Absolute Messung elektronischer Eigenschaften mit einer THz-Nanosonde

Bei der PTB wurde ein neuartiger Kalibrierungs­ansatz für die Streulicht­nahfeld­mikroskopie entwickelt

Schema der s-SNOM Messung. Durch das neue Kalibrierverfahren kann aus dem von der höhenmodulierten SNOM-Spitze (grau) lokal gestreute Licht (gelb) die Permittivität ɛ der Probe bestimmt werden. Dies passiert mit einer Auflösung weit unterhalb des Beugungslimits (rot). © PTB

In der Streulichtnahfeldmikroskopie (scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy, s-SNOM) wird THz-Strahlung (z. B. aus dem Elektronenspeicherring Metrology Light Source MLS) auf eine metallisierte Sonde fokussiert, um THz-Spektroskopie unterhalb des Beugungslimits an nanoskaligen Materialsystemen zu ermöglichen, wobei die Sonde wie eine optische Antenne fungiert.  Das an der Sonde abgestrahlte bzw. gestreute Licht variiert dabei mit der dielektrischen Leitfähigkeit (Permittivität) der Probe. Somit ist die Permittivität im gestreuten Licht kodiert.

Um die bei dieser Methode auftretenden komplexen Nahfeld-Wechselwirkungen zwischen Sonde und Probe zu vereinfachen und die Permittivität präzise zu extrahieren, wurde ein neuartiger Kalibrierungsansatz entwickelt. Hierbei wird das gestreute Licht auf bekannte Permittivitäten kalibriert. Im Gegensatz zu herkömmlichen stationären Kalibrierungsmethoden, die in der Mikrowellentechnik verwendet werden, berücksichtigt dieser Ansatz die Modulation der Distanz zwischen der s-SNOM-Sondenspitze und der Probe. Dies ist notwendig, um das gestreute Licht im Umfeld der Spitze vom eingestrahlten Licht zu unterscheiden und eine hohe Ortsauflösung zu erzielen. Die Kalibrierungsmethode nutzt eine Fourier-Reihen-Darstellung des gestreuten Lichts, die auf der nichtlinearen Abhängigkeit von der Sondenspitzen-Distanz basiert und mehrere Harmonische der Abtastfrequenz berücksichtigt. Die Methode wurde an einem kommerziellen System getestet, wobei die Kalibrierung bei Siliziumproben mit unterschiedlichen Dotierungsstufen eine zuverlässige Permittivitätsbestimmung ermöglichte.

Der neue Kalibrierungsansatz ermöglicht es, die lokale Permittivität und damit die lokale Ladungsträgerdichte und -mobilität präzise zu bestimmen. Die Ergebnisse bieten neue Perspektiven für die Anwendung der s-SNOM-Technik in der kontaktlosen elektrischen Analyse von Nanostrukturen.

Veröffentlichung:

Calibration method for complex permittivity measurements using s-SNOM combining multiple probe tapping harmonics
D. Siebenkotten et al., Opt. Express, 32, 23882
https://doi.org/10.1364/OE.523785

Ansprechpartner:

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Bernd Kästner
Arbeitsgruppe 7.11: IR-Spektrometrie
Bernd.Kaestner(at)ptb.de

PTB-Nachricht vom 11.11.2024