DE69019412T2

DE69019412T2 - Absorptionsmikroskopie und/oder -spektroskopie mit Abtastmikroskopiesteuerung.

Info

Publication number: DE69019412T2
Application number: DE69019412T
Authority: DE
Inventors: Hemantha K. Chappaqua N.Y. 10514 Wickramasinghe
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-04-07
Filing date: 1990-02-12
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2010-02-13
Also published as: EP0391040A2; US4941753A; DE69019412D1; EP0391040B1; JPH02287246A; JPH0795046B2; EP0391040A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von thermischen Raster-Absorptionsmessungen.
Dem Rastertunnelmikroskop (STM) und dessen Nachfolgern folgten verschiedene Techniken für die hochauflösende Mikroskopie. Im allgemeinen basiert die Raster-Spitzen-Mikroskopie auf der Fähigkeit, die Position einer Meßspitze unter Verwendung von Rückkopplungstechniken mit einer Genauigkeit von 0,1 nm zu steuern. Unter diesem Gesichtspunkt sind die Patente 3 973 122, 4 343 993, 4 522 510, 4 747 698, PCT/CH87/00166, sowie Kinoshita, "Sons of STM", Scientific American, Juli 1988; Hansma et al., "Scanning Tunneling Microscopy and Atomic Force Microscopy: Application to Biology and Technology", Science, 14. Oktober 1988, Seite 209; Matey, "Scanning Capacitance Microscopy", SPIE, Band 897, Seite 110, 1988 und Martin et al., "Tip Techniques for Microcharacterization of Materials", Scanning Microscopy, Band 2, Nr. 1, 1988 zu sehen.
Amer et al. ("Photothermal modulation of the gap distance in scanning tunneling microscopy", APPLIED PHYSICS LETTERS, Band 49, Nr. 3, Juli 1986, NEW YORK, Seiten 137 bis 139) offenbaren die Verwendung des photothermischen Effekts zur Modulation des Spaltabstandes bei einem Tunnelmikroskop, wobei das optische Aufheizen das Ausdehnen und Verwerfen der mit einem Laser beleuchteten Oberfläche bewirkt. Die Höhe der Oberflächenverschiebung kann durch Veränderung der Bestrahlungsintensität und der Modulationsfrequenz verändert werden.
Arnold et al. ("Laser-frequency mixing in the junction of a scanning tunneling microscope", APPLIED PHYSICS LETTERS, Band 51, Nr. 11, 14. September 1987, NEW YORK, Seiten 786 bis 788) offenbaren Untersuchungen bezüglich des Frequenzganges und der Frequenzmischungseigenschaften des Tunnelübergangs eines Rastertunnelmikroskopes (STM). Nach Arnold et al. bewirkt die in eine metallische Meßspitze eingekoppelte Laserstrahlung eines CO&sub2;-Lasers einen oszillierenden Strom, welcher zum Aufheizen der Meßspitze durch Leitung sowie zur Erzeugung eines oszillierenden elektrischen Feldes zwischen der Meßspitze und der Oberfläche führt. Desweiteren beeinflußt das oszillierende elektrische Feld die thermische Ausdehnung der Meßspitze und das Verziehen der Probenoberfläche.
Die Raster-Absorptionsmikroskopie gehört zum Stand der Technik. Typischerweise verwendet eine derartige Technik einen Pumpstrahl, der auf das zu untersuchende Objekt fällt. Ein Teil der einfallenden Energie wird durch das Objekt absorbiert, was zu einer Temperaturerhöhung führt. Die sich über das Objekt erstreckende räumliche Temperaturveränderung repräsentiert die Veränderungen der Absorption Objektes, die durch die einfallende Strahlung bewirkt wird. Diese Temperaturunterschiede können unter Verwendung einer temperaturempfindlichen Sonde abgebildet werden. Ein Beispiel einer temperaturempfindlichen Sonde ist ein Thermoelement; ein moderneres Beispiel für bolometrische Messungen findet man in der thermischen Raster-Profilmeßeinrichtung der US-A-4 747 698.
Ungeachtet der Möglichkeiten der dem Stand der Technik entsprechen Verfahren besteht der Wunsch nach Verbesserung der Auflösung derartiger Instrumente. Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Auflösung der thermischen Raster- Absorptionsmikroskopie und -Spektroskopie zu erhöhen oder zu verbessern.
Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Vorrichtung und ein Verfahren, wie sie in den Ansprüchen 1 beziehungsweise 8 definiert werden. Bevorzugte Ausführungsformen werden entsprechend der abhängigen Ansprüche 1 bis 9 und 11 bis 12 beansprucht.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Tunnel-Meßspitze teilweise für die Temperaturerfassung verwendet. Eine Probe (ein Meßobjekt) kann auf einem Substrat gehalten werden und wenn die Probe nichtleitend ist, trägt sie auf der dem Substrat abgewandten Oberfläche eine dünne leitfähige Schicht. Eine einfallende Energiewelle (welche eine akustische, optische oder andere sein könnte) trifft durch das Substrat hindurch, welches für die einfallende Strahlung durchlässig ist, auf die Probe auf. Die einfallende Energie wird durch die Probe absorbiert und bewirkt örtliche Temperaturänderungen über der Oberfläche. Wenn eine Deckschicht auf der Oberfläche erforderlich ist, (in dem Fall, wenn die Probe selbst nichtleitend ist), könnte ein dünner (zum Beispiel 1 nm) Film beispielsweise aus Kohlenstoff oder Platin eine geeignete Schicht sein. Mit dieser oder einer beliebigen anderen Deckschicht, welche dünn genug ist, werden die Temperaturänderungen über der Probe durch den leitfähigen Film zu der bestrahlten Oberfläche des Films übertragen. Eine Tunnelmeßspitze wird nahe an die verwendbare Oberfläche herangebracht (entweder, wenn vorhanden, die Oberfläche des leitfähigen Films oder eine Oberfläche der Probe) und ungefähr 0,5 nm über der verwendbaren Oberfläche positioniert. Der Tunnelstrom wird über eine Rückkopplungsschleife als Steuermechanismus verwendet, um den Abstand zwischen der Meßspitze und der verwendbaren Oberfläche aufrechtzuhalten. Auf Grund des kleinen Abstandes zwischen der verwendbaren Oberfläche und der Tunnelmeßspitze, befindet sich die Meßspitze im thermischen Gleichgewicht mit dem untersuchten Punkt der verwendbaren Oberfläche. An diesem Punkt wird der Tunnelmodus der Vorrichtung schlagartig ausgeschaltet (die Tunnelrückkopplungsschleife wird geöffnet), und es wird in eine Arbeitsweise umgeschaltet, in der das Übergangspotential zwischen der Meßspitze und der verwendbaren Oberfläche der Probe gemessen wird. Die Messung liefert ein genaues Meßsignal für die Temperatur des untersuchten Punktes. Die Temperatur anderer Oberflächenpunkte kann dadurch abgebildet werden, daß die Meßspitze über die Oberfläche der Probe gefahren wird, nachdem die Tunnelrückkopplungsschleife wieder geschlossen und dann geöffnet wird.
Während es möglich ist, das Gleichspannungs-Übergangspotential zu messen (als Meßsignal für die Gleichgewichtstemperatur), wäre es vorteilhaft, die Temperatur dynamisch zu messen, indem die Pumpleistung auf mehreren Frequenzen moduliert wird, zum Beispiel indem während der Antwort des Tunnelspitzensensors kurze Impulse oder ein Impulspaket kurzer Impulse mit gegebener Wiederholfrequenz (typischerweise um 1 kHz) verwendet werden und die Wechselspannungskomponente des Übergangspotentials mit derselben Wiederholfrequenz bestimmt wird. Die Wiederholfrequenz wird bei so niedriger Frequenz gewählt, daß der 1-Mikrometer- Punkt auf der Probe vor dem nächsten Heizabschnitt genug Zeit hat, sich durch thermische Diffusion in das Substrat mit hohem Diffusionsvermögen (welches beispielsweise Saphir, Diamant oder eine Diamant-Deckschicht sein könnte) abzukühlen. Dies ermöglicht eine bessere Unterscheidung der thermischen Signale vom Hintergrund und kann ebenfalls Effekte auf Grund von durch die Umgebung hervorgerufenen Temperaturdriften eliminieren.
Obwohl in der gerade beschriebenen Ausführungsform der Tunneleffekt als Steuermechanismus zum Aufrechterhalten des kleinen Abstandes zwischen der Meßspitze und der verwendbaren Oberfläche eingesetzt wurde, ist die Benutzung des Tunnelmechanismus für das Aufrechterhalten dieses Abstandes nicht wesentlich. Genauso können andere Techniken wie beispielsweise die Atomarkraftmikroskopie und die Kapazitätsmikroskopie verwendet werden. Mit diesen Techniken kann der Abstand zwischen der Meßspitze und der verwendbaren Oberfläche kontinuierlich gesteuert werden, ohne daß die Rückkopplungsschleife während der Messung des thermoelektrischen Signals ausgeschaltet werden muß.
Das thermische Gleichgewicht zwischen der Meßspitze und der verwendbaren Oberfläche im Übergangsgebiet kommt deshalb zustande, weil die Meßspitze so dicht vor der verwendbaren Oberfläche liegt, daß die elektronischen Zustände in der Meßspitze und auf der Oberfläche stark gekoppelt sind, so daß sich die Ferminiveaus am Übergang angleichen müssen. Wenn das Metall der Meßspitze und die verwendbare Oberfläche unterschiedliche Austrittsarbeiten haben, wird am Übergang eine entsprechende Stufe im Vakuumniveau auftreten. Diese Stufe ist genau das Kontaktpotential, welches die Differenz der Austrittsarbeiten der zwei Metalle darstellt. Die Temperaturabhängigkeit ergibt sich aus dem Umstand, daß die Austrittsarbeiten der zwei Metalle mit der Temperatur unterschiedlich ansteigen. Die Antwortzeit des Übergangspotentials bezüglich der Temperatur wird durch die Elektronendiffusion begrenzt und liegt in diesem Fall im Pikosekundenbereich, obwohl im praktischen Betrieb die elektronische Meßschaltung die Antwortzeit auf viel niedrigere Werte begrenzt. Zum Beispiel beträgt bei einer Wolfram-Meßspitze und einem Platin-Film die Empfindlichkeit ungefähr 10 uV/K und der typische Kontaktwiderstand des Übergangs ist bei einem Kontaktdurchmesser von 1 nm einige 10 Ohm. Die örtliche Temperaturauflösung, die in diesem Fall erreicht werden könnte, kann so klein sein, wie der Meßspitzendurchmesser (atomare Dimension wie beispielsweise 0,2 nm) und wird in der Praxis durch das Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt. Andererseits wird die beschriebene erreichbare Auflösung der Absorptionsabbildung durch die Dicke des leitfähigen Films begrenzt, der auf der Probenoberfläche abgeschieden wurde (wenn vorhanden), welcher die thermische Abbildung überträgt und 1 nm dünn gemacht werden kann.
Anstatt ein Querprofil zu verwenden, bei dem die Meßspitze an die verwendbare Oberfläche angrenzt (entweder die Oberfläche der Probe, wenn diese leitfähig ist oder ein leitfähiger Film, der auf der oberen Oberfläche der Probe abgeschieden ist) und bei dem die Probe durch das Substrat gehalten wird, wobei die Energie durch das Substrat auf die Probe gerichtet wird, kann auch eine davon verschiedene Anordnung verwendet werden. In Fällen, in denen beispielsweise Proben einen dünnen biologischen Film oder einen dünnen dielektrischen Film (typischerweise dünner als 2 nm) oder beides umfassen, kann das Querprofil folgendermaßen verändert werden. Die thermische Meßspitze befindet sich neben einer Oberfläche des dünnen biologischen Films, welcher durch den leitfähigen Film gehalten wird. Das Tunneln findet in diesem Fall zwischen der Meßspitze und dem leitfähigen Film durch die biologische Probe hindurch statt. Die Energie zur Beheizung der Probe wird auf dieselbe Oberfläche der biologischen Probe gerichtet, die der Meßspitze zugewandt ist.
Ausführungsformen wie die oben beschriebenen sollten bei der Absorptionsiaikroskopie Auflösungen von 1 nm oder besser erreichen. Desweiteren ist durch Abstimmung der Frequenz der einfallenden Strahlung eine Absorptionsspektroskopie mit gleicher räumlicher Auflösung im Nanometerbereich möglich.
Dementsprechend stellt die Erfindung eine Vorrichtung für thermische Absorptionsmessungen bereit, umfassend:
a) eine Probe mit einer leitfähigen Oberfläche und Mittel zum Festhalten der Probe für die Messung,
b) Mittel zum Richten von Energie auf die Probe, um ein örtliches Erhitzen der Probe zu bewirken, eine thermische Meßspitze, deren Austrittsarbeits mit steigender Temperatur anders wächst als die Austrittsarbeit der Oberfläche,
c) Haltemittel zum Halten der thermischen Meßspitze in ungefähr 1 nm Entfernung zur leitfähigen Oberfläche und
d) Meßmittel, die zur Messung des Übergangspotentials zwischen der thermischen Meßspitze und der leitfähigen Oberfläche an die thermische Meßspitze angeschlossen sind, um so die Messung der Temperatur des untersuchten Punktes zu erreichen.
Die Erfindung umfaßt ebenfalls:
Verfahren zur Durchführung von thermischen Raster-Absorptionsmessungen, umfassend:
a) Festhalten einer Probe, die eine leitfähige Oberfläche besitzt, zum Zweck der Messung,
b) Richten von Energiestrahlung auf die Probe, um ein örtliches Erhitzen der Probe zu erreichen,
c) Positionieren einer thermischen Meßspitze, deren Austrittsarbeit fit steigender Temperatur anders wächst als die Austrittsarbeit der Oberfläche, in solch unmittelbarer Nähe zu der leitfähigen Oberfläche, daß sich die Ferminiveaus zwischen der Meßspitze und der Oberfläche angleichen, wobei eine örtliche Trennung zwischen der Meßspitze und der leitfähigen Oberfläche aufrechterhalten wird und
d) Messung eines Übergangspotentials zwischen der thermischen Meßspitze und der leitfähigen Oberfläche, um damit die Messung der Temperatur des untersuchten Punktes zu erreichen.
Nachstehend werden Wege zur Realisierung der Erfindung mit Bezug auf Zeichnungen, welche lediglich spezielle Ausführungsformen illustrieren, detailliert beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung zur Durchführung der Absorptionsmikroskopie unter Verwendung des Tunneleffekts ist;
Fig. 2 eine Alternative ist, die für dünne biologische Proben geeignet ist; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung ist, die Fig. 1 gleicht, jedoch ist die Abstimmvorrichtung 315 hinzugefügt worden, wodurch spektroskopische Anwendungen möglich werden.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Durchführung der Absorptionsmikroskopie. In Fig. 1 wird eine zu untersuchende Probe 10 auf einem Substrat 12 gehalten. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist die Probe 10 nichtleitend und ein dünner leitfähiger Film bedeckt eine verwendbare Oberfläche der Probe 10. Eine thermische Meßspitze 21 (welche die gleichen Merkmale besitzt wie die Tunnelspitze in einem STM) wird zur Ausführung dreidimensionaler Bewegungen durch einen piezoelektrischen XYZ-Antrieb 20 gehalten. Eine Leitung 22 ist sowohl mit der Meßspitze 21 als auch mit einem Anschluß 33 einer Umschaltvorrichtung 30 verbunden. Eine Leitung 41 ist mit dem leitfähigen Film 11 und mit einem Anschluß 37 der Umschaltvorrichtung 30 verbunden. Die Umschaltvorrichtung 30 besitzt zwei bewegliche Schaltkontakte 32 und 36, welche zusammen betätigt werden. Wenn die Schaltkontakte in der als Vollinie dargestellten Position befinden, verbindet der Schaltkontakt 32 die Anschlüsse 33 und 34 während der Schaltkontakt 36 die Anschlüsse 37 und 38 verbindet. In der als Strichlinie dargestellten Position verbindet Schaltkontakt 32 die Anschlüsse 33 und 35 und Schaltkontakt 36 verbindet die Anschlüsse 37 und 39. Anschluß 38 ist mit Masse verbunden, während Anschluß 39 auf einem geeigneten Potential liegt. Anschluß 35 ist über einen Strom-Spannungs-Verstärker 54 und eine Abtast- und Halteschaltung 55 mit dem Eingang einer Schaltungsanordnung verbunden, die mit dem zugeordneten Verstärker 23 zur Tunnel- Rückkopplungsschleife des STM gehört. Die STM-Tunnel-Rückkopplungsschleife verläuft über die Meßspitze 21, die Leitung 22, den Anschluß 33, den Schaltkontakt 32, den Anschluß 35, den Strom-Spannungs-Verstärker 54, die Abtast- und Halteschaltung 55, den Widerstand 25, den Verstärker 23, die Leitung 26 auf den Z-Eingangsanschluß des piezoelektrischen XYZ-Antriebs 20. Die Aufgabe der STM-Tunnel-Rückkopplungsschleife besteht darin, den Abstand d zwischen einem Endpunkt der Meßspitze 21 und der verwendbaren Oberfläche der Probe aufrechtzuhalten. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird der Abstand d zwischen dem äußersten Ende der Meßspitze 21 und der verwendbaren Oberfläche des Films 11 gemessen, weil die Probe 10 auf sich einen Film 11 trägt. In anderen Ausführungsformen, in denen die Probe 10 leitfähig ist, wäre der Film 11 nicht vorhanden und somit würde der Abstand d zwischen dem äußersten Ende der Meßspitze 21 und der verwendbaren Oberfläche der Probe 10 gemessen. Die STM-Tunnel-Rückkopplungsschleife hält den Abstand d durch Vergleich der am Widerstand 25 entstehenden Spannung (hervorgerufen durch den Tunnelstrom, der durch die Spannungsquelle v über den Abstand d und durch den Strom-Spannungs-Wandler getrieben wird) mit der Spannung vref, die über den Widerstand 24 auf einen Eingang des Verstärkers 23 geschaltet wird, aufrecht.
Auf Basis des vorstehenden und der Beschreibung der Arbeitsweise eines Rastertunnelmikroskopes, die in der US-A-4 343 993 angegeben ist, sollte ersichtlich werden, daß so lange sich die Schaltkontakte 32 und 36 in der als Strichlinie dargestellten Position befinden, die Tunnel-Rückkopplungsschleife den Abstand d zwischen einem äußersten Ende der Meßspitze 21 und der verwendbaren Oberfläche und/oder dem Film aufrechthält. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung geeignete Abstände d liegen in der Größenordnung von 1 nm, was ein hinreichend kleiner Abstand ist, so daß sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen der Meßspitze und der Oberfläche einstellt.
Die Quelle 15 wird bereitgestellt, um Strahlung zu erzeugen und auf die Probe 10 zu fokussieren, was durch 16 dargestellt wird. Bei der in Fig. 1 dargestellten Geometrie, fällt diese Energie durch das Substrat 12 auf die Probe 10, deshalb wird ein Substrat verwendet, das für die durch die Quelle 15 erzeugte Energie relativ transparent ist. Die Quelle 15 und die ihr zugeordneten Fokussierstrukturen können verschiedene Formen haben. In einer Ausführungsform ist die Quelle 15 ein Laser mit einer zugeordneten optischen Fokussiereinrichtung. Alternativ dazu könnte die Quelle 15 ein Mikrowellengenerator (zum Beispiel 10 GHz) mit einer konventionellen Fokussiervorrichtung sein. Als weitere Alternative könnte die Quelle 15 eine Röntgenquelle oder eine Ultraschallquelle wieder mit zugeordneten konventionellen Fokussieranordnungen sein. Der Zweck der einfallenden Strahlung liegt darin, eine örtliche Erhitzung der Probe 10 zu bewirken, um zu ermöglichen, daß infolge der örtlichen Erhitzung Temperaturänderungen innerhalb der Probe gemessen werden können.
Der Zeitgeber 50 stellt über die Leitung 51 ein Modulationssignal zur Modulation der Leistung der Quelle 15 mit einer Wiederholfrequenz bereit, die biei so niedriger Frequenz gewählt wird, so daß der bestrahlte Punkt auf der Probe ausreichend Zeit hat, um sich durch thermische Diffusion in das Substrat mit hohem Diffusionsvermögen 12 abzukühlen. Typischerweise mit einer Frequenz von ungefähr 1 kHz. Der Zeitgeber 50 liefert das Modulationssignal mit der Wiederholfrequenz. Alternativ dazu kann der Zeitgeber ein Paket mit kurzen Impulsen bereitstellen, wobei sich die Impulspakete mit der Wiederholfrequenz wiederholen.
Der Zeitgeber 50 liefert über die Leitung 52 ein Steuersignal, um die Stellung der Umschaltvorrichtung 30 zu steuern. Somit wird zu bestimmten Zeitpunkten die Umschaltvorrichtung 30 so gesteuert, daß die Stellung der Schaltkontakte 32 und 36 von der als Strichlinie dargestellten Position auf die als Vollinie dargestellte Position geändert wird. Gleichzeitig mit dem Steuersignal über Leitung 52, liefert der Zeitgeber 50 ein Steuersignal über Leitung 56 an die Abtast- und Halteschaltung 55, daß diese vom kontinuierlichen Abtastmodus für vt auf den Haltemodus umschaltet, wenn die Umschaltvorrichtung 30 die als Vollinie dargestellte Position einnimmt. Dies gestattet es dem Integrationsverstärker 23, seine Ausgangsspannung für den Z-Piezo zu halten und somit, wenn die Tunnel-Rückkopplungsschleife geöffnet ist und das Übergangspotential gemessen wird, auch die Z-Position der Meßspitze. In der als Vollinie dargestellten Position legt der Schaltkontakt 36 den Film 11 auf Masse. Gleichzeitig wird das Potential der Meßspitze 21 über die Leitung 22 an den Schaltkontakt 32 und in dessen als Vollinie dargestellten Position über den Anschluß 34 an den Verstärker 40 angelegt. Der Verstärker 40 kann durch ein Steuersignal auf Leitung 53 gleichzeitig mit der Steuerung der Umschaltvorrichtung auf die als Vollinie dargestellte Position freigegeben werden. Wenn der Film 11 auf Masse liegt, ist das an der Meßspitze 21 gemessene Potential (welches das Potential ist, das an den Eingang des Verstärkers 40 angelegt wird) gleich dem Übergangspotential zwischen der Meßspitze 21 und der leitfähigen Oberfläche 11. Das Ausgangssignal des Verstärkers 40 wird für den Detektor 45 bereitgestellt, der beispielsweise ein Lock-in-Detektor sein kann, um den Wert dieses Potentials zu erfassen und das Ausgangssignal des Detektors 45 wird als Eingangssignal auf die Anzeige 60 gegeben. Dementsprechend zeigt die Anzeige 60 in der als Vollinie dargestellten Position der Umschaltvorrichtung 30 das Übergangspotential (zwischen der Meßspitze 21 und dem Film 11) an der x- y-Position der Meßspitze an, die durch die Signale an den x- und y-Eingängen der Anzeige 60 dargestellt wird.
Indem die Meßspitze 21 unter Verwendung der in die x- und y-Eingänge des piezoelektrischen xyz-Antriebes 20 eingegebenen Signale über die Oberfläche der Probe bewegt wird, wobei sich die Umschaltvorrichtung in der als Strichlinie dargestellten Position befindet, kann die Tunnelspitze durch Aufrechterhalten des Abstandes d die Oberfläche der Probe abbilden. An jedem Punkt, an welchem eine Temperaturmessung gewünscht wird, wird die Umschaltvorrichtung 30 in die als Vollinie dargestellte Position umgeschaltet und dann zurück in die als Strichlinie dargestellte Position. In der als Vollinie dargestellten Position des Schalters 30 kann das Übergangspotential an einem Punkt gemessen werden, so daß das Übergangspotential der gesamten verwendbaren Oberfläche abgebildet werden kann.
Die Steuersignale des Zeitgebers 50 takten die Umschaltvorrichtung 30 mit einer Frequenz, die mindestens zehn mal größer ist als die Wiederholfrequenz des Modulationssignals, das über Leitung 51 bereitgestellt wird, typischerweise mit einer Frequenz von mindestens 10 kHz.
In dem Fall, wenn die Probe 10 leitfähig ist, besteht kein Bedarf für einen leitfähigen Film 11 und somit hängt die Messung vom Potential zwischen der Meßspitze und der Probe ab.
Wenn δT die Temperaturänderung an einem Punkt auf der Probe ist, die durch die einfallende Energie bewirkt worden ist, die Empfindlichkeit des Übergangspotentials gegenüber Temperaturänderungen und Rj der Widerstand zwischen Meßspitze und Probe sind, können wir für das S/N-Verhältnis (in dem Fall, in dem das Kontaktpotential durch einen hochohmigen Verstärker gemessen wird) schreiben:
wobei gilt: K = Boltzmann Konstante, T = Absolute Temperatur und Δf = Bandbreite der Messung. Mit = 10 pV/K, R = 100 Ω, T = 300 K und S/N = 1 ergibt sich die minimal nachweisbare Temperaturänderung ΔTmin = 0,0001 K.
Die beste räumliche Auflösung, die erreicht werden kann, hängt von S/N ab, was wiederum vom maximalen thermischen Kontrast abhängig ist, der erreicht werden kann. Um die höchste Temperaturänderung eines absorbierenden Bereiches der räumlichen Ausdehnung δa zu erhalten, muß die Impulsbreite hinreichend kurz sein, so daß die gesamte Energie, die in den absorbierenden Bereich übertragen wird, ohne Diffusion während der Impulsdauer absorbiert wird. Dies ergibt einen Ausdruck, der die Impulsbreite δt zur Auflösung δa über die effektive thermische Diffusionslänge in der Probe in Relation setzt.
δa = [2Kδt/π C]½
worin K die thermische Leitfähigkeit ist, δt die Impulsbreite und K/( C) das thermische Diffusionsvermögen sind. Dies zeigt, daß es mit Impulsen im ps-Bereich möglich sein sollte, Absorptionen in nm Bereichen zu erhalten, ohne daß thermische Diffuslonsvorgänge den Temperaturanstieg begrenzen. Wenn δα der differentielle Absorptionskoeffiziente über dem Durchschnittswert innerhalb der Probe am untersuchten Punkt ist, I die Intensität des auf das Objekt auftreffenden Strahlungsflusses während des Zeitabschnitte δt, die Dichte und C die spezifische Wärme des Objektes sind, können wir als Ausdruck für den Temperaturanstieg ΔT schreiben:
ΔT - δαIδT/ C
Mit ps-Impulsen, bei denen eine Maximalleistung von 100 W auf 1 um fokussiert wird und unter Betrachtung einer biologischen Probe mit einem differenziellen des optischen Absorptionskoeffizienten zu seiner Umgebung von 100.000 /m erhält man einen geschätzten maximalen Temperaturanstieg von 2 K. Dies liegt vier Größenordnungen über der Nachweisgrenze der Temperaturmessung. Es sollte jedoch hervorgehoben werden, daß das System auch mit viel breiteren Impulsen im us- oder gar im ms-Bereich mit entsprechend reduziertem Temperaturanstieg arbeitet.
Ein anderer Weg zur Erfassung der temperaturabhängigen Veränderungen der Austrittsarbeit würde darin bestehen, die Meßspitze in Richtung der Z-Achse mit einer Frequenz schwingen zu lassen, die außerhalb des Frequenzbandes des Tunnelregelkreises liegt, während dieser Regelkreis geschlossen ist und die Komponente des Tunnelstromes, die der Schwingfrequenz entspricht, zu messen. Dieses Signal ist proportional zu (((φw + φpt)/2)½. Dieses Signal verändert sich jedoch viel langsamer mit der Temperatur und kann zusätzlich nicht schneller als die Schwingungsfrequenz auf Temperaturänderungen reagieren.
In Fig. 2 sind die Beziehungen zwischen der Tunnelspitze, der Umschaltvorrichtung 30 und der damit verbundenen Schaltungsanordnungen, einschließlich des piezoelektrischen xyz-Antriebes 20, mit denen von Fig. 1 identisch. Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 darin, daß die untersuchte Probe 10' ein dünner biologischer Film oder ein dünner dielektrischer Film sein kann (typischerweise dünner als 2 nm), welcher wiederum von einem leitfähigen Film 11' gehalten wird. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform findet das Tunneln zwischen der Meßspitze 21 und dem leitfähigen Film 11' statt. Die fokussierte Energie 16, die von der Quelle 15 ausgeht, wird auf den zu untersuchenden Punkt auf der Probe 10' fokussiert, d.h. auf den Punkt gegenüber der Tunnelspitze 21. In anderer Hinsicht arbeitet die Vorrichtung von Fig. 2 auf dieselbe Weise, wie sie mit Bezug auf Fig. 1 erklärt wurden.
Wenn auch die Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 STM-Techniken für das Aufrechthalten des Abstandes der Meßspitze 21 benutzen, so ist wie oben erwähnt die Verwendung von STM-Techniken für diesen Zweck nicht wesentlich. Stattdessen können andere Techniken wie die Atomarkraftmikroskopie oder die Kapazitätsmikroskopie die STM-Technik ersetzen. Ein Vorteil bei der Verwendung anderer Techniken als STM liegt darin, daß wenn andere Techniken als STM verwendet werden, die Umschaltvorrichtung 30 entfallen kann, weil diese Techniken nicht auf dem Tunnelstrom aufbauen.
Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf Mikroskopieanwendungen konzentriert hat, ist es für den Fachmann verständlich, daß unter Verwendung derselben Architektur auch spektroskopische Anwendungen implementiert werden können, indem lediglich die Abstimmbarkeit der Quelle 15 gewährleistet wird. Fig. 3 beispielsweise, welche der Fig. 1 stark ähnelt, unterscheidet sich von dieser durch die Verwendung einer Frequenzsteuereinrichtung oder einer Abstimmeinheit 315 zur Veränderung der Frequenz oder Wellenlänge der durch die Quelle 15 erzeugten Energie. Indem die Frequenz oder Wellenlänge der Energie, die durch die Quelle 15 erzeugt wird, abgestimmt wird, können Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen oder Wellenlängen ausgeführt werden.
Anwendungen des optischen Absorptionsmikroskopes schließen die optische Spektroskopie einzelner Moleküle und die Lokalisierung von Farbstoffmolekülen, die selektiv auf biologischen Oberflächen angebracht sind, unter Verwendung von Immuno-Fluoreszenzverfahren ein. Sie sollten die Erkennung des Protein- und DNA- Aufbaus durch selektives Einfärben der Nukleotiden mit unterschiedlichen Farbstoffmolekülen und Identifikation der räumlichen Anordnung mit dem Absorptionsmikroskop ermöglichen.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung von thermischen Raster-Absorptionsmessungen, die folgenden Schritte umfassend:

a) Festhalten einer Probe (10), die eine leitfähige Oberfläche (11) besitzt, zum Zweck der Messung,

b) Richten von Energiestrahlung auf die Probe (10), um ein örtliches Erhitzen der Probe (10) zu erreichen,

c) Positionieren einer thermischen Meßspitze (21), deren Austrittsarbeit mit steigender Temperatur anders wächst als die Austrittsarbeit der Oberfläche (11), in solch unmittelbarer Nähe zu der leitfähigen Oberfläche (11), daß sich die Ferminiveaus zwischen der Meßspitze (21) und der Oberfläche (11) angleichen, wobei eine örtliche Trennung zwischen der Meßspitze (21) und der leitfähigen Oberfläche (11) aufrechterhalten wird und

d) Messung eines Übergangspotentials zwischen der thermischen Meßspitze (21) und der leitfähigen Oberfläche (11), um damit die Messung der Temperatur des untersuchten Punktes zu erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin in dem Schritt c) ein Abstand von ungefähr 1 nm zwischen der thermischen Meßspitze (21) und der leitfähigen Oberfläche (11) aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Schritt b) desweiteren das Abstimmen der Wellenlänge der auf die Probe (10) gerichteten Energiestrahlung als Funktion der Zeit enthält.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, worin der Schritt a) das Bereitstellen eines für die Energiestrahlung durchlässigen Substrates (12) und das Richten der Energiestrahlung durch das Substrat (12) auf die Probe (10) enthält.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, worin die Probe (10) nichtleitend ist, der Schritt a) das Bereitstellen eines Halters (12) mit der leitfähigen Oberfläche (11) umfaßt und der Schritt b) das Richten der Energiestrahlung auf eine Oberfläche der Probe (10) und das Halten der leitfähigen Oberfläche (11) an eine andere Oberfläche der Probe (10) umfaßt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, das weiterhin enthält, daß die thermische Meßspitze auf die Probe (10) abgebildet wird, um so einen Bereich der Probe (10) abzurastern.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, worin der Schritt b) die zeitliche Modulation der Energiestrahlung umfaßt und daß Schritt d) die Detektion eines Wechselspannungs-Übergangspotentials zwischen der thermischen Meßspitze (21) und der leitfähigen Oberfläche (11) umfaßt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, worin der Schritt c) den Schritt ci) Erzeugen eines Tunnelstromes zwischen der thermischen Meßspitze (21) und der Probe (10) und cii)überwachen des Tunnelstromes zur Aufrechterhaltung der örtlichen Trennung, umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin der Überwachungsschritt unterbrochen wird, wenn die Messung von Schritt d) ausgeführt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung von thermischen Raster-Absorptionsmessungen, die vorzugsweise für ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird, umfassend:

a) eine Probe (10) mit einer leitfähigen Oberfläche (11) und Mittel zum Festhalten (12) der Probe (10) für die Messung,

b) Mittel zum Richten von Energie (15) auf die Probe (10), um ein örtliches Erhitzen der Probe (10) zu bewirken,

eine thermische Meßspitze (21), deren Austrittsarbeits mit steigender Temperatur anders wächst als die Austrittsarbeit der Oberfläche (11),

c) Haltemittel zum Halten der thermischen Meßspitze (21) in ungefähr 1 nm Entfernung zur leitfähigen Oberfläche (11) und

d) Meßmittel, die zur Messung des Übergangspotentials zwischen der thermischen Meßspitze (21) und der leitfähigen Oberfläche (11) an die thermische Meßspitze (21) angeschlossen sind, um so die Messung der Temperatur des untersuchten Punktes zu erreichen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Probe (10) nichtleitend ist und die leitfähige Oberfläche (11) einen dünnen leitfähigen Film (11) umfaßt, der durch die Probe (10) getragen wird und zwischen der Probe 10 und der thermischen Meßspitze (21) liegt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, worin die Haltemittel Tunnelstrommittel umfassen, die die örtliche Trennung zwischen der thermischen Meßspitze (21) und der Probe (10) aufrechterhalten, wobei die Tunnelstrommittel einen piezoelektrischen Antrieb (20) zur Steuerung der Bewegung der thermischen Meßspitze (21) auf die Probe (10) zu und von der Probe (10) weg, einen zwei-Positionen-Schalter (30) und einen Operationsverstärker (23) enthalten, dessen Ausgang an den piezoelektrischen Antrieb (20) angeschlossen ist und wobei der Operationsverstärker (23) einen Eingang besitzt, der über den zwei-Positionen-Schalter (30) in einer ersten Position an die thermische Meßspitze (21) angeschlossen ist, um den Tunnelstrom der thermischen Meßspitze (21) zu leiten und wobei die Meßmittel umfassen:

einen Stromdetektor (45) und einen Verstärker (40), dessen Ausgang an den Stromdetektor (45) angeschlossen ist und dessen Eingang über den zwei-Positionen-Schalter (30) in einer zweiten Position mit der thermischen Meßspitze (21) verbunden ist.