Optimization of the s-SNOM near-field nanoscopy for the investigation of transport phenomena on the nanometer length scale

  • Classical light microscopy is one of the main tools for science to study small things. Microscopes and their technology and optics have been developed and improved over centuries, however their resolution is ultimately restricted physically by the diffraction of light based on its wave nature described by Maxwell’s equations. Hence, the nanoworld – often characterized by sub-100-nm structural sizes – is not accessible with classical far-field optics (apart from special x-ray laser concepts) since its lateral resolution scales with the wavelength. It was not until the 20th century that various technologies emerged to circumvent the diffraction limit, including so-called near-field microscopy. Although conceptually based on Maxwell’s long known equations, it took a long time for the scientific community to recognize its powerful opportunities and the first embodiments of near-field microscopes were developed. One representative of them is the scattering-type Scanning Near-field Optical Microscope (s-SNOM). It is a Scanning Probe Microscope (SPM) that enables imaging and spectroscopy at visible light frequencies down to even radio waves with a sub-100-nm resolution regardless of the wavelength used. This work also reflects this wide spectral range as it contains applications from near-infrared light down to deep THz/GHz radiation. This thesis is subdivided into two parts. First, new experimental capabilities for the s-SNOM are demonstrated and evaluated in a more technical manner. Second, among other things, these capabilities are used to study various transport phenomena in solids, as already indicated in the title. On the technical side, preliminary studies on the suitability of the qPlus sensor – a novel scanning probe technology – for near-field microscopy are presented. The scanning head incorporating the qPlus sensor–named TRIBUS – is originally intended and built for ultra-high vacuum, low temperature, and high resolution applications. These are desirable environments and properties for sensitive nearfield measurements as well. However, since its design was not planned for near-field measurements, several special technical and optical aspects have to be taken into account, among others the scanning tip design and a spring suspended measurement head. In addition, in this thesis field-effect transistors are used as THz detectors in an s-SNOM for the first time. Although THz s-SNOM is already an emerging technology, it still suffers from the requirements of sophisticated and specialized infrastructure on both the detector and laser side. Field-effect transistors offer an alternative that is flexible, cost-efficient, room-temperature operating, and easy to handle. Here, their suitability for s-SNOM measurements, which in general require very sensitive and fast detectors, is evaluated. In the scientific part of this thesis, electromagnetic surface waves on silver nanowires and the conductivity/charge carrier density in silicon are investigated. Both are completely different concepts of transport phenomena, but this already shows the general versatility of the s-SNOM as it can enter both fields. Silver nanowires are analysed by means of near-infrared radiation. Their plasmonic behaviour in this spectral region is studied complementing other simulations and studies in literature performed on them using for example far-field optics. Furthermore, the surface wave imaging ability of the s-SNOM in the near-infrared regime is thoroughly investigated in this thesis. Mapping surface waves in the mid-infrared regime is widespread in the community, however for much smaller wavelengths there are several important aspects to be considered additionally, such as the smaller focal spot size. After that, doped and photo-excited silicon substrates are investigated. As the characteristic frequencies of charge carriers in semiconductors – described by the plasma frequency and the Drude model – are within the THz range, the THz s-SNOM is very well suited to probe their behaviour and to reveal contrasts, which has already been shown qualitatively by numerous literature reports. Here, the photo-excitation enables to set and tune the charge carrier density continuously. Furthermore, the analysis of all silicon samples focuses on a quantitative extraction of the charge carrier densities and doping levels ...
  • Klassische Lichtmikroskopie ist eines der Hauptwerkzeuge der Wissenschaft um „kleine Dinge“ zu untersuchen. Mikroskope und ihre Technik und Optiken wurden jahrhundertelang entwickelt und verbessert. Allerdings ist ihre Auflösung letztendlich durch die Beugungsbegrenzung des Lichtes physikalisch begrenzt, die auf dessen Wellennatur beruht und durch die Maxwell Gleichungen beschrieben wird. Daher ist die Nanowelt (häufig grob eingeordnet als Strukturgrößen unter 100 Nanometer) nicht mit klassischer Fernfeldoptik zugänglich (abgesehen von speziellen Röntgenlasern), da deren laterale Auflösung mit der Wellenlänge skaliert. Erst im 20. Jahrhundert sind verschiedene Technologien aufgekommen um dieses Limit zu umgehen, u.a. die sogenannte Nahfeld-Mikroskopie. Auch wenn sie konzeptionell auf den lange bekannten Maxwell-Gleichungen basiert, hat es doch eine lange Zeit gebraucht bis die Wissenschaftsgemeinde ihre vielseitigen Möglichkeiten erkannte und es erste Nahfeldmikroskop-Prototypen gab. Ein Repräsentant dieser Kategorie ist das Streutyp optisches Rastersonden-Nahfeld-Mikroskop (scattering-type Scanning Near-Field Optical Microscope, s-SNOM). Es basiert auf einem Rastersondenmikroskop (Scanning Probe Microscope, SPM) und ermöglicht Bildgebung und Spektroskopie bei sichtbaren Wellenlängen bis hinunter zu Radiowellen jeweils mit einer Auflösung von unter 100 nm unabhängig von der genutzten Wellenlänge. Dieses breite Spektrum möglicher Wellenlängen spiegelt sich auch in dieser Arbeit wider, die Anwendungen vom Nah-Infraroten Spektralbereich bis hinunter in den tiefen Terahertz-/Mikrowellen-Bereich präsentiert. Diese Doktorarbeit ist unterteilt in zwei Themengebiete. Zuerst werden neue technische Möglichkeiten für das s-SNOM demonstriert und evaluiert. Als Zweites werden u.a. diese neue Technologien genutzt um, wie bereits der Titel andeutet, verschiedene Transport-Phänomene in Festkörpern zu untersuchen. Auf der technischen Seite werden zum einen vorläufige Ergebnisse zur Eignung des qPlus-Sensors (einer neuen Rastersondenmikroskop-Technologie) als s-SNOM präsentiert. Der genutzte Messkopf, welcher auf der qPlus-Technologie basiert, wurde ursprünglich für Anwendungen im Ultrahochvakuum (UHV), bei tiefen Temperaturen und mit hohen Auflösungen geplant und gebaut. All das sind auch wünschenswerte Umgebungen und Eigenschaften für empfindliche Nahfeld-Messungen. Allerdings wurde der Messkopf nicht für Nahfeld-Messungen konzipiert, daher müssen viele technische und optische Aspekte beachtet werden. Die wesentliche technische Neuerung dieser Arbeit ist die Einführung von Terahertz Feldeffekttransistoren (TeraFETs) in die s-SNOM Technologie. Auch wenn das THz s-SNOM zunehmend in der Wissenschaft verbreitet ist, wird es immer noch von seinen hohen Anforderungen an die Emitter und Detektoren limitiert. Feldeffekttransistoren bieten sich als flexible, kostengünstige, bei Raumtemperatur arbeitende und leicht zu handhabende Alternative an. Ihre Eignung für s-SNOM Messungen, die im Allgemeinen sehr sensitive und schnelle Detektoren erfordern, wird hier untersucht. In dem wissenschaftlichen Abschnitt dieser Arbeit werden elektromagnetische Oberflächenwellen auf Silber Nanodrähten sowie die Leitfähigkeit bzw. Ladungsträger-Dynamik in Silizium untersucht. Beides sind komplett verschiedene Konzepte von „Transport-Phänomenen“, was bereits die allgemeine Vielseitigkeit des s-SNOMs andeutet, welches in beiden Feldern neue Erkenntnisse liefern kann. Die Silber Nanodrähten werden mittels Nah-Infrarot-Strahlung untersucht. Ihr plasmonisches Verhalten in diesem Spektralbereich wird analysiert und ergänzt Simulationen und andere experimentelle Untersuchungen in der Literatur wie Fernfeld-Experimente. Darüber hinaus wird die Fähigkeit des s-SNOMs Oberflächenwellen im Nah-Infraroten darzustellen umfassend untersucht. Das Abbilden von Oberflächenwellen im Mittel-Infraroten ist weit verbreitet in der Wissenschaft, für kleinere Wellenlängen allerdings gibt es einige zusätzliche Aspekte zu beachten wie beispielsweise die kleineren Fokusgrößen. Anschließend werden dotierte und photo-angeregte Silizium-Proben untersucht. Da die charakteristischen Frequenzen von freien Ladungsträgern in Halbleitern - beschrieben mittels Plasma-Frequenz und dem Drude-Modell - im THz-Bereich liegen, ist das THz s-SNOM gut geeignet um deren Verhalten und Kontraste zu messen, was bereits qualitativ in vielen Studien beschrieben ist. In dieser Arbeit ermöglicht die Photo-Anregung die Ladungsträgerdichte kontinuierlich einzustellen. Der Fokus der Datenanalyse der Silizium-Proben liegt auf der quantitativen Extraktion von Ladungsträgerdichte und Dotierungslevel ...

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Metadaten
Author:Matthias Marco WiechaORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-687064
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.68706
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Hartmut RoskosORCiDGND, Alvydas LisauskasORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2022/06/25
Year of first Publication:2021
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2022/06/20
Release Date:2022/07/25
Page Number:174
Last Page:168
HeBIS-PPN:497502887
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht