Gitterstrukturen 4, 8 zurückführen. Sind z. B. die Tiefen d der eingebrachten Strukturen 6 zu gering, so ergibt sich keine wesentliche Bragg-Reflexion. Mit der in 5B/7B gezeigten Spitze ließ sich eine Kontrastverbesserung um den Faktor 3.3 erzielen.For optical characterization, photoluminescence (PL) images and spectra were taken before and after peak patterning, respectively 1 recorded with the ion beam. The tips were mounted on a piezoelectric positioner / stage and excited with a Gaussian profile laser beam oriented perpendicular to its axis of symmetry. The contours with almost uniform photoluminescence intensities are visible in the PL images of the tips, which are not yet ion-beam-patterned, cf. 7A and 8A , After structuring with FIB, the tip shows off 5B (see. 7B ) a strongly localized photoluminescence signal at the apex 2 the top 1 that the signal from the shaft 3 the top 1 significantly surpasses (cf. 7B ). The effect is therefore also to be assessed as very distinct, since the gold volume of the apex depicted in each case 2 one hand and the shaft 3 on the other hand is very different. It shows thus very clearly a strong local field increase at the apex 2 , On the other hand, for the in 6B pointed tip 1 no significant increase in the contrast of the photoluminescence signal after FIB processing, since the photoluminescence image is still determined by an emission from the shaft, cf. For this 8B , The different behavior of the two peaks in 5B / 7B on the one hand and in 6B / 8B On the other hand, it is thus possible to differentiate the lattice structures 4 . 8th traced. Are z. B. the depths d of the introduced structures 6 too low, there is no significant Bragg reflection. With the in 5B / 7B The peak showed a contrast improvement of 3.3.

Um die Herkunft der hellen Photolumineszenz in 7B vom Apex 2 zu klären, wurden Spektren an unterschiedlichen Positionen entlang der Spitze 1 bzw. des Schafts 3 derselben aufgenommen. 9 zeigt diese Spektren für die in den 5B/7B gezeigte Spitze am Schaft (Kreise), vom Apex 2 vor (Rechtecke) und vom Apex 2 nach der FIB-Strukturierung (Dreiecke). Zu sehen ist eine deutlich Erhöhung der Intensität um eine Wellenlänge von 650 nm herum am Apex 2 nach der FIB-Strukturierung. Die breite spektrale Erhöhung hängt mit der Plasmonresonanz, die durch den Bragg-Reflektor 8 erhöht wurde, zusammen. Das Spektrum entlang des Schafts 3 ändert sich demgegenüber in Abhängigkeit von der Spitzenmodifikation nicht.To determine the origin of bright photoluminescence in 7B from the apex 2 To clarify, spectra were at different positions along the top 1 or the shaft 3 same recorded. 9 shows these spectra for those in the 5B / 7B pointed tip on the shaft (circles), from the apex 2 before (rectangles) and from the apex 2 after the FIB structuring (triangles). There is a significant increase in intensity around a wavelength of 650 nm around the apex 2 after the FIB structuring. The broad spectral enhancement depends on the plasmon resonance produced by the Bragg reflector 8th was raised, together. The spectrum along the shaft 3 In contrast, it does not change depending on the tip modification.

Erfindungsgemäß konnten somit kegelförmige Festkörperspitzen, die aus einem einzigen leitfähigen Material, insbesondere einem Edelmetall wie beispielsweise Gold oder Silber bestehen, herausstrukturiert werden. Die Optimierung von konventionellen geätzten Goldspitzen gemäß der Erfindung für die optische Abbildung von Proben mit Sub-Wellenlängenauflösung bis hinunter in den Nanometerbereich wurde somit erfolgreich nachgewiesen. Zum verbesserten Feldeinschluss wurde in einem definierten Abstand vom Apex der Spitzen ein Bragg-Gitter von allen Seiten in die Spitze einstrukturiert. Der resultierende Bragg-Reflektor führt zu einer starken Felderhöhung am Apex.According to the invention, cone-shaped solid-state tips which consist of a single conductive material, in particular a noble metal such as, for example, gold or silver, could thus be structured out. The optimization of conventional etched gold tips according to the invention for the optical imaging of samples with sub-wavelength resolution down to the nanometer range has thus been successfully demonstrated. For improved field confinement, a Bragg grating was patterned from all sides into the tip at a defined distance from the apex of the tips. The resulting Bragg reflector leads to a strong field increase at the apex.

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  • D. W. Pohl, W. Denk, M. Lanz, Appl. Phys. Lett. 44 (1984) 651–653 [0004] DW Pohl, W. Denk, M. Lanz, Appl. Phys. Lett. 44 (1984) 651-653 [0004]
  • A. Bek, R. Vogelgesang, K. Kern, Rev. Sci. 77 (2006), 043703 [0005] A. Bek, R. Vogel Gesang, K. Kern, Rev. Sci. 77 (2006), 043703 [0005]
  • C. Hoeppener, R. Beams, L. Novotny, Nano Lett. 9 (2009), 903–908 [0006] C. Hoeppener, R. Beams, L. Novotny, Nano Lett. 9 (2009), 903-908 [0006]
  • T. H. Taminiau, F. D. Stefani, F. B. Segerink, N. F. v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234–237 [0007] TH Taminiau, FD Stefani, FB Segerink, NF v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234-237 [0007]
  • F. I. Baida, A. Belkhir, Plasmonics 4 (2009), 51–59 [0008] FI Baida, A. Belkhir, Plasmonics 4 (2009), 51-59. [0008]
  • T. H. Taminiau, F. D. Stefani, F. B. Segerink, N. F. v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234–237 [0009] TH Taminiau, FD Stefani, FB Segerink, NF v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234-237 [0009]
  • L. Novotny „Effective Wavelength Scaling for Optical Antennas”, Physical Review Letters, PRL 98, 266802-1 bis 266802-4 (Juni 2007) [0018] L. Novotny "Effective Wavelength Scaling for Optical Antennas", Physical Review Letters, PRL 98, 266802-1 to 266802-4 (June 2007) [0018]
  • L. Novotny [0021] L. Novotny [0021]
  • L. Novotny [0044] L. Novotny [0044]
  • Rev. Sci. Instr. 75,837 (2004); doi: 10.1063/1.1688442; Preparation of gold tips suitable for tip-enhanced Raman Spectroscopy and light emission by electrochemical etching; Bin Ren, Gennaro Picardi, Bruno Pettinger [0055] Rev. Sci. Instr. 75,837 (2004); doi: 10.1063 / 1.1688442; Raman Spectroscopy and light emission by electrochemical etching; Bin Ren, Gennaro Picardi, Bruno Pettinger [0055]

Claims (13)

Spitze (1) zum Erzeugen einer hohen, stark lokalisierten elektromagnetischen Feldstärke, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (1) in einem vordefinierten Abstand a von ihrem Scheitelpunkt (Apex 2) in ihrem Schaft (3) einen Reflektor (4) aufweist.Top ( 1 ) for generating a high, strongly localized electromagnetic field strength, characterized in that the tip ( 1 ) at a predefined distance a from its vertex (Apex 2 ) in her shaft ( 3 ) a reflector ( 4 ) having. Spitze nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) innerhalb des Schafts (3) der Spitze (1) ausgebildet ist und entlang des überwiegenden Teils des Umfangs (5) dieses Schafts (3) ausgebildet ist, also über einen Umfangswinkel α von größer 180°, bevorzugt von ≥ 270°, bevorzugt von ≥ 330°, bevorzugt von ≥ 350°, besonders bevorzugt entlang des vollständigen Umfangs (5) des Schafts (3) der Spitze (1) ausgebildet ist.Tip according to the preceding claim, characterized in that the reflector ( 4 ) within the shaft ( 3 ) the top ( 1 ) and along the major part of the circumference ( 5 ) of this shaft ( 3 ), ie over a circumferential angle α of greater than 180 °, preferably of ≥ 270 °, preferably of ≥ 330 °, preferably of ≥ 350 °, particularly preferably along the complete circumference ( 5 ) of the shaft ( 3 ) the top ( 1 ) is trained. Spitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vordefinierte Abstand a des Reflektors (4) vom Apex (2), der insbesondere dem Abstand einer zum Apex (2) nächstliegenden Reflektorstruktur (5a) des Reflektors (4), insbesondere einer Einkerbung, vom Apex (2) entspricht, einem 1/m-fachen oder einem n-fachen (mit m, n als natürlicher Zahl ohne 0) der beim Beleuchten der Spitze (1) mit dem Licht einer im Vakuum mit der Wellenlänge λ emittierenden Lichtquelle, bevorzugt einer lediglich diese Wellenlänge λ emittierenden monochromatischen Lichtquelle, bevorzugt eines Lasers, resultierenden effektiven Wellenlänge λeff in der Spitze (1) entspricht, wobei n bevorzugt 1 oder 2 ist und wobei m bevorzugt 2 oder 4 ist, und/oder dass der vordefinierte Abstand a des Reflektors (4) vom Apex (2), der insbesondere dem Abstand einer zum Apex (2) nächstliegenden Reflektorstruktur (6a) des Reflektors (4), insbesondere einer Einkerbung, vom Apex (2) entspricht, kleiner als 10 μm, bevorzugt kleiner als 3 μm, bevorzugt kleiner als 1.5 μm ist.Tip according to one of the preceding claims, characterized in that the predefined distance a of the reflector ( 4 ) from the apex ( 2 ), in particular the distance to the apex ( 2 ) closest reflector structure ( 5a ) of the reflector ( 4 ), in particular a notch, from the apex ( 2 ), a 1 / m-fold or an n-fold (with m, n as a natural number without 0) that when lighting the top ( 1 ) with the light of a light source emitting in the vacuum at the wavelength λ, preferably a monochromatic light source emitting only this wavelength λ, preferably a laser, resulting effective wavelength λ eff in the tip ( 1 ), where n is preferably 1 or 2 and where m is preferably 2 or 4, and / or that the predefined distance a of the reflector ( 4 ) from the apex ( 2 ), in particular the distance to the apex ( 2 ) closest reflector structure ( 6a ) of the reflector ( 4 ), in particular a notch, from the apex ( 2 ), less than 10 microns, preferably less than 3 microns, preferably less than 1.5 microns. Spitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) innerhalb des Schafts (3) mehrere, bevorzugt mindestens drei, mindestens vier oder mindestens fünf, entlang des Umfangs (5) desselben (3) verlaufende Reflektorstrukturen (6a–d), insbesondere Einkerbungen, mit einem im Vergleich zum Material der Spitze (1) geänderten Brechungsindex umfasst.Tip according to one of the preceding claims, characterized in that the reflector ( 4 ) within the shaft ( 3 ) a plurality, preferably at least three, at least four or at least five, along the circumference ( 5 ) of the same ( 3 ) extending reflector structures ( 6a -D), in particular indentations, with one in comparison to the material of the tip ( 1 ) comprises modified refractive index. Spitze nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorstrukturen (6a–d) entlang der Mantelfläche (7) des Schafts (3) und senkrecht zum Umfang (5) desselben (3) gesehen jeweils in konstantem Abstand m voneinander, also mit einer vordefinierten Periode p ausgebildet sind und/oder dass der Reflektor (4) als periodisches Gitter (8), insbesondere als Bragg-Reflektor, mit einer/dieser vordefinierten Periode p ausgebildet ist.Tip according to the preceding claim, characterized in that the reflector structures ( 6a -D) along the lateral surface ( 7 ) of the shaft ( 3 ) and perpendicular to the circumference ( 5 ) of the same ( 3 ) are each seen at a constant distance m from each other, that is formed with a predefined period p and / or that the reflector ( 4 ) as a periodic grid ( 8th ), in particular as a Bragg reflector, with a / this predefined period p is formed. Spitze nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode p gleich λeff/4 + λmed/4 ist, wobei λeff/4 gleich einem Viertel der beim Beleuchten der Spitze (1) mit dem Licht einer im Vakuum mit der Wellenlänge λ emittierenden Lichtquelle und/oder Probe, bevorzugt einer lediglich diese Wellenlänge λ emittierenden monochromatischen Lichtquelle, bevorzugt eines Lasers, resultierenden effektiven Wellenlänge λeff in der Spitze (1) ist und wobei λmed/4 gleich einem Viertel der dieser Vakuum-Wellenlänge λ im Material der Reflektorstrukturen (6a–d), insbesondere in die Einkerbungen füllender Luft, entsprechenden Wellenlänge λmed ist.Tip according to the preceding claim, characterized in that the period p is equal to λ eff / 4 + λ med / 4, where λ eff / 4 is equal to one fourth of that when the tip is illuminated ( 1 ) with the light of a light source emitting in the vacuum at the wavelength λ and / or sample, preferably a monochromatic light source emitting only this wavelength λ, preferably a laser, resulting effective wavelength λ eff in the tip ( 1 ) and where λ med / 4 is equal to a quarter of this vacuum wavelength λ in the material of the reflector structures ( 6a D), in particular in the notches filling air, corresponding wavelength λ med . Spitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (1) zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch und/oder als Kegel ausgeformt ist, wobei bei Rückbezug auf Anspruch 4 die Reflektorstrukturen (6a–d), insbesondere die Einkerbungen, bevorzugt senkrecht zur Symmetrieachse (9) oder unter einem Winkel kleiner als 90° und dabei bevorzugt ≥ 45°, bevorzugt ≥ 60°, zur Symmetrieachse (9) angeordnet sind,Tip according to one of the preceding claims, characterized in that the tip ( 1 ) is at least partially rotationally symmetrical and / or formed as a cone, wherein when referring back to claim 4, the reflector structures ( 6a D), in particular the notches, preferably perpendicular to the axis of symmetry ( 9 ) or at an angle smaller than 90 ° and thereby preferably ≥ 45 °, preferably ≥ 60 °, to the symmetry axis ( 9 ) are arranged Spitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (1) ein Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von größer oder gleich 10–6 S/m, bevorzugt von größer oder gleich 105 S/m, und/oder Gold, Silber und/oder Aluminium enthält, bevorzugt aus genau einem solchen Material und/oder aus Gold, Silber oder Aluminium besteht.Tip according to one of the preceding claims, characterized in that the tip ( 1 ) contains a material having an electrical conductivity of greater than or equal to 10 -6 S / m, preferably greater than or equal to 10 5 S / m, and / or gold, silver and / or aluminum, preferably from precisely such a material and / or made of gold, silver or aluminum. Anordnung aus einer Spitze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer die Spitze (1) beleuchtenden, im Vakuum Licht mit einer/der Wellenlänge λ emittierenden Lichtquelle, bevorzugt einer lediglich diese Wellenlänge λ emittierenden monochromatischen Lichtquelle, bevorzugt einem Laser, wobei die Lichtquelle im Vakuum bevorzugt mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich, also zwischen 380 nm und 750 nm, insbesondere mit 660 nm, im nahen Infrarot, also zwischen 750 nm und 1675 nm, oder im Ultravioletten zwischen 100 nm und 380 nm emittiert.Arrangement of a tip ( 1 ) according to one of the preceding claims and one the tip ( 1 ), in a light emitting at one / the wavelength λ light source, preferably a monochromatic light source emitting only this wavelength λ, preferably a laser, wherein the light source in vacuum preferably with a wavelength in the visible range, ie between 380 nm and 750 nm, in particular at 660 nm, in the near infrared, ie between 750 nm and 1675 nm, or emitted in the ultraviolet between 100 nm and 380 nm. Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Probe, insbesondere zum Erfassen der optischen Nahfeld-Wechselwirkung zwischen einer Spitze (1) und der Probe, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Spitze (1) oder eine Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei die Vorrichtung bevorzugt ein optisches Rastersondenmikroskop, bevorzugt ein optisches Rasternahfeldmikroskop, bevorzugt ein antennenbasiertes oder spitzenverstärkendes optisches Rasternahfeldmikroskop, oder ein optisches Rastersondenmikroskop mit angeschlossenem Ramanspektrometer, oder ein oberflächenverstärkendes oder spitzenverstärkendes Ramanspektroskop ist.Device for optically scanning a sample, in particular for detecting the optical near-field interaction between a tip ( 1 ) and the sample, characterized in that the device has a tip ( 1 ) or an arrangement according to one of the preceding claims, the device being preferably an optical scanning probe microscope, preferably an optical scanning near-field microscope, preferably an antenna-based or peak-enhancing scanning optical microscope, or a Raman spectrometer-connected scanning optical probe microscope, or a Raman spectroscopic surface-enhancing or tip-enhancing spectroscope. Verfahren zum Abtasten einer Probe mit einer Spitze (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Probe mit einer Spitze (1), einer Anordnung oder einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche abgetastet wird.Method for scanning a sample with a tip ( 1 ), characterized in that the sample with a tip ( 1 ), an arrangement or a device according to one of the preceding claims is scanned. Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Spitze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein bevorzugt kegelförmiger Grundkörper der Spitze (1) erzeugt wird, bevorzugt durch Ätzen eines Drahtes erzeugt wird, bevor in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls aus dem Schaft (3) des kegelförmigen Grundkörpers der Reflektor (4) heraus strukturiert wird.Manufacturing method for producing a tip ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that in a first step, a preferably conical body of the tip ( 1 ) is generated, preferably by etching a wire, before in a second step by means of a focused ion beam from the shaft ( 3 ) of the conical body of the reflector ( 4 ) is structured out. Verwendung einer Spitze (1), einer Anordnung oder eines Verfahrens zum Abtasten nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem optischen Sensor, in einem optischen Rastersondenmikroskop, bevorzugt einem optischen Rasternahfeldmikroskop, bevorzugt einem antennenbasierten oder spitzenverstärkenden optischen Rasternahfeldmikroskop, oder in einem oberflächenverstärkenden oder spitzenverstärkenden Ramanspektroskop.Using a tip ( 1 ), an array or method of scanning according to any one of claims 1 to 11 in an optical sensor, in a scanning optical probe microscope, preferably a near-field optical microscope, preferably an antenna-based or peak-enhancing near-field optical microscope, or in a surface-enhancing or peak-enhancing Raman spectroscope.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107850621A (en) * 2015-05-07 2018-03-27 米纳斯吉拉斯联合大学 For optical microscope for scanning near field and spectroscopical hardware and its manufacture method

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Bek, R. Vogelgesang, K. Kern, Rev. Sci. 77 (2006), 043703
C. Hoeppener, R. Beams, L. Novotny, Nano Lett. 9 (2009), 903-908
D. W. Pohl, W. Denk, M. Lanz, Appl. Phys. Lett. 44 (1984) 651-653
F. I. Baida, A. Belkhir, Plasmonics 4 (2009), 51-59
L. Novotny
L. Novotny "Effective Wavelength Scaling for Optical Antennas", Physical Review Letters, PRL 98, 266802-1 bis 266802-4 (Juni 2007)
Rev. Sci. Instr. 75,837 (2004); doi: 10.1063/1.1688442; Preparation of gold tips suitable for tip-enhanced Raman Spectroscopy and light emission by electrochemical etching; Bin Ren, Gennaro Picardi, Bruno Pettinger
T. H. Taminiau, F. D. Stefani, F. B. Segerink, N. F. v. Hulst, Nat. Photon. 2 (2008), 234-237

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107850621A (en) * 2015-05-07 2018-03-27 米纳斯吉拉斯联合大学 For optical microscope for scanning near field and spectroscopical hardware and its manufacture method
EP3293526A4 (en) * 2015-05-07 2018-12-05 Universidade Federal De Minas Gerais - UFMG Metallic device for scanning near-field optical microscopy and spectroscopy and method for manufacturing same
CN107850621B (en) * 2015-05-07 2023-08-04 米纳斯吉拉斯联合大学 Metal device for scanning near field optical microscope and spectroscope and manufacturing method

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