Die Welt aus Sicht der DME-Instrumente - Optischer Nahfeldmikroskopie (SNOM)

Gemessen von: Institut für Angewandte Physik, Technische Universität Braunschweig
Gemessen mit: DS 45-40

Eine der vielfältigsten aber auch gleichzeitig aufwendigsten Rastersondenmikroskopiemessungen ist die optische Nahfeldmikroskopie (Scanning Optical Nearfield Microscope, SNOM oder NSOM). Diese Klasse von Geräten wird dazu verwendet, elektromagnetische Wechselwirkungen (Licht) mit einer Auflösung zu untersuchen, die kleiner ist als die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Wellen. Hier gibt es ebenfalls vielfältige Möglichkeiten: Beim apertureless SNOM verwendet man eine normale Metall- oder Halbleiterspitze und nutzt die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Probenoberfläche und Spitze aus, um optische Signale zu verstärken. Beleuchtet man den Punkt auf der Probenoberfläche, an dem sich Spitze und Probe am nächsten sind, mit einem Laser, wird die Wechselwirkung zwischen Probe und Licht an der Position der Spitze verstärkt und man kann so elektromagnetische Informationen in der Größenordnung der Spitzengeometrie erhalten. Dies wird insbesondere zur Verstärkung von Raman-Signalen (Tip-Enhanced Raman) ausgenutzt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine feine Glasfaserspitze zur Konzentration des Lichts zu verwenden. Dabei kann die Glasfaser sowohl zum Beleuchten als auch zum Aufsammeln des detektierten Lichts dienen (Illumination-Collection-Mode SNOM), und man kann Photolumineszenzexperimente mit Auflösungen unterhalb der Lichtwellenlänge durchführen. Dies wird besonders interessant, wenn man als Detektor eine Kombination aus CCD-Kamera und Monochromator verwendet und das Messen eines kompletten optischen Spektrums an jedem Punkt der Probenoberfläche (Optische Nahfeld Spektroskopie) erlaubt. Für viele Experimente noch interessanter ist, dass diese Messungen bei sehr tiefen Temperaturen durchgeführt werden können. In optischen Halbleitern z.B. treten viele quantenmechanische Effekte erst bei tiefen Temperaturen auf.

Mit einem optischen Nahfeldspektroskop lassen sich durch Verfahren der Detektionswellenlänge recht interessante Animationen erstellen. Diese Seite zeigt eine Zusammenstellung diverser Photolumineszenzmessungen an optischen Halbleitern.

Jede Animation wurde aus den Daten einer einzelnen Messung erstellt.

Blinkende Quantenpunkte
Wellenlängenabhängige Photolumineszenz

Bilddaten
Bildgröße:5 x 5 μm
Temperatur:ca. 50 K
Anzahl Punkte:128 x 128 in x,y; 1024 in Z (Wellenlänge)
Gesamt-Datenmenge:33,5 MB
Räumlich integriertes opt. Spektrum:Spektrum

Das Video zeigt die wellenlängenabhängige Emission von InP (Indiumphosphid) Quantenpunkten (eingebettet in GaInP, Substrat GaAs). Die Probe stammt vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart.

An den Rändern des Emissionsspektrums emittieren nur vereinzelte Quantenpunkte, was wie ein zufälliges Aufblitzen an verschiedenen Stellen aussieht. Nähert sich die Wellenlänge dem Emissionsmaximum, beginnen immer mehr Quantenpunkte zu emittieren. Im Emissionsmaximum können die emittierenden Quantenpunkte nicht mehr separiert werden, da deren Dichte zu groß ist und das Auflösungsvermögen nicht mehr ausreicht. Verlässt man das Emissionsmaximum, reduziert sich die Dichte, so dass am langwelligen Rand wieder einzelne Quantenpunkte erkennbar werden.

Schaut man ganz genau hin, lässt sich erkennen, dass am langwelligen Ende des Emissionsspektrums die emittierenden Bereiche längliche Gebilde formen, am kurzwelligen Ende dagegen kleine runde: Die langwelligen Emissionen stammen aus gekoppelten Quantenpunkten. Es kommt nicht oft vor, dass man derartige Effekte direkt beobachten kann.

Optische Intensität
Kopplung von Quantenpunkten

Gerissene Halbleiterstruktur
Wellenlängenabhängige Photolumineszenz

Bilddaten
Bildgröße:15 x 15 μm
Temperatur:Raumtemperatur
Anzahl Punkte:128 x 128 in x,y; 1024 in Z (Wellenlänge)
Gesamt-Datenmenge:33,5 MB
Räumlich integriertes opt. Spektrum:

Reißt eine Halbleiterstruktur, relaxieren an den Rissen die Gitterkonstanten. Dies führt zu einer Veränderung der Emissionswellenlänge. Diesen Effekt kann man gut mit dem Nahfeldspektroskop beobachten. Im Video kann man sehr schön das "Umschalten" zwischen nah an Rissen gelegenen Bereichen und weiter davon entfernten Bereichen sehen.

Optische Intensität
Topographie
Höhenunterschied ca. 350 nm
Optische Intensität
Verschiebung des Maximums
Variation ca. 4 nm (rechts).

Beide Informationen wurden gleichzeitig gemessen.

InGaN-LED bei Raumtemperatur
Wellenlängenabhängige Photolumineszenz

Bilddaten
Bildgröße:15 x 15 μm
Temperatur:Raumtemperatur
Anzahl Punkte:128 x 128 in x,y; 1024 in Z (Wellenlänge)
Gesamt-Datenmenge:33,5 MB
Räumlich integriertes opt. Spektrum:

Emission einer normalen blauen InGaN-LED bei Raumtemperatur. Die Emission gleicht eher einer Punktwolke als einer flächigen Emission. Eine auf Saphirsubstrat gewachsene InGaN-LED-Struktur weist sehr viele Defekte auf. In der Umgebung der Defekte tritt keine Lumineszenz auf, deshalb die inhomogene Emission.

Ungleichmäßige lateral gewachsene InGaN-Struktur
Wellenlängenabhängige Lumineszenz

Bilddaten
Bildgröße:20 x 20 μm
Temperatur:Raumtemperatur
Anzahl Punkte:128 x 128 in x,y; 1024 in Z (Wellenlänge)
Gesamt-Datenmenge:33,5 MB
Räumlich integriertes opt. Spektrum:

Oftmals tut sich mehr unter der Oberfläche als die Topographie vermuten lässt. In diesem Fall zeigt das Video dramatische Unterschiede in der Lumineszenz, obwohl die Topographie an den dunklen Stellen ähnlich aussieht wie anderswo.

Topographie
Topographie
Höhenunterschied ca. 400 nm

Lateral gewachsene GaN-Struktur bei einer Temperatur von ca. 50 K
Wellenlängenabhängige Photolumineszenz

Bilddaten
Bildgröße:10 x 10 μm
Temperatur:ca. 50K
Anzahl Punkte:128 x 128 in x,y; 1024 in Z (Wellenlänge)
Gesamt-Datenmenge:33,5 MB
Räumlich integriertes opt. Spektrum:

Die Probe besteht aus lateral gewachsenen Bereichen mit niedriger Defektdichte und aus vertikal gewachsenen Bereichen mit hoher Defektdichte. Die Defekte wirken als nichtstrahlende Rekombinationszentren und haben eine stark reduzierte Lumineszenz in ihrer Umgebung zur Folge. In der SNOM-Messung erscheinen die lateral gewachsenen Bereiche wesentlich heller als die vertikal gewachsenen.

Ein Vergleich mit dem (gleichzeitig erhaltenen) Topographiebild rechts zeigt, dass die Furchen in der Topographie genau in der Mitte der lateral gewachsenen Zonen liegen. (Vgl. F. Hitzel et al., Appl. Phys. Lett. 82, 4071 (2003) )

Im Video kann man sehr schön erkennen, wie die Strukturinformation nur bei Wellenlängen innerhalb des Emissionspeaks sichtbar wird. Es sind keine Reflexionen oder ähnliches vorhanden, die ein wellenlängenunabhängiges Signal verursachen. Es ist eine der Besonderheiten der Nahfeldspektroskops, durch die Wellenlängensensitivität Störsignale von echten Informationen unterscheiden zu können.

Optische Intensität
Topographie
Höhenunterschied ca. 300 nm
Optische Intensität
Peakbreite
Variation ca. 2 nm
Optische Intensität
Verschiebung des Maximums
Variation ca. 1 nm

Alle Informationen sind gleichzeitig gemessen.

Lateral gewachsene InGaN-Struktur
Wellenlängenabhängige Photolumineszenz

Bilddaten
Bildgröße:10 x 10 μm
Temperatur:ca. 50K
Anzahl Punkte:128 x 128 in x,y; 1024 in Z (Wellenlänge)
Gesamt-Datenmenge:33,5 MB
Räumlich integriertes opt. Spektrum:

Indium-Gallium-Nitrid reagiert beim Wachsen sehr empfindlich auf etwaige Topographieunterschiede der Unterlage. Bei auf strukturierten Oberflächen gewachsenen Schichten lassen sich mit dem SNOM eine Vielzahl verschiedener Emissionswellenlängen beobachten.

Im räumlich integrierten optischen Emissionsspektrum erkennt man noch ein Ansteigen der Intensität zu höheren Wellenlängen. Dies ist ein Artefakt durch in den Optiken bzw. dem Strahlteiler erzeugte Lumineszenz. Da diese Störung positionsunabhängig ist, erscheint sie nicht in den optischen Bildern.

Optische Intensität
Topographie
Höhenunterschied ca. 500 nm

Blauverschobene InGaN-Facetten
Wellenlängenabhänige Lumineszenz

Bilddaten
Bildgröße:15 x 15 μm
Temperatur:ca. 50K
Anzahl Punkte:128 x 128 in x,y; 1024 in Z (Wellenlänge)
Gesamt-Datenmenge:33,5 MB
Räumlich integriertes opt. Spektrum:

Die Topographie zeigt, dass sich bei der Probe an der Oberfläche verschiedene Kristallfacetten ausgebildet haben. Auf dieser Struktur wurden InGaN Quantenfilme gewachsen. Schaut man sich die Emissionswellenlängen der verschiedenen Bereiche im Video an, wird deutlich, dass die schräggestellten Kristallfacetten stark blauverschobene Emission aufweisen (mehr als 150 meV). Ein Indiz für den Defektinaktivierungsprozess in InGaN-LEDs. (vgl. A. Hangleiter et al., Phys. Rev. Lett. 95, p. 127402 (2005))

Topographie
Topographie
Höhenunterschied ca. 750 nm

Einzelner InGaN-Quantenfilm auf lateral gewachsener Struktur
Wellenlängenabhängige Lumineszenz

Bilddaten
Bildgröße:7 x 7 μm
Temperatur:ca. 50K
Anzahl Punkte:256 x 256 in x,y; 1024 in Z (Wellenlänge)
Gesamt-Datenmenge:134 MB
Räumlich integriertes opt. Spektrum:

Ein hochauflösender Scan mit 256x256 Punkten von einer Struktur mit einem einzelnen InGaN-Quantenfilm bei ca. 50K. Es handelt sich um eine partiell lateral gewachsene Struktur. Neben der stark ausgeprägten Emission an der schrägen Kristallfacette erkennt man noch die GaN Emission bei ca. 360 nm. Bemerkenswert sind die Emissionen um ca. 480 nm, die eine ähnliche Ausrichtung vorweisen wie der Verlauf der Versetzungslinien innerhalb des Materials.

Topographie
Topographie
Höhenunterschied ca. 1400 nm