View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2 Grundlagen
Die Wahrheit und Einfachheit der Natur sind immer
die letzten Grundlagen einer bedeutenden Kunst.
Paul Ernst
Dieses Kapitel führt in die theoretischen Grundlagen für diese Arbeit ein. Bei
den Maxwell’schen Gleichungen beginnend wird die elektromagnetische Natur
des Lichts erörtert und die fundamentale Beschreibung in Form der Wellengleichung
gegeben. Hierbei werden die Unterschiede zwischen propagierenden und
evaneszenten Lichtfeldern aufgezeigt. Im Vordergrund der Betrachtung steht
die Bedeutung von evaneszenten Feldern für die optische Nahfeldmikroskopie.
Der zweite Abschnitt des Kapitels legt die theoretischen Grundlagen für die
Funktionsweise und das Messprinzip der optischen Rasternahfeldmikroskopie.
Zuletzt gibt der dritte Abschnitt des Kapitels eine allgemeine Einführung in die
Grundlagen der Photovoltaik mit Fokus auf der siliziumbasierende Dünnschichtphotovoltaik.
2.1 Grundlagen der Elektrodynamik
Maxwell’sche Gleichungen
Alle elektromagnetischen Phänomene der Natur werden vollständig durch die
von James C. Maxwell im Jahre 1873 aufgestellten und nach ihm benannten
Maxwell’schen Gleichungen und die aus ihr folgende Theorie zur Elektrodynamik
beschrieben. Diese bilden damit das Grundgerüst vieler physikalischer
Teilgebiete, insbesondere der Optik. Speziell das Gebiet der Nanooptik erlaubt
eine Vernachlässigung der elektromagnetischen Natur des Lichts nicht, da sie
sich im Wesentlichen mit optischen Phänomenen und Fragestellungen auf der
Nanometerskala, d. h. in einem Größenbereich unterhalb der Wellenlänge des
sichtbaren Lichts, beschäftigt. Die Maxwell’schen Gleichungen lauten in differentieller
Form wie folgt [26]:
∇·D = ρ (2.1)
∇×E = − ∂B
∂t
(2.2)
∇·B = 0 (2.3)
∇×H = j + ∂D
. (2.4)
∂t
E und H bezeichnen die elektrische bzw. magnetische Feldstärke, ρ die elektrische
Ladungsdichte und j die elektrische Stromdichte. Die magnetische Induktion
B und die dielektrische Verschiebung D sind für die Beschreibung der elektromagnetischen
Felder in Materie erforderlich. Sie sind mit den Feldern über die
Beziehungen
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