DE19947287C2 - Nahfeldmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Nahfeldmikroskop, mit einer strahlungsübertragenden Sondenspitze, welche die Beleuchtungsstrahlung einer Strahlungsquelle an eine zu untersuchende Probe im Nahfeld abgibt und/oder von der Probe abgegebene Probenstrahlung im Nahfeld aufnimmt, mit einer fokussierenden Spiegeloptik zur Weiterleitung der Beleuchtungsstrahlung oder der Probenstrahlung und mit einem die Probenstrahlung registrierenden Detektor, wobei die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung im Infraroten liegt.

Bei der optischen Nahfeldmikroskopie (SNOM = Scanning Near Field Optical Microscopy) wird die Wechselwirkung der Materie einer Probe mit elektromagnetischer Strahlung zur Mikroskopie ausgewertet. Die Wechselwirkung kann bei Reflexion oder Streuung der Strahlung an der Probe oder bei ihrer Transmission durch die Probe hindurch erfolgen. Dabei kann eine Auflösung erreicht werden, die unterhalb der Wellenlänge der eingesetzten Strahlung liegt. Hierfür wird ein Nahfeldsensor mit einer extrem feinen Sondenspitze in einem möglichst geringen Abstand in rastender Weise über die Probenoberfläche geführt. Die Sondenspitze kann mit einer nahezu punktförmigen Apertur versehen sein. So ist es bekannt, eine Glasfaser in einer feinen Spitze enden zu lassen und in dem sich im Querschnitt verjüngenden Teil mit einer für die einzusetzende Strahlung undurchlässigen Beschichtung zu versehen, wobei die vorderste Spitze frei gelassen wird. Durch die Apertur kann eine am anderen Ende in die Glasfaser eingekoppelte Strahlung austreten. Wegen der geringen Abmessungen der Apertur und wegen des geringen Abstandes wird eine für die gewünschte Auflösung hinreichend kleine Fläche der Probenoberfläche mit der Strahlung beaufschlagt. Um die Glasfasersonde herum ist ein Parabolspiegel angeordnet, der die von der Probenoberfläche reflektierte oder gestreute Strah­ lung in Richtung auf Detektionsmittel, z. B. Fotodioden, leitet. Der Parabolspiegel kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das in den Objektivrevolver eines konventionellen optischen Mikroskops eingeschraubt werden kann.

Weiterhin ist es bekannt (US 4 947 034) eine aperturlose Nahfeldsonde einzusetzen. Hierfür wird die Strahlung gezielt auf das Ende einer metallischen oder dielektrischen Sondenspitze gerichtet. Von der Sondenspitze wird die Strahlung zumindest zum Teil in Richtung auf die Probenoberfläche gestreut. Diese Streustrahlung wird nun nach Wechselwirkung mit der Probenoberfläche einer Auswertung zugeführt. Um eine wirkungsvolle Trennung der von der Sondenspitze ausgehenden Streustrahlung von der direkten Strahlung zu ermöglichen, wird während der Messung die Sondenspitze und/oder die Probe in Schwingungen versetzt.

Sowohl bei Sondenspitzen mit als auch bei solchen ohne Apertur ist es möglich, anstelle der von der Probenoberfläche reflektierten oder gestreuten Strahlung die durch die Probe transmittierte Strahlung zu detektieren.

Des weiteren ist es bekannt, die Probenoberfläche unmittelbar, d. h. nicht über die Sondenspitze, zu beleuchten und die Strahlung nach ihrer Wechselwirkung mit der Probenoberfläche über die Sondenspitze aufzufangen und dem Detektor zuzuführen. Durch die geringen Abmessungen der Apertur der Sondenspitze wird auch bei dieser Verfahrensweise gewährleistet, dass die detektierte Strahlung von einer für die gewünschte Auflösung hinreichend kleinen Fläche der Probenoberfläche stammt. Mit einer Sondenspitze kann auch Strahlung wieder aufgefangen werden, die zuvor aus derselben Sondenspitze ausgetreten und einer Wechselwirkung mit der Probe ausgesetzt worden ist.

Es können unterschiedlichste Nahfeldsondengeometrien vorgesehen sein. Die Sondenspitzen können z. B. einstückig mit einem Auslegerarm gefertigt oder an einem Auslegerarm nachträglich befestigt sein. Es ist bekannt, tetraederförmige Sonden zu verwenden, die an einen Schwingungsarm (tuning-fork) geklebt werden. Der Schwingungsarm wird in Schwingungen versetzt. Schwingungsänderungen aufgrund einer Wechselwirkung der Sondenspitze mit der Probe werden festgestellt und zur Regelung des Abstandes zwischen Sondenspitze und Probenoberfläche verwendet. Die Wahl für das Material der Sondenspitzen richtet sich nach der Wellenlänge der eingesetzten Strahlung. Bei einem bestimmten Bereich der Infrarotstrahlung kann das hierfür transparente Silizium eingesetzt werden. Für ultraviolette Strahlung kann sich Diamant oder Saphir eignen.

Ein Nahfeldmikroskop der eingangs genannten Art ist aus der US 5 473 157 bekannt. Bei dem dort offenbarten Nahfeldmikroskop wird entweder die Beleuchtungsstrahlung mit der fokussierenden Spiegeloptik unmittelbar auf die Probe gerichtet und die Probenstrahlung über eine Sondenspitze aufgenommen und von der Sondenspitze unmittelbar in einer Lichtleitfaser zur Weiterleitung an einen Detektor eingekoppelt, oder die Beleuchtungsstrahlung wird über die Lichtleitfaser und über die Sondenspitze auf die Probe gegeben und die Probenstrahlung über die Spiegeloptik zum Detektor weitergeleitet. Somit wird bei jeder Betriebsart entweder die Beleuchtungsstrahlung oder aber die Probenstrahlung über eine Lichtleitfaser geführt, was zu hohen Absorptionsverlusten führen kann. Insbesondere im infraroten Bereich sind lichtführende Glasoptiken nachteilig, da hierfür in der Regel Spezialgläser eingesetzt werden müssen.

Aus der US 5 808 790 ist ein Nahfeldmikroskop bekannt, bei dem die Beleuchtungsstrahlung über eine Linsenoptik auf die Rückseite einer aus einer Glasfaser gebildeten Sondenspitze fokussiert wird. Auch hier durchläuft zumindest die Beleuchtungsstrahlung erhebliche Wegstrecken in Glas.

Die WO 96/03641 offenbart unter anderem ein Nahfeldmikroskop, bei dem die Sondenspitze am Ende eines Auslegerarms angebracht ist und bei dem die Beleuchtungsstrahlung über ein Linsensystem auf die Rückseite der Sondenspitze fokussiert wird. Um einen Einsatz im Infrarotbereich zu ermöglichen, wird es offenbart, das Linsensystem aus einem Halbleitermaterial, z. B. Silizium, zu fertigen, um eine Transparenz für das Infrarotlicht zu erreichen (siehe insbesondere Fig. 3C und Fig. 6 sowie die zugehörigen Quellen der Beschreibung des genannten Standes der Technik).

Aus der EP 0 864 846 A2 ist ein Nahfeldmikroskop bekannt, bei dem die Beleuchtungsstrahlung über eine Lichtleitfaser, die in einer Sondenspitze endet, auf die Probe gegeben wird und die Probenstrahlung über eine fokussierende Spiegeloptik einem Detektor zugeführt wird.

Die DE 41 24 090 A1 offenbart ein Rastertunnelmikroskop, bei dem die Beleuchtungsstrahlung über eine fokussierende Linsenoptik in das rückwärtige Ende einer Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Der Einsatz einer fokussierende Spiegeloptik ist hier nicht offenbart.

Beim dargestellten Stand der Technik erfolgt zumindest ein Teil der Strahlungsführung über op­ tische Linsen oder Glasfaserkabel. Dies hat den Nachteil, dass stets eine nicht unerhebliche Ab­ sorption gegeben ist. Zudem sind Abhängigkeiten von der eingesetzten Wellenlänge gegeben. So leiten Glasfasern in der Regel nur in vorgegebenen Wellenlängenbereichen. Linsen zeigen chro­ matische Aberrationen, wodurch Ungenauigkeiten in der Strahlführung auftreten können.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit­ zustellen, mit der die Wegstrecke von infraroter Beleuchtungsstrahlung innerhalb eines Materials, wie z. B. Glas, herabgesetzt und zugleich eine erhöhte Strahlungsausbeute erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Sondenspitze am Ende eines Auslegerarmes angebracht ist, und dass die Spiegeloptik die Beleuchtungsstrahlung in die Rückseite der Sondenspitze einstrahlt oder die von der Sondenspitze aufgenommene und von oder Rückseite der Sondenspitze abgegebene Probenstrahlung zu dem Detektor weiterleitet.

Mit der fokussierenden Spiegeloptik kann die in die Spiegeloptik eingegebene Beleuchtungsstrahlung auf die Sondenspitze hin gebündelt werden. Besteht die eingekoppelte Strahlung aus einem Bündel paralleler Strahlen, treffen diese sich in einem definierten Fokuspunkt. Durchläuft die Beleuchtungsstrahlung nach Wechselwirkung mit der Probe die Sondenspitze, kann die Probenstrahlung mittels der fokussierenden Optik effektiv eingesammelt und weitergeleitet werden. Die Weiterleitung der Probenstrahlung zu dem mindestens einen Detektor kann über einen Strahlteiler erfolgen. Es ist möglich, die Beleuchtungsstrahlung über die fokussierende Optik und über die Sondenspitze auf eine Probe zu geben und gleichzeitig die Probenstrahlung nach ihrer Wechselwirkung mit der Probe über die Sondenspitze wieder einzufangen und über die fokussierende Optik dem mindestens einen Detektor zuzuführen.

Die Verwendung von Spiegeln bei gleichzeitig möglichst weitgehendem Verzicht auf Wegstrecken der Strahlung in Materialien, wie Glas, gewährleistet eine weitgehende Vermeidung von chromatischen Aberrationen sowie Absorptionsverlusten. Des weiteren kann für den Fall einer Wellenlängenänderung erreicht werden, dass sich der Fokuspunkt der fokussierenden Optik nicht maßgeblich verschiebt und damit die Effektivität der Einstrahlung einer elektromagnetischen Beleuchtungsstrahlung auf die Sondenspitze und/oder des Einsammelns der die Sondenspitze passierenden Probenstrahlung erhalten bleibt. Es ist möglich, die Strahlungswellenlänge unter Einsatz frequenzmodulierbarer Strahlungsquellen oder durch Verwendung mehrerer Strahlungsquellen zu variieren. Auf diese Weise können im Nahfeldbereich der Probe spektroskopische Messverfahren angewendet oder ganze Probenareale spektroskopisch analysiert werden. Dabei können alle Kontrastarten der optischen Nahfeldmikroskopie angewendet werden.

Die Sondenspitze weist eine Apertur auf. Die Apertur kann auf bekannte Weise durch Beschichtung der sich verjüngenden Seiten der Sondenspitze mit einem für die eingesetzte Strahlung undurchlässigen Material erzeugt werden kann, wobei das vorderste Ende der Sondenspitze von der Beschichtung freigelassen wird. Durch die Apertur kann sowohl Strahlung in Richtung auf eine Probe gegeben als auch von der Probe reflektierte, gestreute oder durch die Probe transmittierte Strahlung aufgefangen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die Spiegeloptik aus einem eine zentrale Durchgangsöffnung aufweisenden Hohlspiegel und einem zugehörigen zerstreuend wirkenden Konvexspiegel gebildet ist, wobei der Konvexspiegel zwischen dem Hohlspiegel und der Probe angeordnet und in seiner Stärke dem Hohlspiegel angepasst ist. Die beiden Spiegel sind in der Form ihrer spiegelnden Flächen so aufeinander abzustimmen, dass sie gemeinsam eine fokussierende Optik bilden, das heißt bei Eintritt paralleler Strahlen durch den Durchgang diese in einem Fokuspunkt gesammelt werden. Die Krümmungen der Spiegelflächen können dabei auch unstet sein. Beispielsweise kann der Konvexspiegel eine konische Form aufweisen, d. h. in einer Spitze enden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass ein von der Spiegeloptik unabhängiger, von einer reflektierenden Gehäuseinnenwand begrenzter, weiterer Strahlengang von vorzugsweise ringförmigem Querschnitt vorgesehen ist. Dieser weitere Strahlengang kann neben der Spiegeloptik als weiterer Zugang oder Abgang für Beleuchtungsstrahlung oder Probensstrahlung dienen.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass der Konvexspiegel einen geringeren Querschnitt als die zentrale Durchgangsöffnung besitzt. Damit ist es möglich, Probenstrahlung nach ihrer Wechselwirkung mit der Probe unmittelbar, d. h. ohne die Sondenspitze zu passieren und vom Hohlspiegel oder Konvexspiegel reflektiert zu werden, durch den Durchgang im Hohlspiegel hindurchtreten und dem mindestens einen Detektor zugeleitet werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass zur Veränderung der Fokusposition der Spiegeloptik der Hohlspiegel und der Konvexspiegel relativ zueinander verfahrbar oder verkippbar sind. Hiermit ist es möglich, mit dem Fokuspunkt wechselnden Positionen der Sondenspitze zu folgen. Dabei können der Hohlspiegel bzw. der Konvexspiegel jeweils allein oder gleichzeitig bewegt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die verwendete Strahlung eine Wellenlänge größer als 2 µm, insbesondere 5 µm bis 20 µm aufweist. Der Einsatz dieses Wellenlängenbereiches, bei dem insbesondere Raman-Spektroskopie durchgeführt werden kann, wird durch die Verwendung von Spiegeln für die fokussierende Optik erleichtert.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die Sondenspitze und die fokussierende Spiegeloptik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, das vorzugsweise in ein optisches Mikroskop an Stelle von dessen Objektiv einsetzbar ist. Die fokussierende Optik und die Nahfeldsonde stehen somit in einer festen geometrischen Beziehung zueinander.

Das Gehäuse kann zum Einsatz in einem Objektivrevolver vorgesehen sein. Dies setzt eine sehr kompakte Bauweise innerhalb des Gehäuses voraus. Hieraus ergibt sich als Vorteil eine grundsätzliche Einsetzbarkeit eines solchen die Sondenspitze und die fokussierende Spiegeloptik aufweisenden Gehäuses in unterschiedlichen Mikroskopen. Es ist möglich, vor und nach dem Betrieb der Vorrichtung als optisches Nahfeldmikroskop die Probe mittels optischer Mikroskopie zu betrachten. Bei einem lösbar an einem Objektivrevolver angebrachten Gehäuse kann zudem eine Mechanik zum Verfahren des kompletten Gehäuses senkrecht zur Probenoberfläche zwischen dem Gehäuse und dem Objektivrevolver angebracht werden. Das Gehäuse, die Mechanik und der Objektivrevolver können über Gewinde miteinander verbindbar sein.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass die Sondenspitze über die Probe rasterbar ist. Zusätzlich zur Rasterung kann eine Bewegung in einer zur makroskopischen Probenoberfläche senkrechten Richtung (Höhenregelung) erfolgen. Die Bewegung der Sondenspitze kann mittels einer Piezomechanik erfolgen, an dem der die Sondenspitze tragende Auslegerarm befestigt ist. Es wäre auch möglich, über die Pie­ zomechanik lediglich die Bewegung innerhalb der Ebene auszuführen und eine Höheneinrege­ lung durch Bewegung des Gehäuses zu erreichen. Die Bewegung von Teilen der fokussierenden Spiegeloptik dient zur Nachführung des Fokuspunktes bei sich ändernder Position der Sondenspitze. Es können gleichfalls Mittel zur Grobjustage der Sondenspitze und der fokussierenden Spiegeloptik vorgesehen sein, z. B. manuell bedienbare Gewindeelemente. Es ist sowohl für die rasternde Bewegung der Sondenspitze als auch für die Grobjustage möglich, die Bewegung von Teilen der fokussierenden Spiegeloptik und/oder der Sondenspitze miteinander zu koppeln. Damit könnten beispielsweise die Sondenspitze und der Konvexspiegel gleichzeitig durch Betätigen eines einzigen Elements derart bewegt werden, dass der Fokuspunkt stets der Bewegung der Sondenspitze folgt. Alternativ könnten auch Hohlspiegel und Sondenspitze sowie Hohlspiegel und Konvexspiegel oder sämtliche vorgenannten Teile miteinander für die Bewegung gekoppelt sein.

Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die fokussierende Spiegeloptik gleichzeitig als abbildende Optik ausgebildet sein. Die fokussierende Spiegeloptik gemäß Anspruch 1 muss nicht zwangsläufig auch zur Abbildung geeignet sein. Hat die Spiegeloptik jedoch auch abbildende Eigenschaften, kann sie in einem optischen Mikroskop als Teil des optisches Objektivs oder als Objektiv selbst eingesetzt werden. Damit ist es möglich, zunächst mit dem optischen Mikroskop die zu untersuchende Stelle auszusuchen und anschließend ohne Wechsel des Objektivs die optische Nahfelduntersuchung durchzuführen. Um abbildende Eigenschaften zu erhalten, müssen die Spiegelflächen der fokussierenden Optik in geeigneter Weise ausgebildet werden. Zur Ermittlung der geeigneten Spiegelformen können zum Beispiel Simulationsprogramme eingesetzt werden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass der weitere Strahlengang im Dunkelfeld des optischen Mikroskops verläuft. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als optisches Mikroskop im Dunkelfeldmodus betrieben werden. Es können grundsätzlich sämtliche Kontrastarten der optischen Mikroskopie angewendet werden.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass das Gehäuse von einem Kryostaten umgeben ist. Hierdurch werden spektroskopische SNOM-Untersuchungen in der Nähe des absoluten Nullpunktes ermöglicht.

Im folgenden wird anhand dreier Figuren eine vorteilhafte Ausbildungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung dargestellt.

Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 im Querschnitt ein Wechselobjektiv für ein optisches Mikroskop mit einer Nahfeldsonde,

Fig. 2 das Wechselobjektiv gemäß Fig. 1 in Aufsicht,

Fig. 3 eine mit Strahlung beaufschlagte Nahfeldsonde oberhalb einer zu untersuchenden Probenoberfläche und

Fig. 4 im Querschnitt ein weiteres Wechselobjektiv für ein optisches Mikroskop mit einer Nahfeldsonde.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein Wechselobjektiv im Querschnitt bzw. in Aufsicht, das in einem opti­ schen Mikroskop einsetzbar ist. Mit einem Gewinde 2 in der äußeren Wand 3 des Gehäuses 4 kann das Wechselobjektiv 1 z. B. in einen hier nicht dargestellten Objektivrevolver eines Mikro­ skops oder in eine hier ebenfalls nicht dargestellte Mechanik zum Verfahren des Gehäuses eingesetzt werden. Unterhalb des Wechselobjektivs 1 sind in Fig. 1 ein Probentisch 5 und eine zu untersuchende Probe 6 dargestellt. Die Größenverhältnisse, insbesondere zwischen Probe 6 und Wechselobjektiv 1, sind in den Figuren für eine verständliche Darstellung nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.

Innerhalb des Wechselobjektivs 1 befindet sich eine innere Wand 7, die über drei Stege 8 (Fig. 2) an der äußeren Wand 3 befestigt ist. Die innere Wand 7 schließt einen zylinderförmigen In­ nenraum ein, in dem eine von der inneren Wand 7 gehaltene fokussierende Optik 9 angeordnet ist. Die fokussierende Optik 9 besteht aus einem Hohlspiegel 10 und einem Konvexspiegel 11. Der Konvexspiegel 11 ist über Stege 12 an der inneren Wand 7 befestigt. Diese Befestigung ist über hier nicht dargestellte Mittel derart beweglich ausgestaltet, dass der Fokuspunkt der fokussierenden Optik 9 in der Höhe sowie lateral verschiebbar ist. Die fokussierende Optik 9 ist gleichzeitig als abbildende Optik ausgelegt. Hierfür wurden die Formen von Hohlspiegel 10 und Konvexspiegel 11 einander angepasst.

Durch einen Strahlungsdurchgang 13 im Hohlspiegel 10 kann Strahlung eingegeben werden, die nach Reflexion am Konvexspiegel 11 mittels des Hohlspiegels 10 fokussiert wird. Über ein an der inneren Wand 7 fixiertes Halteelement 14 ist im Wechselobjektiv 1 eine Nahfeldsonde 15 angeordnet. Die Nahfeldsonde 15 umfasst eine Piezomechanik 16, einen Auslegerarm 17 und eine Sondenspitze 18. Der Auslegerarm 17 sowie die Sondenspitze 18 sind vergrößert in Fig. 3 oberhalb der Probe 6 dargestellt. Mit der Piezomechanik 16 kann die Sondenspitze 18 innerhalb des Wechselobjektivs 1 justiert werden. Der verstellbare Fokuspunkt kann einer Positionsveränderung der Sondenspitze 18 folgen.

Mit der dargestellten Vorrichtung sind nun folgende Verfahrensweisen für die optische Nah­ feldmikroskopie möglich:
Über den Strahlungsdurchgang 13 wird Infrarotstrahlung in die fokussierende Optik 9 eingestrahlt und durch den Hohlspiegel 10 in Richtung auf die Sondenspitze 18 fokussiert. Die Strahlung, deren Gang in Fig. 1 durch die Linien 20 und in Fig. 3 durch die gestrichelten Linien 21 dargestellt ist, trifft auf die Rückseite 19 der Sondenspitze 18. Die Sondenspitze 18, im Falle von Infrarotstrahlung z. B. aus Silizium bestehend, weist an ihrer vordersten Spitze eine Apertur auf, die beispielsweise durch Beschichtung ihrer übrigen Oberfläche im sich verjüngenden Teil der Sondenspitze 18 mit einem für die eingesetzte Strahlung undurchlässigen Material erzeugt wird. Durch diese Apertur verlässt die über die unbeschichtete Rückseite 19 eingestrahlte Strahlung die Sondenspitze 18, trifft auf die Oberfläche 22 und wechselwirkt dort mit der Materie der Probe 6. Die von der Probenoberfläche 22 rückwärts gestreute Strahlung wird von an der äußeren Wand 3 des Wechselobjekts 1 angeordnete Spiegel 23 aufgesammelt und durch einen ringförmigen, von der äußeren Wand 3 und der inneren Wand 7 begrenzten Strahlungskanal 24 aus dem Wechselobjektiv 1 hinausgeführt. Die Spiegel sind hier einstückig mit der Gehäusewand dargestellt, können jedoch auch gesondert angebracht werden. Außerhalb des Wechselobjektivs 1 wird die aufgesammelte Streustrahlung mit hier nicht dargestellten Mitteln einem ebenfalls nicht dargestellten Detektor zugeführt. Nach jeder Messung wird der Probentisch 5 verfahren, so dass eine weitere Messung an einem anderen Ort der Probenoberfläche 22 stattfinden kann. Der Abstand zwischen der Sondenspitze 18 und der Probenoberfläche 22 wird über spezielle hier nicht dargestellte Sensoren eingeregelt, die Van- der-Waals-Kräfte, magnetische, elektrische oder sonstige Wechselwirkungen zwischen der Sondenspitze 18 und der Probenoberfläche 22 ausnutzen.

Es ist auch möglich, im Transmissionsmodus zu arbeiten und unterhalb der Probe 6 einen De­ tektor anzubringen, über den durch die Probe 6 transmittierte Strahlung untersucht werden kann. Es ist auch möglich, die von der Probenoberfläche 22 durch die Apertur der Sondenspitze 18 zu­ rückreflektierte oder -gestreute Strahlung zu sammeln und über den Strahlungsdurchgang 13 einem Detektor zuzuführen. Die reflektierte oder gestreute Strahlung kann aus dem Strahlengang mittels eines hier nicht dargestellten Strahlteilers ausgekoppelt werden.

Die Apertur der Sondenspitze 18 kann also sowohl als Strahlungsaustritt für die Beleuchtung der Probenoberfläche 22 als auch als Strahlungseintritt für die von der Probenoberfläche 22 reflek­ tierte oder gestreute oder die durch die Probe 6 transmittierte Strahlung dienen.

So kann eine Strahlungsquelle auch unterhalb der Probe 6 angeordnet sein. Die transmittierte Strahlung wird dann über die Apertur der Sondenspitze 18 aufgefangen und über die fokussierende Optik 9 und den Strahlungsdurchgang 13 dem Detektor zugeführt.

Über die fokussierende Optik 9 kann das Wechselobjektiv 1 auch als optisches Objektiv zur opti­ schen Mikroskopie, z. B. zur optischen Betrachtung der Probenoberfläche 22, dienen. Hierfür kann das Wechselobjektiv 1 im Hellfeldmodus oder im Dunkelfeldmodus verwendet werden. Für den Dunkelfeldmodus wird über den Strahlungskanal 24 Licht eingestrahlt und die Pro­ benoberfläche 22 über die fokussierende Optik 9 betrachtet. Im Hellfeldmodus wird die Pro­ benoberfläche z. B. in Durchsicht betrachtet. Der Fokuspunkt der fokussierenden Optik 9 kann über Bewegung des Konvexspiegels 11 bewegt werden.

Fig. 4 zeigt eine weiteres Wechselobjektiv 25 mit einem Gehäuse 26 und einem Gewinde 27 für den Einsatz in einem Objektivrevolver eines optischen Mikroskops. Die fokussierende Optik 28, die gleichzeitig als abbildende Optik ausgelegt ist, besteht aus einem in etwa konisch geformten Konvexspiegel 29 und einem Hohlspiegel 30. Der Hohlspiegel 30 weist einen Durchgang 31 auf, dessen Durchmesser in Richtung der optischen Achse der fokussierenden Optik 28 betrachtet ein Vielfaches des Durchmessers des Konvexspiegels 29 beträgt. Auf den Konvexspiegel 29 gerichtete Strahlung 36 wird vom Konvexspiegel 29 und vom Hohlspiegel 30 derart reflektiert, dass sie in einem Fokuspunkt gebündelt wird, der innerhalb einer Sondenspitze 32 einer Nahfeldsonde 33 liegt. Die Strahlung 36 kann durch die Sondenspitze 32 hindurchtreten und trifft auf die Probe 34, die auf einem Probentisch 35 liegt. Nach Wechselwirkung mit der Probe 34 kann die Strahlung 36 nun unmittelbar, d. h. ohne zuvor die Sondenspitze 32 zu durchlaufen und ohne Reflexion an einem der Spiegel 29 oder 30, durch den Durchgang 31 treten und einem hier nicht dargestellten Detektor zugeführt werden.

Bezugszeichenliste

1

Wechselobjektiv

2

Gewinde

3

äußere Wand

4

Gehäuse

5

Probentisch

6

Probe

7

innere Wand

8

Steg

9

fokussierende Optik

10

Hohlspiegel

11

Konvexspiegel

12

Steg

13

Strahlungsdurchgang

14

Halteelement

15

Nahfeldsonde

16

Piezomechanik

17

Auslegerarm

18

Sondenspitze

19

Rückseite

20

Strahlungslinien

21

Strahlungslinien

22

Probenoberfläche

23

Spiegel

24

Strahlungskanal

25

Wechselobjektiv

26

Gehäuse

27

Gewinde

28

fokussierende Optik

29

Konvexspiegel

30

Hohlspiegel

31

Durchgang

32

Sondenspitze

33

Nahfeldsonde

34

Probe

35

Probentisch

36

Strahlung

Claims (10)

1. Nahfeldmikroskop,
mit einer strahlungsübertragenden Sondenspitze (18), welche die Beleuchtungsstrahlung einer Strahlungsquelle an eine zu untersuchende Probe (6) im Nahfeld abgibt und/oder von der Probe (6) abgegebene Probenstrahlung im Nahfeld aufnimmt, mit einer fokussierenden Spiegeloptik (9) zur Weiterleitung der Beleuchtungsstrahlung oder der Probenstrahlung und mit einem die Probenstrahlung registrierenden Detektor, wobei die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung im Infraroten liegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sondenspitze (18) am Ende eines Auslegerarmes (17) angebracht ist und, dass die Spiegeloptik (9) die Beleuchtungsstrahlung in die Rückseite der Sondenspitze (18) einstrahlt oder die von der Sondenspitze (18) aufgenommene und von der Rückseite der Sondenspitze (18) abgegebene Probenstrahlung zu dem Detektor weiterleitet.

2. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloptik (9) aus einem eine zentrale Durchgangsöffnung (13) aufweisenden Hohlspiegel (10) und einem zugehörigen, zerstreuend wirkenden Konvexspiegel (11) gebildet ist, wobei der Konvexspiegel (11) zwischen dem Hohlspiegel (10) und der Probe (6) angeordnet und in seiner Stärke dem Hohlspiegel (10) angepasst ist.

3. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Spiegeloptik (9) unabhängiger, von einer reflektierenden Gehäuseinnenwand (23) begrenzter, weiterer Strahlengang von vorzugsweise ringförmigem Querschnitt vorgesehen ist.

4. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvexspiegel (11) einen geringeren Querschnitt als die zentrale Durchgangsöffnung (13) besitzt.

5. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Fokusposition der Spiegeloptik der Hohlspiegel (10) und der Konvexspiegel (11) relativ zueinander verfahrbar oder verkippbar sind.

6. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Strahlung eine Wellenlänge größer als 2 µm, insbesondere 5 µm bis 20 µm aufweist.

7. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenspitze (18) und die fokussierende Spiegeloptik (9) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) untergebracht sind, das vorzugsweise in ein optisches Mikroskop an Stelle von dessen Objektiv einsetzbar ist.

8. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenspitze (18) über die Probe (6) rasterbar ist.

9. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strahlengang im Dunkelfeld des optischen Mikroskops verläuft.

10. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) von einem Kryostaten umgeben ist.