DE10259118B4 - Microscopy and Spectroscopy of Electromagnetic Near Fields of Thermal Origin - Google Patents
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Abstract
Rastersondenmikroskop
zur Detektion und spektralen Analyse natürlicher thermischer elektromagnetischer
Nahfelder an einer Oberfläche,
aufweisend
– eine
scharfe elektrisch leitende Rastersondenspitze mit einem Krümmungsradius
im Nanometerbereich,
– einen
Resonator, der mit der Rastersondenspitze verbunden ist und
– zwei mit
dem Resonator verbundene parallel geschaltete Verstärker, deren
Signalausgänge
mit einem Korrelator verbunden sind. Scanning probe microscope for the detection and spectral analysis of natural thermal electromagnetic near fields on a surface, comprising
A sharp electrically conductive scanning probe tip with a radius of curvature in the nanometer range,
A resonator connected to the scanning probe tip and
- Two connected in parallel with the resonator parallel amplifier whose signal outputs are connected to a correlator.
Description
Thermische und quantenmechanische Phänomene führen in allen dissipativen Medien zu Fluktuationen der elektrischen und magnetischen Polarisierbarkeit und dadurch zu fluktuierenden elektromagnetischen (EM) Feldern. Das Fluktuations-Dissipations-Theorem bildet die Basis zur qualitativen Beschreibung der Zusammenhänge zwischen den spektralen Amplituden der EM Feld-Fluktuationen und generalisierten Suszeptibilitätmatrix des Mediums.thermal and quantum mechanical phenomena to lead in all dissipative media to fluctuations of electrical and magnetic polarizability and thereby fluctuating electromagnetic (EM) Fields. The fluctuation-dissipation theorem forms the basis for qualitative description of the relationships between the spectral Amplitudes of EM field fluctuations and generalized susceptibility matrix of the medium.
Die theoretischen Ausdrücke für fluktuierende EM Feldern in der Nähe (Abstand z) im Vakuum von einer flachen Oberfläche wurden in der Arbeit von M. L. Levin und S. M. Rytov1 hergeleitet. Danach sind die Materialkonstanten (dielektrische und magnetische Suszeptibilität) sowie die Abstandsabhängigkeit in einfacher Weise mit der spektralen Dichte der Felder (bilineare Momente) verbunden. Wir stellen die entsprechenden Formeln in der einfacheren Form aus I. Dorofeyev2 u. a. dar. So wurde für die mittlere Werte der Komponenten Ei, Hj der spektralen Felddichte in der Nähe einer nichtmagnetischer Metalloberfläche (im Abstand z) folgende Beziehungen gefunden: The theoretical expressions for nearby fluctuating EM fields (distance z) from a flat surface were derived in the work of ML Levin and SM Rytov 1 . Thereafter, the material constants (dielectric and magnetic susceptibility) and the distance dependence are simply related to the spectral density of the fields (bilinear moments). We present the corresponding formulas in the simpler form of I. Dorofeyev 2 and others. Thus, for the mean values of the components E i , H j of the spectral field density in the vicinity of a non-magnetic metal surface (at a distance z), the following relationships were found:
Die entsprechenden Ausdrücke für eine dielektrische Oberfläche (geringe Leitfähigkeit): mit folgenden Bezeichnungen: ω, κ – Frequenz und Wellenvektor des EM-Feldes, σ1-Leitfähigkeit und ε1 = ε1' + iε1'', komplexe Dielektrizitätskonstante des Oberflächenmaterials, Θ – Plancksche Funktion, Diese Formeln beinhalten sowohl die Wärmestrahlung nach dem klassischen Kirchhoff-Gesetz als auch die EM Nahfelder (evaneszente Felder). Die Messung der Wärmestrahlung im Fernfeld kz>>1 in allen Frequenzbereichen wird heute routinemäßig mit verschiedenen Techniken (Radar und Funkmessgeräte im RF und Mikrowellen Bereich, Wellenlänge unabhängige Wärmesensoren und Quantendetektoren bei höheren Frequenzen) durchgeführt. Als Messergebnis wird dabei die über einen makroskopischen Bereich gemittelte Temperatur ermittelt (Plancksche Strahlung).The corresponding expressions for a dielectric surface (low conductivity): with the following designations: ω, κ - frequency and wave vector of the EM field, σ 1 conductivity and ε 1 = ε 1 '+ iε 1 ", complex dielectric constant of the surface material, Θ - Planck function, These formulas include both the heat radiation according to the classical Kirchhoff law and the EM near fields (evanescent fields). The measurement of the heat radiation in the far field kz >> 1 in all frequency ranges is routinely carried out with various techniques (radar and radio measuring devices in the RF and microwave range, wavelength independent heat sensors and quantum detectors at higher frequencies). The measured temperature is the temperature averaged over a macroscopic range (Planck's radiation).
Weitere theoretische Untersuchungen der EM Nahfelder bezogen sich vor allem auf die Energiedissipation3 und Energietransfer4 zwischen einer Oberfläche und einem Nanoobjekt, sowie auf detaillierte spektrale Eigenschaften5 der Nahfelder.Further theoretical investigations of the EM near fields mainly focused on the energy dissipation 3 and energy transfer 4 between a surface and a nanoobject, as well as on detailed spectral properties 5 of the near fields.
Zum Stand der Technik gehören Oberflächen- Meßmethoden die auf Reflektion von Hochfrequenz- Signalen basieren6. Hier wird mit Hilfe einer Nanoskopischen Spitze das Generator-Signal in Nahfeldbereich gebracht und die Reflektion wird für Aussagen über die dielektrischen Eigenschaften der Oberfläche genutzt.The prior art includes surface measurement methods based on reflection of high frequency signals 6 . Here, the generator signal is brought into the near field region with the help of a nanoscopic tip and the reflection is used for statements about the dielectric properties of the surface.
Physikalische Grundlagen der FNFMPhysical basics the FNFM
Einen wesentlichen Fortschritt dürften aber die mikroskopischen Messungen der fluktuierenden EM Felder im Nahbereich kz << 1 mit sich bringen. Wenn es möglich wäre, die spektrale Energiedichte der Nahfelder lokal (mikroskopisch) zu bestimmen, sollte es auch möglich sein, infolge der Gleichungen (1–6), Rückschluss auf die lokale Dielektrizitätskonstante zu ziehen*. Da auch im nanoskopischen Bereich (sogar für einzelne
- * Genauer auf den Term Da aber der Imaginärteil und der Realteil der Dielektrizitätskonstante durch die Kramers-Kroning Relation verbunden sind, kann gezeigt werden, dass auch in dem Term die gesamte Information über die Dielektrizitätskonstante enthalten ist.
- * Closer to the term However, since the imaginary part and the real part of the dielectric constant are connected by the Kramers-Kroning relation, it can be shown that also in the term all the information about the dielectric constant is included.
Darüber hinaus, wie die theoretischen Untersuchungen5 zeigen, sollte es möglich sein, eine Reihe subtiler Nahfeldeffekte an Oberflächen mit EM-Oberflächenanregungen zu Untersuchen. Auch unmittelbar unter der Oberfläche liegende Volumen mit hohen dielektrischen Verlusten dürften im Rasterbild zu finden sein. Damit würde eine neue Art Oberflächen Mikroskopie/Spektroskopie eingeführt – FNFM – Fluctuation Near Field Microscopy. Bis jetzt, soweit bekannt, wurden keine mikroskopischen Messungen thermischen Nahfelder (im Nanometer-Bereich; kz << 1) durchgeführt.In addition, as the theoretical studies 5 show, it should be possible, a number of subtle near-field effects on surfaces with EM-surface excitations to examine. Also immediately below the surface lying volumes with high dielectric losses should be found in the raster image. This would introduce a new kind of surface microscopy / spectroscopy - FNFM - Fluctuation Near Field Microscopy. So far, as far as known, no microscopic measurements were carried out of thermal near fields (in the nanometer range, kz << 1).
Lösungsansatzapproach
Das Ziel ist die direkte Messung von fluktuierenden EM Nahfeldern mit Hilfe von extrem kleinen Sensoren und Verwendung der Kreuzkorrelations-Methode zur Etablierung einer neuen Oberflächen-Mikroskopie und Spektroskopie. Aus Messdaten in einem bestimmten spektralen Bereich soll die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante rekonstruiert werden und ggf. das Oberflächenmaterial lokal bestimmt, bzw. zwischen verschiedenartigen Materialien unterschieden werden. Aufgrund von extrem kleinen Sensor-Maßen (z. B. scharfe SXM Spitzen) ist die Wechselwirkungszone (WW) dabei auf die Nanometerskala begrenzt. Als am besten geeignete Modellsysteme für diese Art von Technik sollen biologische Makromoleküle, Polymere, Ferroelektrika, dünne Filme an Metalloberflächen und organische Strukturen (z. B. Monolagen, Membranen), eingesetzt werden, die wegen des relativ hohen imaginären Anteils der Dielektrizitätskonstanten voraussichtlich eine höhere Nahfeldstärke aufweisen.The The aim is the direct measurement of fluctuating EM near fields with Help of extremely small sensors and use of the cross-correlation method to establish a new surface microscopy and spectroscopy. From measurement data in a certain spectral range, the frequency dependence of the permittivity be reconstructed and if necessary the surface material determined locally, or between different materials. Due to extremely small sensor dimensions (eg sharp SXM tips) the interaction zone (WW) is limited to the nanometer scale. As the most suitable model systems for this type of technology should biological macromolecules, Polymers, ferroelectrics, thin Films on metal surfaces and organic structures (eg monolayers, membranes) because of the relatively high imaginary part of the dielectric constant probably a higher one near field exhibit.
Um die Physik der FNFM zu verdeutlichen ist auf dieser Stelle ein Vergleich mit einem Radioempfänger nützlich. Die Spitze in FNFM, wie auch eine Antenne im Radioempfänger, wandelt dreidimensionale EM Felder in ein eindimensionales elektrisches Signal um. Das Signal wird dann in einer hochempfindlichen Elektronik (z. B. Korrelations-Empfänger) bearbeitet. Die grundlegenden Unterschiede zu Radiowellen-Empfang liegen in der Geometrie: die Spitze in FNFM hat eine sehr kleine effektive Länge (leff von ca. 100 nm) und entsprechend niedrige Wellenimpedanz Zw~(leff/λ)2. Bei Radioempfang würde das eine zu schwache Kopplung an das Feld und, folglich, zu niedrige Signalamplitude bedeuten. In der FNFM Geometrie tragen zwei Faktoren, die beim Radioempfang keine Rolle spielen, erheblich zu der Signalverstärkung bei. Erstens, wächst in der Nähe einer Oberfläche die Feldstärke drastisch an, z. B. die z Komponente des E Feldes nach der Formel 4) wie ~1/z3. Als zweites kommt die Verstärkung des elektrischen Feldes an scharfen Objekten in Betracht s. g. „lighting rod effect".To clarify the physics of FNFM, comparison with a radio receiver is useful here. The tip in FNFM, as well as an antenna in the radio receiver, converts three-dimensional EM fields into a one-dimensional electrical signal. The signal is then processed in high-sensitivity electronics (eg, correlation receiver). The fundamental differences to radio wave reception lie in the geometry: the peak in FNFM has a very small effective length (l eff of about 100 nm) and correspondingly low wave impedance Z w ~ (l eff / λ) 2 . With radio reception, this would mean too weak a coupling to the field and, consequently, too low a signal amplitude. In FNFM geometry, two factors contribute which play no role in radio reception, greatly add to the signal amplification. First, near a surface the field strength grows drastically, e.g. Example, the z component of the E field according to the formula 4) as ~ 1 / z 3 . Secondly, the amplification of the electric field on sharp objects is considered, "lighting rod effect".
Um
die der FNFM zugrunde liegende Beziehungen zu finden wird von der
in
Der Energieaustausch zwischen der Spitze und der Oberfläche wird in dieser Geometrie durch thermische fluktuierende EM Nahfelder dominiert7. Die transferierte von der Oberfläche in die Spitze mittlere spektrale Leistung (MSL) ist durch: gegeben. Dabei ist jind(r,ω) = σEins(r,ω) die spektrale Stromdichte, die durch das innerhalb der Spitze hervorgerufene elektrische Feld Eins(r, ω) induziert wird. Für eine scharfe Spitze, modelliert durch ein langes Ellipsoid mit Formfaktor h (h liegt zwischen 0 und 1/3) und Dielektrizitätskonstante εt = εt' + iεt'', gilt Eins(r, ω) ≈ (1/hεt)Ez(r, ω). Für Metalle im Frequenzbereich von DC bis in Infrarot gilt εt ≈ εt'' = i4πσ/ω mit σ/ω >> 1. Damit ergibt sich für die MSL: The energy exchange between the tip and the surface is dominated in this geometry by thermal fluctuating EM near fields 7 . The transferred surface power to peak power spectral power (MSL) is given by: given. Here, j ind (r, ω) = σE ins (r, ω) is the spectral current density induced by the electric field E ins (r, ω) induced within the peak. For a sharp peak modeled by a long ellipsoid with form factor h (h is between 0 and 1/3) and dielectric constant ε t = ε t '+ iε t '', E ins (r, ω) ≈ (1 / hε t ) E z (r, ω). For metals in the frequency range from DC to infrared ε t ≈ ε t '' = i4πσ / ω with σ / ω >> 1. This yields for the MSL:
Als mögliche Eingangsstufe der Messanordnung wird weiter eine Spitze direkt an einen Resonator angeschlossen betrachtet. Abhängig von der Messfrequenz wird unter dem Begriff Resonator ein Resonanzkreis, Hohlresonator, dielektrischer Resonator usw. verstanden. Im Hochfrequenzbereich gilt die quasistationäre Näherung: Folglich kann die Eingangsstufe durch konzentrierte RCL Elemente, wie in der Abbildung 3 dargestellt, modelliert werden. Wenn die Spitze gute Leitfähigkeit aufweist wird die transferierte Leistung Ps→t größtenteils im Resonator absorbiert. Genauer, der Realteil der Resonator-Impedanz ReZr ist für die Verluste verantwortlich. Schließlich tritt die Leitfähigkeit σ in 8) als effektive Leitfähigkeit der dissipativen Last des Spitze/Resonator Systems auf, und ergibt nach der Integration über den Volumen8 einen Faktor ReZr. Das fluktuierende Nahfeld der Oberfläche induziert also überwiegend in dem äußeren Teil leff der Spitze Spannung, die Dissipation findet aber im Resonator statt. Die Integration entlang der Spitze kann durch Mittelung über leff (d < leff << λ) ersetzt werden. Damit ergibt sich: As a possible input stage of the measuring arrangement, a tip is further considered to be connected directly to a resonator. Depending on the measurement frequency, the term resonator is understood to mean a resonant circuit, hollow resonator, dielectric resonator, etc. In the high-frequency range, the quasi-stationary approximation applies: Consequently, the input stage can be modeled by concentrated RCL elements, as shown in Figure 3. When the tip has good conductivity, the transferred power P s → t is largely absorbed in the resonator. More specifically, the real part of the resonator impedance ReZ r is responsible for the losses. Finally, the conductivity σ in 8) occurs as the effective conductivity of the dissipative load of the tip / resonator system, and after integration over the volume 8 gives a factor Rz r . Thus, the fluctuating near field of the surface induces voltage predominantly in the outer part l eff of the tip, but the dissipation takes place in the resonator. The integration along the peak can be replaced by averaging over l eff (d <l eff << λ). This results in:
Formal
kann die Spitze/Substrat Kopplung durch Parallelschaltung eins Widerstands
Rx und einer Stromquelle ix,
wie in der
Wendet man jetzt das Nyquist-Theorem10 auf diese Schaltung an, ergibt sich für Ps→t: Applying the Nyquist theorem 10 to this circuit now yields for P s → t :
Andererseits, gilt für die MSL Pt→s die vom Resonator über die Spitze in das Substrat transferiert wird, auch nach dem Nyquist-Theorem: On the other hand, for the MSL P t → s, which is transferred from the resonator via the tip into the substrate, the Nyquist theorem is also valid:
Zr(ω) ist die Impedanz der RLC Schaltung: 1/Zr(ω) = 1/R + i(ωC – 1/ωL) und ReZr = R ist der dissipative Widerstand mit Temperatur T (die Resonator Temperatur) 1 / Z r (ω) = 1 / R + i (wC - 1 / wL) and ReZ r = R is the dissipative resistance with temperature T (the temperature resonator): Z r (ω) is the impedance of the RLC circuit
Die spektrale Dichte der Rauschspannung ⟨u2(ω)⟩ am Eingang von Verstärker ergibt sich nach einer Reihe einfacher algebraischer Umwandlungen: The spectral density of the noise voltage ⟨u 2 (ω)⟩ at the input of the amplifier results after a series of simple algebraic transformations:
Z(ω) ist hier die volle Impedanz der Schaltung: Z (ω) here is the full impedance of the circuit:
Rp ist der Widerstand von Rx und R in Parallelschaltung, ω0 = (LC)–1/2 ist die Resonanzfrequenz.Rp is the resistance of R x and R in parallel, ω 0 = (LC) -1/2 is the resonance frequency.
Um die Abhängigkeit des Messsignals ⟨u2(ω)⟩ von den physikalischen Parametern ΔT = Ts – T, d, ω und ε''/|ε + 1|2 zu finden, sollte der unbekannte Widerstand Rx(T,ε,ω) gefunden werden. An dieser Stelle kommt die Gleichgewichtsbedingung (bei Ts = T soll auch Pt→s = Ps→t) zum tragen. Im Gleichgewicht folgt aus 9) und 10): im Faktor A sind alle Konstanten gesammelt. Aus den Formelnsatz 9)–13) kann prinzipiell die gewünschte Abhängigkeit hergeleitet werden. Um zu transparenten geschlossenen Lösungen zu kommen werden noch folgende Näherungen genutzt: die Güte Q des Resonators ist in allen Fällen hoch genug, und gemessen wird über ein Frequenzbereich von ca. ω0/Q in der Nähe der Resonanzfrequenz. Weiter wird angenommen, dass R << Rx. Das entspricht einem schwachen Signal der Spitze relativ zu dem Nyquist Rauschen des Resonators. Mit diesen Einschränkungen erhält man in der Nähe der Resonanzfrequenz ω0: The dependence of the measurement signal ⟨u 2 (ω)⟩ on the physical parameters ΔT = T s -T, d, ω and ε "/ | ε + 1 | 2 , the unknown resistance Rx (T, ε, ω) should be found. At this point, the equilibrium condition (at T s = T should also P t → s = P s → t ) bear. In equilibrium follows from 9) and 10): in factor A, all constants are collected. From the formula set 9) -13) can be derived in principle the desired dependence. In order to arrive at transparent closed solutions, the following approximations are used: the quality Q of the resonator is high enough in all cases, and measurement takes place over a frequency range of approximately ω 0 / Q in the vicinity of the resonance frequency. It is further assumed that R << R x . This corresponds to a weak peak signal relative to the Nyquist noise of the resonator. With these restrictions one obtains near the resonance frequency ω 0 :
Diese Formel stellt nun die gesuchten Zusammenhänge in klarer Form dar. Im Grenzfall (d → ∞), wenn die Spitze weit von der Oberfläche ist, bleibt nur das Nyquist Rauschen des Resonators. Bei der Annäherung wächst der zweite Term in 14) proportional zu 1/d2 an, parallel verschiebt sich die Position des Resonanzmaximums in die niedrigeren Frequenzen. Die Form der Frequenzabhängigkeit ist offensichtlich (siehe Formel 11) eine Lorenzkurve. In der Praxis ist es angebracht, den konstanten Nyquist Term in der Formel 14) zu abstrahieren und als Messergebnis den Term G(T,ε,ω,d) behandeln: This formula now clearly represents the sought-after relationships. In the limiting case (d → ∞), when the peak is far from the surface, only the Nyquist noise of the resonator remains. When approaching, the second term in 14) increases in proportion to 1 / d 2 , in parallel the position of the resonance maximum shifts to the lower frequencies. The form of frequency dependence is obviously (see formula 11) a Lorenz curve. In practice, it is appropriate to abstract the constant Nyquist term in formula 14) and to treat the term G (T, ε, ω, d) as the measurement result:
In der Beziehung G(T,ε,ω,d) sind ε und T die für die Oberfläche charakteristischen Messgrößen, ω und d die Variablen. Um die lokalen Topographie, Oberflächentemperatur und den Verlustfaktor ε''/|ε + 1|2 zu finden, sind verschiedene Mess-Szenarien denkbar. Z. B., analog zu aus SPM Technik bekannten „constant hight" und „constant amplitude" Messungen, könnte die Topographie nach zwei Rasterdurchgängen ausgeschlossen werden. Noch mehr Freiheit bietet die parallele Messung an mehreren Resonanzmoden bei der Verwendung von Hohl-Resonators. Aus messtechnischer Sicht ist oft die Messung der Frequenzverschiebung mit Heterodyne-Techniken deutlich empfindlicher im Vergleich zu Amplitudenmessungen.In the relation G (T, ε, ω, d), ε and T are the measured variables characteristic of the surface, ω and d the variables. To determine the local topography, surface temperature and loss factor ε '' / | ε + 1 | 2 , different measurement scenarios are conceivable. For example, analogous to "constant-hight" and "constant-amplitude" measurements known from SPM technology, the topography could be excluded after two raster passes. Even more freedom is offered by the parallel measurement at several resonance modes when using hollow resonators. From a metrological point of view the measurement of the frequency shift with heterodyne techniques is often much more sensitive compared to amplitude measurements.
Praktische Realisierung Practical realization
Bei der praktischen Realisierung der FNFM sind in wesentlichen zwei Probleme aufgetreten. Erstens benötigt man als Sonde eine extrem scharfe und gut leitende Spitze. Zweitens, da das Messsignal deutlich unter dem Niveau des Rauschens einer Resonanzmode liegt, sind Resonatoren mit hoher Gute und extrem rauscharme Verstärker notwendig.at the practical realization of the FNFM are essentially two Problems occurred. First, you need an extreme probe sharp and well conductive tip. Second, because the measurement signal is clear below the level of noise of a resonant mode are resonators with high quality and extremely low noise amplifier necessary.
Um das erste Problem zu lösen, wurde eine Ätztechnik für Herstellung von Spitzen aus Gold und Silber mit Krümmungsradien ca. 20 nm entwickelt. Damit werden Auflösungen von einigen Zehntel nm erreicht. Eine Verbesserung der Anlage wird Krümmungsradien unter 10 nm erlauben. Mit dem Fortschritt in der Nanotechnologie sind für eine Sonde auch Lösungen wie Single-Elektron-Transistor Verstärker integriert in der Sensor-Spitze oder Josephson Kontakt Sensoren denkbar.Around to solve the first problem became an etching technique for production developed from tips of gold and silver with radii of curvature about 20 nm. This will be resolutions reached by a few tenths of nm. An improvement of the facility will radii of curvature below 10 nm. With the progress in nanotechnology are for a probe also solutions like single-electron transistor amplifier integrated in the sensor tip or Josephson contact sensors conceivable.
Die
zwei parallel direkt an den Resonator geschalteten rauscharmen Feldeffekttransistoren
(HEMTs in unserem Aufbau,
Der Korrelator in dem Aufbau dient der Rauschunterdrückung und bildet am Ausgang ein Signal das proportional zur Leistung des korrelierten Eingangsignalanteils ist. Für bandbegrenztes weißes Rauschen sind Sensorsignal S(t), das Vorverstärkerrauschen der beiden Vorverstärkern R1(t) und R2(t) alle nicht miteinander korreliert und haben einen Mittelwert gleich 0. Folglich nähert sich die Abschätzung der Korrelationsfunktion Γ(τ,T) mit der Zeit der Korrelationsfunktion mit einer Standartabweichung σs = g(τ)(Δω T)–1/2. Hier ist T die Integrationszeit, τ die Zeitverschiebung. Von besonderem Interesse ist der Wert g(0), der nach dem Wiener-Khinchine-Theorem11 die Signalleistung darstellt. Aus (16) ist ersichtlich, dass für bandbegrenztes weißes Rauschen der Wert g(0) und die Bandbreite Δω des Bandpasses ausreichen, um alle statistischen Aussagen zu treffen und die volle Messung der Kreuzkorrelationsfunktion keine zusätzliche Information ergibt. Damit kann die technisch aufwendige Realisierung eines Vollkorrelators auf einfacheres System bestehend aus Mischer und Integrator reduziert werden.The correlator in the setup is for noise suppression and forms at the output a signal which is proportional to the power of the correlated input signal component. For band-limited white noise, sensor signal S (t), the preamplifier noise of the two preamplifiers R 1 (t) and R 2 (t) are all uncorrelated and have an average of 0. Thus, the approximation of the correlation function Γ (τ, T ) with the time of the correlation function with a standard deviation σ s = g (τ) (Δω T) -1/2 . Here T is the integration time, τ the time shift. Of particular interest is the value g (0), which according to the Wiener-Khinchine Theorem 11 represents the signal power. From (16) it can be seen that for band-limited white noise, the value g (0) and the band width Δω of the bandpass are sufficient to make all statistical statements and full measurement of the cross-correlation function gives no additional information. Thus, the technically complex realization of a full correlator can be reduced to a simpler system consisting of mixer and integrator.
Beim heutigen Stand der Technik erfasst die oben beschriebene Anordnung einen Frequenzbereich der EM-Nahfelder bis einige zehn GHz. Dies begrenzt die Anwendungen auf Substrate mit hohen dielektrischen Verlusten in diesem Frequenzbereich. Dazu gehören Ferroelektrika, makromolekulare Substanzen, freie Moleküle mit niedrigen Rotationsfrequenzen, einige Gläser u.a..At the The current state of the art covers the arrangement described above a frequency range of EM nearfields up to several tens of GHz. This limits the applications to substrates with high dielectric Losses in this frequency range. These include ferroelectrics, macromolecular Substances, free molecules with low rotation frequencies, some glasses, etc.
Einen viel größeren Anwendungsbereich würde die Detektion von EM-Nahfelder in THz-Infrarot- und Optik- Frequenzbereichen bieten. Hier liegt die Großzahl der charakteristischen molekularen und atomaren Schwingungsfrequenzen die zudem aus Raman-, Infrarot-, und Mikrowellen-Spektroskopie gut bekannt und katalogisiert sind. Die Erweiterung der FNFM auf diese Frequenzbereiche dürfte mit dem Fortschritt in der Nanotechnologie zugänglich werden.A much wider area of application would be the detection of EM near fields in THz infrared and optical frequency ranges. Here are the great number of characteristic molecular and atomic vibration frequencies well known from Raman, infrared, and microwave spectroscopy and cataloged. The extension of FNFM to these frequency bands is likely to be accessible with advances in nanotechnology.
Die oben durchgeführte Betrachtung bezog sich auf die Detektion des elektrischen Feldes Ez. Die Detektion des magnetischen Feldes Hz wird durch Modifikation des Sensors möglich. Benötigt wird ein Magnetfeld-Sensor mit Maßen im Nanometer Bereich.The above consideration was related to the detection of the electric field E z . The detection of the magnetic field H z is possible by modification of the sensor. What is needed is a magnetic field sensor with dimensions in the nanometer range.
Weitere mögliche Einsatze der FNFM Methode bestehen in:
- 1. Anwendung als sensitiven Sensor für Nachweis von gasförmigen Molekülen. Freie Moleküle besitzen Rotations-Resonanzen mit Frequenzen im Mikrowellenbereich. Folglich, wenn in der direkten Umgebung der Spitze entsprechende Moleküle vorkommen, steigt das Ausgangssignal für bestimmte Frequenzen an.
- 2. Erfassung von charakteristischen Spinaufspaltungsfrequenzen in der Probe durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes (Zeeman-Effekt) mit hoher räumlichen Auflösung. Die durch thermische Anregungen induzierten Übergänge zwischen aufgespalteten Spinniveaus werden zu verstärkten EM-Fluktuationen mit charakteristischen Spinspaltungsfrequenzen führen und im FNFM Spektrumbild ein Ausstoß (mit einer Breite von ca. reziproker Spin-Relaxationszeit) hervorruffen. Die Lage der Ausstoßensfrequenz lässt sich mit der Magnetfeldstärke steuern und leicht in den HF Bereich umsetzen. Damit wäre eine Alternative zum Spinresonanz Verfahren mit Auflösung in Nanometerbereich etabliert.
- 1. Application as a sensitive sensor for detection of gaseous molecules. Free molecules have rotational resonances with frequencies in the microwave range. Thus, if molecules are present in the immediate vicinity of the tip, the output will rise for certain frequencies.
- 2. Detection of characteristic spin-splitting frequencies in the sample by applying an external magnetic field (Zeeman effect) with high spatial resolution. Thermal-induced transitions between split-spin levels will lead to increased EM fluctuations with characteristic spin-cleavage frequencies and cause ejection (with a width of approximately reciprocal spin-relaxation time) in the FNFM spectrum image. The position of the ejection frequency can be controlled with the magnetic field strength and easily converted into the HF range. Thus, an alternative to the spin resonance method with resolution in the nanometer range would be established.
Literaturliterature
- 1 M. L. Levin and S. M. Rytov, Theory of equilibrium thermal fluctuations in electrodynamics, (Science Publish., Moscow, 1967) 1 ML Levin and SM Rytov, Theory of equilibrium thermal fluctuation in electrodynamics, (Science Publish., Moscow, 1967)
- 2 I. Dorofeyev, H. Fuchs, B. Gotsmann, and J. Jersch, Damping of a moving particle near a wall-Relativistic approach, Phys. Rev. Lett. To be published 2 I. Dorofeyev, H. Fuchs, B. Gotsmann, and J. Jersch, Damping of a moving particle near a wall relativistic approach, Phys. Rev. Lett. To be published
- 3 I.A. Dorofeyevy: "Energy dissipation rate of a sample-induced thermal fluctuating field in the tip of a probe microscope", J. Phys. D: Appl. Phys. 31, pp. 600–601 (1998) 3 IA Dorofeyevy: "Energy dissipation rate of a sample-induced thermal fluctuation field in the tip of a sample microscope", J. Phys. D: Appl. Phys. 31, pp. 600-601 (1998)
- 4 A.I. Volokitin and B.N.J. Persson, Radiative heat transfer between nanostructures, Phys. Rev. B63, 205404 4 AI Volokitin and BNJ Persson, Radiative heat transfer between nanostructures, Phys. Rev. B63, 205404
- 5 R. Carminati and J-J Greffet, Near-Field Effects in Spatial Coherence of Thermal Sources, Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 1660; A. V. Shchegrov, K. Joulian, R. Carminati, and J-J Greffet, Near-Field Spectral Effectsdue to Electromagnetic Surface Exitations, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 1548 5 R. Carminati and JJ Greffet, Near-Field Effects at Spatial Coherence of Thermal Sources, Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 1660; AV Shchegrov, K. Joulian, R. Carminati, and JJ Greffet, Near-Field Spectral Effects to Electromagnetic Surface Exitations, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 1548
- 6 M. Tabib-Azara, R. Ciocan, G. Ponchak and S.R. Leclair: "Transient thermography using evanescent microwave microscope", Rev. Sci. Instrum. 70, pp. 3387-3390 (1999) 6 M. Tabib-Azara, R. Ciocan, G. ponchak and SR Leclair: "Transient thermography using evanescent microwave microscope", Rev. Sci. Instrum. 70, pp. 3387-3390 (1999)
- 7 J-P. Mulet, K. Joulain, R. Carminati, and J-J Greffet, Appl. Phys. Lett. 78, 2931(2001) 7 JP. Mulet, K. Joulain, R. Carminati, and JJ Greffet, Appl. Phys. Lett. 78, 2931 (2001)
- 8 J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, 2 Edition, Chapter 6.9, New York, 1975 8 JD Jackson, Classical Electrodynamics, 2 Edition, Chapter 6.9, New York, 1975
- 9 M. Sampietro, L. Fasoli, and G. Ferrari, Spectrum Analyser with noise reduction by Correlation technique on two channels, Rev. Sci. Instrum. 70, (1999), 2520 9 M. Sampietro, L. Fasoli, and G. Ferrari, Spectrum Analyzer with Noise Reduction by Correlation Technique on Two Channels, Rev. Sci. Instrum. 70, (1999), 2520
- 10 O. Zinke, H. Brunswig, Hochfrequenztechnik 2, Springer, Berlin 1999 10 O. Zinke, H. Brunswig, High Frequency Technology 2, Springer, Berlin 1999
- 11 H. D. Lüke, Signalübertragung (Lehrbuch), Springer-Verlag, 1992 11 HD Lüke, Signal Transmission (Textbook), Springer-Verlag, 1992
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Citations (3)
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---|---|---|---|---|
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-
2002
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5354130A (en) * | 1988-08-24 | 1994-10-11 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive material |
US5936237A (en) * | 1995-07-05 | 1999-08-10 | Van Der Weide; Daniel Warren | Combined topography and electromagnetic field scanning probe microscope |
US6173604B1 (en) * | 1996-09-20 | 2001-01-16 | The Regents Of The University Of California | Scanning evanescent electro-magnetic microscope |
Non-Patent Citations (11)
Title |
---|
A relativistic approach", Phys. Rev, B, Condens, Matter Mater., Vol. 64, No. 3, pp. 035403/1-15 |
A.V.SHCHEGROV, K.Joulain, R. Carmitati and J.-J. Greffet: "Near-Field spectral effects due to electromagnetic surface excitations", Phys. Rev. Lett. 85, pp. 1548-1551 (2000) * |
CARMINATI,R. and J.-J. Greffet: "Near-Field Effects in Spatial Coherence of Thermal Sources", Phys. Rev..Lett. 82, pp. 1660-1663 (1999) * |
D.W.Pohl: "Nano-optics and scanning near-field optical microscopy" in "Scanning-tunneling micro- scopy II Further apll. and related scanning techn- iques", Second-Edition, Springer Verlag, 1995 |
DOROFEYEV,I.,et.al.: Damping of a moving praticle near a wall: A relativistic approach. In: Physical Review B.,Vol.64,1998, S.600-601 * |
DOROFEYEV,I.et.al.: "Energy dissipation rate of a sample- induced thermal fluctuating field in the tip of a probe microscope", J.Phys.D:Appl.Phys.31, pp. 600-601 (1998): I.Dorofeyev I, H.Fuchs, B.Gotsmann, J. Jersch: "Damping of a moving particle near a wall: |
DOROFEYEV,I.et.al.: "Energy dissipation rate of a sample- induced thermal fluctuating field in the tip of a probe microscope", J.Phys.D:Appl.Phys.31,pp. 600-601 (1998): I.Dorofeyev I, H.Fuchs, B.Gotsmann, J. Jersch: "Damping of a moving particle near a wall: * |
M.L.Levin, S.M.Rytov: "Theory of nonequilibrium thermal fluctuations in electrodynamics", Nauka Moscow., 1967 |
M.Tabib-Azara, R.Ciocan,G.Ponchak and S.R.LeClair: "Transient thermography using evanescent micro- wave microscope", Rev Sci. Instrum. 70, pp.3387- 3390 (1999) C.Henkel, K.Joulain b, R. Carminati and J.-J. Greffet:"Spatial coherence of thermal near fields" Optics Communications 186, pp. 57-67 (2000) |
O.Zinke: "Hochfrequenztechnik 2", Springer, Berlin (1999) |
VARPULA,T.,SEPPÄ,Heikki: Inductive noise thermometer: Practical realization. In: Rev.Sci.Instrum.64,6,June 1993,S.1593-1600 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005010363A1 (en) * | 2005-03-03 | 2006-09-21 | Technische Universität Braunschweig | Imaging microwave prober |
CN102735879A (en) * | 2012-06-20 | 2012-10-17 | 浙江大学 | Low-noise, high-bandwidth tunnel current preamplifier circuit |
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