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Nano-optical mapping of permittivity contrasts and electronic properties at the surface and beneath = Nano-optische Abbildung von Permittivitätskontrasten und elektronischen Eigenschaften an der Oberfläche und darunter



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Benedikt Hauer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVIII, 134 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015


Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-04-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-022343
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466653/files/466653.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466653/files/466653.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Experimentalphysik I A und I. Physikalisches Institut (131110)
  2. Lehr- und Forschungsgebiet Metamaterialien und Nano-Optik (136720)
  3. Fachgruppe Physik (130000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; near-field optics (frei) ; mid-infrared (frei) ; nano-optics (frei) ; SNOM (frei) ; NSOM (frei) ; microscopy (frei) ; subsurface imaging (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Streulicht-Nahfeldmikroskopie (s-SNOM) ermöglicht optische Messungen mit einer Auflösung weit unterhalb des Beugungslimits mittels der optischen Nahfeldwechselwirkung zwischen einer beleuchteten Spitze und der Probe. Da Nahfelder nicht auf die unmittelbare Probenoberfläche beschränkt sind, ist mit dieser Methode eine quantitative Untersuchung von vergrabenen Strukturen möglich. Darüber hinaus ermöglicht Streulicht-Nahfeldmikroskopie in Verbindung mit abstimmbaren monochromatischen Lichtquellen auch lokale optische Spektroskopie auf einer Längenskala von unter 50 nm. In dieser Arbeit wird der mittlere infrarote Spektralbereich zwischen 5 µm und 11 µm verwendet, um Proben mit Hinblick auf ihre freien Ladungsträger und optischen Phononen zu untersuchen.Die Möglichkeiten der Streulicht-Nahfeldmikroskopie werden von zwei Perspektiven betrachtet. Im ersten Teil dieser Arbeit werden generelle Fragestellungen adressiert, die die Abbildungseigenschaften und die zugrundeliegende Physik betreffen. In diesem Zusammenhang wird ein neues Modell zur theoretischen Beschreibung der Nahfeldwechselwirkung mit geschichteten Proben vorgestellt, das eine quantitative Analyse von gemessenen Kontrasten ermöglicht. Zusätzlich wird das Auflösungsvermögen und die Messempfindlichkeit für Objekte, die von einer dielektrischen Schicht bedeckt sind experimentell untersucht.Ein grundlegender Unterschied zwischen beugungsbegrenzter Spektroskopie und Nahfeldspektroskopie ist, dass die evaneszenten Felder an der Tastspitze hohe Werte für den lateralen Anteil des k-Vektors aufweisen. Die Bedeutung dieser Komponente für die Anregung von Oberflächenwellen (Oberflächen-Plasmon-Polaritonen und Oberflächen-Phonon-Polaritonen) wird erörtert. Auch der Fall von hoch-dispersiven Oberflächenwellen in aufkommenden zweidimensionalen Systemen wie Graphen wird betrachtet.Im zweiten Teil wird die Anwendbarkeit der Streulicht-Nahfeldmikroskopie für die Untersuchung von Nanostrukturen, die über eigens hergestellte Modellsysteme hinausgehen demonstriert. An drei verschiedenen Materialien wird gezeigt, dass die Methode Einsicht in Phänomene bietet, die anderweitig nur schwer zugänglich sind:Die Ladungsträgerdichte von dotierten Indiumarsenid-Nanodrähten kann mit einer Genauigkeit von 10% bestimmt werden, ohne die Probe elektrisch zu kontaktieren. Das ist bei Weitem ausreichend, um leichte unbeabsichtigte Abweichungen in der Ladungsträgerdichte zu erfassen. Aus diesem Grund ist Streulicht-Nahfeldmikroskopie als eine Routine-Methode für die Messung der Dotiereffizienz in Nanostrukturen vorstellbar.An chemisch synthetisierten Antimontellurid-Plättchen wurde eine zuvor unbekannte, hoch-symmetrische Domänenstruktur nachgewiesen. Durch Spektroskopie und Modellrechnungen kann der Ursprung dieser Domänen mit unterschiedlichen Ladungsträgerdichten erklärt werden. Ein Vergleich zu unterschiedlich hergestellten Proben aus demselben Material zeigt, dass diese Entdeckung in Zusammenhang steht mit dem speziellen Kristallisationsprozess von Plättchen, die aus der Lösung synthetisiert werden.Schließlich werden die Auswirkungen von ausgedehnten Kristall-Defekten in epitaktischen Schichten aus Siliziumkarbid auf die lokalen phononischen Eigenschaften untersucht. Wie sich herausstellt, haben typische Arten von Defekten einen starken Einfluss auf das von der Spitze gestreute Nahfeld. Die Konsequenzen davon für auf Oberflächen-Phonon-Polaritonen basierende Verwendungsmöglichkeiten von Siliziumkarbid werden erörtert.Insgesamt zeigen die Anwendungen auf Nanodrähte, Plättchen und epitaktische Schichten, dass Streulicht-Nahfeldmikroskopie eine geeignete Methode ist für die Untersuchung von Systemen und Materialien, die derzeit von hohem wissenschaftlichen Interesse sind. Die Fortschritte in der mathematischen Beschreibung von Nahfeldkontrasten ermöglicht eine Auswertung von Messungen an vertikal inhomogenen Proben. Das ist von großer Bedeutung für die Etablierung der Methode als nichtinvasive Messtechnik für die Charakterisierung von Dünnfilmen. Zusammengefasst ist diese Arbeit ein Beleg dafür, dass Streulicht-Nahfeldmikroskopie im mittleren Infrarotbereich einen vielfältigen Zugang zu grundlegenden materialspezifischen Fragestellungen in der modernen Festkörperphysik bietet.

Scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) enables optical measurements with a resolution far below the limit of diffraction via the optical near-field interaction between a sharp illuminated tip and the sample. Since near-fields are not restricted to the immediate surface of the sample, the method enables a quantitative investigation of buried structures. Furthermore, in combination with tunable monochromatic light sources, s-SNOM allows for local optical spectroscopy on a lateral scale below 50 nm. Within the scope of this work the mid-infrared spectral range between 5 µm and 11 µm is applied to investigate samples with respect to their free charge carriers and optical phonons.The capabilities of s-SNOM are regarded from two perspectives. In the first part of this work, general questions concerning the imaging properties and the underlying physics are addressed. In this context, a new model for the theoretical description of the near-field interaction with stratified samples is presented, which enables a quantitative analysis of measured contrasts. Additionally, the resolution and sensitivity to objects covered by a dielectric layer is experimentally investigated.A fundamental difference between diffraction-limited spectroscopy and near-field spectroscopy is that in s-SNOM the evanescent fields at the tip provide high in-plane components of the k-vector. The significance of these components for the excitation of surface waves (surface plasmon polaritons and surface phonon polaritons) is discussed. Also the case of strongly dispersive surface waves in emerging two-dimensional systems like graphene is considered.In the second part, the applicability of s-SNOM for the investigation of nanostructures is demonstrated on samples beyond specifically designed model systems. On three different materials it is shown that s-SNOM provides insight into phenomena that are hard to address with other methods:The charge carrier density of doped indium arsenide nanowires can be quantified with an accuracy of 10% without the need for contacting the sample electrically. This is by far sufficient for the detection of slight unintended variations in the charge carrier concentration. Therefore, s-SNOM can be thought of as a routine tool for the measurement of the doping efficiency in nanostructures.On chemically synthesized antimony telluride platelets, a previously unknown highly symmetric pattern of domains has been detected. Using spectroscopy and model calculations the origin of these domains can be explained with different charge carrier densities. A comparison to differently prepared samples of the same material shows that this finding is related to the specific crystallization process of platelets synthesized from solution.Finally, the effect of extended crystallographic defects in silicon carbide epitaxial layers on the local phononic properties is investigated. It is found that common types of extended defects in epitaxial layers strongly influence the near-field scattered by the tip. Implications on potential silicon carbide-based devices relying on surface phonon polaritons are discussed.Together, the applications on nanowires, platelets, and epitaxial films demonstrate the suitability of s-SNOM for the investigation of systems and materials that are of high relevance in current research. The advances in the mathematical description of near-field contrasts enables an analysis of measurements on vertically inhomogeneous samples. This has a high significance for the establishment of the method as a noninvasive metrology for the characterization of thin films. Altogether, this work is a demonstration of the potential of mid-infrared near-field microscopy as a versatile approach to address fundamental material-specific questions in modern solid state physics.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT018665035

Interne Identnummern
RWTH-2015-02234
Datensatz-ID: 466653

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Physics
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
136720
130000
131110

 Record created 2015-05-13, last modified 2023-04-08