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.

Figure 00000001
Figure 00000001

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:

Figure 00010001
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:
Figure 00010001

Die entsprechenden Ausdrücke für eine dielektrische Oberfläche (geringe Leitfähigkeit):

Figure 00010002
Figure 00020001
mit folgenden Bezeichnungen: ω, κ – Frequenz und Wellenvektor des EM-Feldes, σ1-Leitfähigkeit und ε1 = ε1' + iε1'', komplexe Dielektrizitätskonstante des Oberflächenmaterials, Θ – Plancksche Funktion,
Figure 00020002
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):
Figure 00010002
Figure 00020001
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,
Figure 00020002
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
    Figure 00020003
    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.
Moleküle) die komplexe Dielektrizitätskonstante eine der wichtigsten Charakteristiken des Oberflächenmaterials bleibt, dürfte durch diese Untersuchungen ein wesentlicher Beitrag für die Materialforschung entstehen. Zum Verdeutlichen der These ist in der 1 der typische Verlauf von Real- und Imaginärteil der Dielektrizitätskonstante in Umgebung zweier Resonanzfrequenzen eines Oszillators dargestellt (Bild aus J. D. Jackson, Klassische Elektrodynamik, Walter de Gruyter, Berlin-New York, 1983). Nur in der Umgebung der Resonanzabsorption ist der Imaginärteil groß und folglich sind die Nahfelder mit entsprechenden Frequenzen stark. Das gleiche gilt für Dipol-Relaxationen in vielen Materialien. Messungen der spektralen Nahfelddichte in verschiedenen Spektralbereichen ergeben dann ein Spektralbild, das charakteristisch für die chemische Zusammensetzung des Substrats unter der Spitze ist. Das Sensorsignal kann sowohl für die chemische Charakterisierung, lokale Temperaturmessung, sowie für die Abstandsregelung genutzt werden.However, the microscopic measurements of the fluctuating EM fields in the near range kz << 1 are likely to bring significant progress. If it were possible to determine the spectral energy density of the near fields locally (microscopically), it should also be possible to draw conclusions about the local dielectric constant as a result of the equations (1-6) * . As in the nanoscopic area (even for individual
  • * Closer to the term
    Figure 00020003
    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.
Molecules), the complex dielectric constant remains one of the most important characteristics of the surface material, these studies should be a major contribution to materials research. To clarify the thesis is in the 1 the typical course of real and imaginary part of the dielectric constant in the vicinity of two resonant frequencies of an oscillator shown (picture from JD Jackson, Classical Electrodynamics, Walter de Gruyter, Berlin-New York, 1983). Only in the vicinity of resonance absorption is the imaginary part large, and hence the near fields with corresponding frequencies are strong. The same goes for dipole relaxations in many materials. Measurements of the spectral near field density in different spectral ranges then give a spectral image that is characteristic of the chemical composition of the substrate below the tip. The sensor signal can be used for chemical characterization, local temperature measurement as well as for distance control.

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 2 dargestellten Geometrie ausgegangen. Eine extrem scharfe Rastersonden- Spitze (z. B. geätzte Goldspitze) befindet sich im Nahfeld einer Substratoberfläche.In order to find the relationships underlying the FNFM, the in 2 assumed geometry. An extremely sharp scanning probe tip (eg, etched gold tip) is located in the near field of a substrate surface.

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:

Figure 00040001
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:
Figure 00040002
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:
Figure 00040001
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:
Figure 00040002

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:

Figure 00050001
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:
Figure 00050001

Formal kann die Spitze/Substrat Kopplung durch Parallelschaltung eins Widerstands Rx und einer Stromquelle ix, wie in der 4 gezeigt, modelliert werden. Hier wird das Eigenrauschen von Eingansstufe des Verstärkers vernachlässigt. In der Praxis erreicht man dies mit Verwendung von parallel geschalteten niedrigrauschenden Vorverstärker und folgenden Korrelationsbearbeitung9.Formally, the tip / substrate coupling can be accomplished by connecting in parallel a resistor R x and a current source i x , as shown in FIG 4 shown, modeled. Here, the inherent noise of input stage of the amplifier is neglected. In practice, this is achieved by using low-noise preamplifiers connected in parallel and the following correlation processing 9 .

Wendet man jetzt das Nyquist-Theorem10 auf diese Schaltung an, ergibt sich für Ps→t:

Figure 00050002
Applying the Nyquist theorem 10 to this circuit now yields for P s → t :
Figure 00050002

Andererseits, gilt für die MSL Pt→s die vom Resonator über die Spitze in das Substrat transferiert wird, auch nach dem Nyquist-Theorem:

Figure 00050003
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:
Figure 00050003

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:

Figure 00050004
The spectral density of the noise voltage ⟨u 2 (ω)⟩ at the input of the amplifier results after a series of simple algebraic transformations:
Figure 00050004

Z(ω) ist hier die volle Impedanz der Schaltung:

Figure 00060001
Z (ω) here is the full impedance of the circuit:
Figure 00060001

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):

Figure 00060002
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:
Figure 00060003
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):
Figure 00060002
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 :
Figure 00060003

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:

Figure 00070001
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:
Figure 00070001

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, 4) und nachfolgende Rauschunterdrückung mit Hilfe von Korrelations- Messverfahren erlauben eine stabile Arbeit an vielen Proben und lösen das zweite Problem. Die 5 zeigt die Block-Schaltung des FNFM Prototyps, in dem die Signalbearbeitung nach dem beschriebenen Konzept erfolgt. Die Sondenspitze, der Probenhalter und die Eingangstufe der Elektronik sollen gut abgeschirmt werden. Die XYZ Verstellung des Substrathalters erfolgt über einen Teflon-Stab der auf dem XYZ-Piezo befestigt ist. Damit ist das Substrat von störenden externen Feldern isoliert. Die Abstandsregelung funktioniert wie in konventionellen Rastersonden-Mikroskopen. Wenn das Signal am Ausgang des Integrators einen vorgegebenen Soll-Wert erreicht schaltet sich der Regelkreis des Steuersystems ein. Weiter werden die Abweichungen vom Soll-Wert durch die Abstandsregelung minimiert. Das Regelsignal ist proportional zu einer Faltung der Signalleistung des bandbegrenzten Eingangsignals mit dem topographischen Profil der Oberfläche. Die Information über die lokale Temperatur, Dielektrizitätskonstante und Topographie kann wie oben verdeutlicht berechnet werden.The two low-noise field effect transistors (HEMTs in our setup, connected in parallel directly to the resonator, 4 ) and subsequent noise suppression by means of correlation measurement methods allow a stable work on many samples and solve the second problem. The 5 shows the block circuit of the FNFM prototype, in which the signal processing takes place according to the concept described. The probe tip, the sample holder and the input stage of the electronics should be well shielded. The XYZ adjustment of the substrate holder via a Teflon rod which is mounted on the XYZ piezo. This isolates the substrate from interfering external fields. The pitch control works as in conventional scanning probe microscopes. When the signal at the output of the integrator reaches a predetermined target value, the control system's control circuit is activated. Further, the deviations from the target value are minimized by the distance control. The control signal is proportional to a convolution of the signal power of the band-limited input signal with the topographic profile of the surface. The information about the local temperature, dielectric constant and topography can be calculated as explained above.

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

Figure 00080001
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
Figure 00080001
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.
Other possible uses of the FNFM method include:
  • 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.

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Claims (14)

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 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, - one Resonator connected to the scanning probe tip and - two with the resonator connected in parallel amplifier whose signal outputs connected to a correlator. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Rastersondenspitze eine scharfe geätzte Metallspitze eingesetzt wird.Scanning probe microscope according to claim 1, characterized in that that used as raster probe tip a sharp etched metal tip becomes. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Rastersondenspitze eine scharfe geätzte Wolfram-Spitze bedampft mit Silber und/oder Gold verwendet wird.Scanning probe microscope according to claim 1, characterized in that that a sharp etched tungsten tip steams as a scanning probe tip used with silver and / or gold. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine koaxiale Spitze als Rastersondenspitze eingesetzt wird.Scanning probe microscope according to claim 1, characterized in that that a coaxial tip is used as scanning probe tip. Verfahren zur Detektion und spektralen Analyse natürlicher thermischer elektromagnetischer Nahfelder an einer Oberfläche (FNFM) unter Verwendung eines Rastersondenmikroskops nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energie der natürlichen thermischen elektromagnetischen Nahfelder an einer Oberfläche mit einer scharfen elektrisch leitenden Rastersondenspitze mit einem Krümmungsradius im Nanometerbereich abgeleitet wird, – die von der Spitze abgeleitete Energie in dem angeschlossenen Resonator absorbiert wird, – das Ausgangssignal des Resonators an zwei mit dem Resonator verbundene parallel geschaltete Verstärker geleitet wird, und – die beiden Ausgangssignale der parallel geschalteten Verstärker einem Korrelator zugeführt werden.Method for the detection and spectral analysis of natural thermal electromagnetic near fields on a surface (FNFM) using a scanning probe microscope according to one of claims 1 to 4, characterized in that - the energy of the natural thermal electromagnetic near fields at a surface with a sharp electrically conductive scanning probe tip is derived with a radius of curvature in the nanometer range, - the energy derived from the tip is absorbed in the connected resonator, - the output signal of Resonator is passed to two connected in parallel with the resonator parallel amplifier, and - the two output signals of the parallel-connected amplifier are fed to a correlator. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung eines Kreuzkorrelationsverfahrens das Rauschen der Vorverstärker unterdrückt wird.Method according to claim 5, characterized in that that by using a cross-correlation method, the noise the preamp repressed becomes. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkte FNFM-Signal in einer schmalen Bandbreite in der Nähe der Resonanzfrequenz des Resonators gemessen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the amplified FNFM signal in a narrow bandwidth near the resonance frequency of the Resonator is measured. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass FNFM mit einer der bekannten SXM-Methoden (AFM, STM, SNOM u.a.) kombiniert und eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that FNFM with one of the known SXM methods (AFM, STM, SNOM et al.) Combined and used. Verwendung des Verfahrens nach einem Ansprüche 5 bis 8 zur Bestimmung der lokalen chemischen Zusammensetzung einer Oberfläche durch die spektrale Analyse des FNFM-Signals.Use of the method according to claims 5 to 8 for determining the local chemical composition of a surface the spectral analysis of the FNFM signal. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung gasförmiger Substanzen in der Nähe des Sensors durch die spektrale Analyse von Rotationsresonanzen.Use of the method according to one of claims 5 to 8 for determining the chemical composition of gaseous substances near of the sensor by the spectral analysis of rotational resonances. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Bestimmung der lokalen Spinrelaxation und der lokalen magnetischen Eigenschaften der Probe, die sich in einem äußeren Magnetfeld befindet.Use of the method according to one of claims 5 to 8 for determining the local spin relaxation and the local magnetic Properties of the sample, which is in an external magnetic field. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Bestimmung der lokalen Temperatur mit Nanometer-Auflösung.Use of the method according to one of claims 5 to 8 for determining the local temperature with nanometer resolution. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Vermessung der dielektrischen Eigenschaften einer Oberfläche.Use of the method according to one of claims 5 to 8 for measuring the dielectric properties of a surface. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Untersuchung der verborgenen und unter nicht rauschendem Materialrauschenden Partikeln.Use of the method according to one of claims 5 to 8 for the investigation of hidden and no-noise material noise Particles.
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