Aperturlose Nahfeldmikroskopie fluoreszierender Nanoobjekte

Titelangaben

Albert, Jonas Jürgen:
Aperturlose Nahfeldmikroskopie fluoreszierender Nanoobjekte.
Bayreuth , 2019 . - viii, 115 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004563

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Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Inbetriebnahme und dem optisch erweiterten Aufbau eines Rasterkraftmikroskops, welches Licht-Materie-Wechselwirkung unterhalb der Auflösungsgrenze des Lichts ermöglicht. Mit diesem Setup werden individuelle halbleitende und organische Nanostrukturen untersucht, deren Eigenschaften sie interessant für neue Nanotechnologien machen. Dabei stehen vor allem ausgedehnte Zustände, entweder durch entsprechende Wechselwirkung zwischen den Strukturen oder innerhalb eindimensionaler Nanodrähte im Fokus, da hier effizienter Energietransport möglich ist. Dabei wird das Verhalten von Nanoobjekten mit einer Größe von nur wenigen Nanometern deutlich von deren Geometrie und dem dielektrischen Umfeld beeinflusst. Standardmäßige optische Spektroskopie liefert jedoch keine Auskunft über strukturelle Einzelheiten der Objekte in dieser Größenordnung. Durch die Verbindung von zeitaufgelöster Photoemission und Rasterkraftmikroskopie bietet unser Aufbau räumlich hochauflösende optische Spektroskopie, welche direkt mit Topographie-Informationen korreliert ist. Dabei wird die Möglichkeit einer gezielten Manipulation der Umgebung dazu genutzt, um die Emissionseigenschaften der Nanoobjekte zu ändern und zu untersuchen.

Im ersten Teil der Arbeit wird auf die Methode der optischen Nahfeldmikroskopie eingegangen, dessen Herzstück ein Rasterkraftmikroskop darstellt. Hierbei werden verschiedene Betriebsmodi und grundlegende Rauschquellen diskutiert. Im Anschluss wird eine weitere Methode, die Kelvin-Probe-Force-Mikroskopie vorgestellt, welche einen Einblick auf unterschiedliche Austrittsarbeiten der Elektronen an Oberflächen liefert und so helfen kann, erzeugte Ladungsträger und deren Ausbreitung in den Strukturen darzustellen. Bei den drei genannten Rastersonden-Mikroskopie-Methoden dient eine metallische Spitze als Sonde, weshalb sie während einer Messung simultan eingesetzt werden können, um so maximale Information über die Probe zu erhalten.

Der nächsten Abschnitt befasst sich mit dem experimentellen Aufbau des optischen Nahfeldmikroskops. Dabei wird das Rasterkraftmikroskop getestet und mit einem invertierten optischen Fluoreszenzmikroskop vereint. Um die notwendige Auflösung zu erhalten, werden Rauschquellen identifiziert und minimiert. Außerdem werden Details zu den wichtigsten verwendeten Messmethoden, beispielsweise Time-Correlated-Single-Photon-Counting bezüglich der Position der Nahfeldsonde, sowie der Kraftsensorkalibration und Mikroskop-Justage erläutert. Aufgrund ihrer Rolle für die Datenanalyse bei der Rasterkraftmikroskopie wird auch eine grundlegende Bildbearbeitung von Topographiemessungen vorgestellt.

Im Folgenden wird mit dem Aufbau der Einfluss einer Goldspitze auf die Emissionseigenschaften einzelner CdSe-Nanokristalle gemessen. Um das vorherrschende Quenching des Signals nachvollziehen und erklären zu können, dient ein analytischen Modell, welches zusätzlich durch Finite-Elemente-Simulationen bekräftigt wird. Es zeigt deutlich, wie das Quench-Verhalten von der Distanz zwischen Spitze und Probe, Spitzengeometrie, Polarisation des Emitterdipols und der Wellenlänge abhängt. Aufgrund der Stabilität des Verhaltens kann es zur genauen Justage des Mikroskops verwendet werden. Im weiteren Schritt werden kleine Nanokristallansammlungen untersucht, wobei die hohe räumliche Auflösung die Bestimmung der Emitteranzahl deutlich verbessert. Diese Ansammlungen zeigen ein ähnliches Lumineszenzauslöschung-Verhalten, wobei es mit steigender Anzahl zunehmend zu Abschirmeffekten kommt.

Im nächsten Abschnitt werden CdSe-Nanodrähte untersucht, da aufgrund ihrer zweidimensionalen Einengung eine hohe Ladungsträgermobilität entlang ihrer Achse erwartet wird. Durch den Einfluss einer Goldspitze kann gezeigt werden, dass diese Drähte ausgedehnte Exzitonzustände besitzen und damit energieeffizienten Energietransport über Mikrometer gewährleisten können. Jedoch deutet bereits das unterschiedliche optische Verhalten der Drähte ihre Inhomogenität an. Entsprechend können auch ausgedehnte Zustände nur bei einer sehr geringen Anzahl an Drähten beobachtet werden. Damit dieses Verhalten also gezielt eingesetzt werden kann, müssen die Nanodrähte, welche ausgedehnte Zustände besitzen, reproduzierbar hergestellt werden können.

Der letzte Teil der Arbeit behandelt das Emissionsverhalten von Polydiacetylen-Nanoröhrchen unter dem Einfluss einer Goldspitze. Diese besitzen aufgrund ihrer selbstorganisierten Anordnung eine hoch geordnete Struktur, womit auch das Verhalten gleicher Nanoröhrchen kaum divergiert. Hierbei existieren zwei Konformationen von Polydiacetylen, wobei die rote stark emittierend und die blaue dunkel ist. Deshalb versprechen die blauen Röhrchen energieeffizient beim Ladungstransport zu sein. Durch eine kontrollierte Manipulation der Umgebung mit der Goldspitze kann eine verstärkte Emission und eine Veränderung des Spektrums beobachtet werden, wobei diese auf spitzenverstärkte Ramanstreuung zurückgeführt werden kann.

Abstract in weiterer Sprache

The presented work deals with the commissioning and the optically extended construction of a Scanning Force Microscope, which enables light-matter interaction below the diffraction limit. This setup is used to investigate individual semiconducting and organic nanostructures whose properties make them interesting for new nanotechnologies. The main focus here is on extended states, either through interaction between the structures or within a one dimensional nanowire, as this enables efficient energy transport. The behavior of nanoobjects with a size of only a few nanometers is clearly influenced by their geometry and the dielectric environment. Standard optical spectroscopy, however, does not provide information about structural details of the objects in this order of magnitude. By combining time-resolved photoemission and Atomic Force Microscopy, our setup provides spatially high-resolution optical spectroscopy that is directly correlated with topography information. The possibility of a targeted manipulation of the environment is used to change and investigate the emission properties of the nanoobjects.

In the first part of this work, the method of Optical Near-Field Microscopy is discussed, the heart of which is an Atomic Force Microscope. Different operating modes and basic noise sources will be discussed. Subsequently, a further method, the Kelvin Probe Force Microscopy, will be presented, which provides an insight into different electron work functions on surfaces and can thus help to represent generated charge carriers and their propagation in the structures. In the three Scanning Probe Microscopy methods mentioned above, a metallic tip serves as a probe, which is why they can be used simultaneously during a measurement in order to obtain maximum information about the sample.

The next section deals with the experimental setup of the Optical Near-Field Microscope. The Atomic Force Microscope is tested and combined with an inverted optical fluorescence microscope. In order to obtain the necessary resolution, noise sources are identified and minimized. In addition, details on the most important measurement methods used, such as time-correlated single photon counting with respect to the position of the near-field probe, force sensor calibration and microscope adjustment are explained. Due to its role in data analysis in Atomic Force Microscopy, a basic image processing of topography measurements is also presented.

In the following, the influence of a gold tip on the emission properties of individual CdSe nanocrystals will be measured. In order to understand and explain the predominant quenching of the signal, an analytical model is used, which is additionally confirmed by finite element simulations. It clearly shows how the quench behavior depends on the distance between tip and sample, tip geometry, polarization of the emitter dipole and wavelength. Due to the stability of the behavior, it can be used for precise adjustment of the microscope. In the next step, small nanocrystal collections are investigated, whereby the high spatial resolution significantly improves the determination of the emitter number. These aggregations show a similar luminescence extinction behavior, with shielding effects increasing with rising number.

In the next section, CdSe nanowires will be investigated, since due to their two-dimensional constriction a high charge carrier mobility along their axis is expected. By the influence of a gold tip it can be shown that these wires have extended exciton states and thus can guarantee energy-efficient energy transport over micrometers. However, the different optical behavior of the wires already indicates their inhomogeneity. Accordingly, extended states can only be observed with a very small number of wires. In order to be able to use this behavior in a targeted manner, the nanowires, which have extended states, must be reproducibly manufactured.

The last part of the thesis deals with the emission behavior of polydiacetylene nanotubes under the influence of a gold tip. Due to their self-organized arrangement, these nanotubes have a highly ordered structure, so that the behavior of identical nanotubes hardly diverges. There are two conformations of polydiacetylene, where the red is strongly emitting and the blue is dark. Therefore, the blue tubes promise to be energy efficient during charge transport. By a controlled manipulation of the environment with the gold tip an increased emission and a change of the spectrum can be observed, which can be attributed to tip-enhanced Raman scattering.