Handout zur Vorlesung "Rastermethoden" - Teil 3

II. Optische Eigenschaften 

Rastermethoden 3 

Klaus Meerholz 

WS 2010/11 

Messung mit Fremdlicht 

• (traditionelle) Mikroskopie (Durchlicht, Auflicht) 

• UV/Vis-Spektroskopi e 

• IR- & Raman-Spektroskopi e 

• Ellipsometrie 

Detektion der Photolumineszenz 

• „normale“ Fluoreszenzmikroskopie (parallel) 

• konfokale Fluoreszenzmikroskopi e (rastern) 

• Nahfeld-Mikroskopie (SNOM) 

• Stimulated Emission Depletion (STED) 

Klaus Meer holz, Raster m ethoden 3 1 


II. Optische Methoden 

Lichtmikroskopie 

Messung mit 

• „Durchlicht“, Transmission (T) 

Mittelwert für durchstrahltes Volumen 

Kontrast durch 

• Unterschiede der Transmission („Durchlicht“) 

• Unterschiede der Reflektion („Auflicht“) 

• Kombination davon 

• „Auflicht“, Reflektion (R) 

Oberflächensens itiv 

• „Fluoreszenzanr eg un g“ 

– Anregung durch Lampen etc. 

– Laseranregung (Fokussierung möglich) 

• Berücksichtigung der Polarisation des Lichtes 



Fluoreszenzmikroskopie 

Konfokale Fluoreszenzmikroskopie 

Endothelzellen unter dem Fluoreszenz mik rosk op . 

Die einzelnen Bestandteile wurden 

mit sog. Fluoreszenz ma rk ern “gelabelt”: 

Mikrotubuli grün, 

Aktinfilamente rot 

DNA in den Zellkernen blau. 

Messprinzip: 

- Licht wird fokusiert und zurück reflektiert 

- Lochblende vor dem Detektor blendet unscharfe Reflexe aus 

- Rastertechnik 

- Auflösung lateral (x,y): beugungslimitiert /2 

- Auflösung axial (z): ca. 3x Beugungslimit 



1

Nahfeld-Mikroskop 

Scanning Near Field Optical Microscope (SNOM) 

STED (Fernfeld-Methode) 

STED = Stimulated Emission Depletion 

- Hohe lokale Lichtintensitäten 

- Lokale Raman und Fluoreszenz 

Spektroskopie 

- Auflösungslimit (x,y) ~ 50 nm 

Distance below of light ~ 10 nm 

Sample 

D. W. Pohl, W. Denk, M. Lanz Appl. Phys. Lett. 1984, 44, 651 

S.W. Hell, Göttingen 



STED 

STED 



Vergleich Konfokale Mikroskopie / STED 

Vergleich Konfokale Mikroskopie / STED 

Angefärbte 

Poren 

E-beam 

Lithography 



2

III. Elektrische & Elektronische Eigenschaften 

Leitfähigkeit 

• Leitf. AFM 

• Scanning Tunneling Microscope (STM) 

• REM 

Photostrom 

• Local Photocurrent Mapping (LPCM) 

STM 

Scanning Tunneling Microscopy 

Energieniveau s 

• Kelvin-Probe 



Zum Vergleich: AFM - Aufbau 

STM - Aufbau 

• Lateral: ca.100nm – 120µm 

• Tiefe: ca.1nm – 1µm 

Tisch/Scanner: Piezo-Keram ik 

• Lateral: 0.1 nm 

• Axial: 0.01 nm 

Tip: Pt-Ir Legierung (90:10) 

Wolfram, Gold 

Blei–Zirkonium-Titan Verbindungen 

Es gibt immer ein 

Atom, das „am 

nächsten dran ist“ 

(sub) atomare 

Auflösung 

Messaufbau 

Schematischer Aufbau 



STM Messprinzip: Tunnelstrom 

STM Modi 

E 

 

1. Constant Height 

2. Constant current 

E F 

i 

eU 

E F 

Probe 

d 

Spitze 

Tunneleffekt 

Tunnelvorgang zwischen Probe und Spitze 

Transmissionskoeffiz ie nt T: 

 

2 

2ma 

V 

16 E V E 2 

2 

0 

 

T 

e 

2 

V0 

 

0 

E 

 



3

STM Anwendungen 

STM: Imaging Graphite 

Application 

Topography 

Spectroscopy 

Scanning Tunneling 

Microscope (STM) 

Lithography 

Electro-Chemistry 

2,87 nm 1,43 nm 



Beispiele aus dem Praktikum: Gold 

Beispiele aus dem Praktikum: Graphit 

Mit Thiol-Schicht 

„mittelprächtig“ 

Blankes Gold 

„gut“ 



Beispiele aus dem Praktikum: Graphit 

STM: “Spektroskopie” 

CuN island @ Cu(100) 

Building a chain of Mn atom s 

„sehr gut“ 

„gut“ 

„mittelprächtig“ 

Cyrus et al., Science 312, 1021 (2006) 



4

Zusammenfassung STM 

• Nur (halb-) leitfähige Materialen 

• Elektronische Oberflächenstrukt ur entspricht nicht 

immer der Topographie 

• ST Spectroscopy (STS) 

LPCM 

Local Photocurrent Mapping 

• „Objektmanipulation“ auf atomarer/molekul arer 

Ebene 



Local Photocurrent Mapping (LPCM) 

Photovoltaic measurements 

P ositioning 

Mirrors (X/Y) 

Incr easing 

Focusing 

Intensity 

Laser 

Optics 

Glass 

Measur em ent 

Electr onics 

Set Voltage & Measur e Cur r ent 

ITO (Anode) 

Active Layer 

Metal (Cathode) 

V I Gold Pins 

Sample must show a 

photovoltaic effect 



LPCM 

Data Ev aluation: Histograms 

current map 

voltage map 

2600 

no device 

voltage 

map 

4000 

device 

4000 

current 

map 

2600 



5

Data Ev aluation: Histograms 

Feature Classification 

Al only 

LiF only 

no device 

Shadow m ask 

device 

E vapor ation 

sour ces 



IV. Chemische Zusammensetzung 

„Schonend“ 

• Elemente: Röntgenbeugung (EDX) 

• Leitfähigkeit (STM) 

• Elastizitätsmodul (AFM, Phase) 

• Austrittsarbeit, HOMO-Niveau (Kelvin Probe) 

„Destruktiv“ 

• Ablation mit anschließender chem. Analyse (HPLC, 

MS) 

Electronbeam-Samp le Interaction 

en tfe rn te s Elek tro n (SE) 

kontinuierliche Röntgenstrahlung 

(Brem ss tra hlu ng ) 

Primärst rahl 

elastische Streuung inelastische Streuung 

M 

L 

K 

ab ge lenk tes Prim är ele ktr on ( BSE) 

ch ar akt er istisch e Rön tge ns tra hlu ng 



EDX in SEM 

Kombinierte Methoden: EDX & SEM 

X-rays are generated by interaction 

between beam and sample in SEM 

In combination with other interaction products (SE, BSE) 

simultaneous morpholo gic al and elemental imaging is 

possible 



6

Elemental Mapping with EDX 

VI. Morphologie 

Ba 

EDX mapping of the barium (Ba), lead (Pb) 

and antimony (Sb) phases on a cross- 

sectioned gunshot residue (GSR) particle 

Es bilden sich Domainen aus, die sich durch folgende 

Parameter unterschieden können: 

Pb 

Sb 

• Härte (AFM Phase, AFM Ultraschall) 

• Fluoreszenz (PL-Mikroskopie, FLIM, SNOM, STED) 

• Leitfähigkeit (L-AFM, STM) 

• Photoleitfähigkeit (LPCM) 

• Elementverteilung (EDX) 

• Elektronenstreuung (TEM, SEM/cross section) 

5 µ m 

FEI GmbH 

• Oberfläche (Dectac, AFM) 



Thank You !! 

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