Terahertz-Blick in den Nanokosmos

  • 22. June 2015

Kopplung von Terahertz-Wellen mit Nahfeld-Mikroskopie erhöht laterale Auflösung bis in den Nanometerbereich.

Terahertz-Wellen haben im Vergleich zu sichtbarem Licht eine recht große Wellenlänge von um die 300 Mikrometer. Das begrenzt die laterale Auflösung von Terahertz-Messungen im Fernfeld auf rund 150 Mikrometer. Für die Materialforschung reicht diese Messgenauigkeit oftmals nicht aus. Die Analyse kleinskaliger Materialverteilungen erfordert räumliche Auflösungen im Nanometermaßstab. Eine mögliche Lösung zeigt sich nun in Form von Terahertz-Messungen im Nahfeld. Im Auftrag des Mikroskop-Herstellers Neaspec GmbH hat das Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik IPM ein System entwickelt, welches die räumliche Auflösung der Terahertz-Wellen in den Nanometer-Bereich erweitert. Die Neaspec GmbH stellte die Ergebnisse auf der „German THz Conference 2015" vom 8. bis 10. Juni in Dresden vor.

Abb.: High-End-Geräte für Terahertz-Nahfeld-Messungen eröffnen neue Perspektiven in der Materialforschung. (Bild: Neaspec GmbH)

Abb.: High-End-Geräte für Terahertz-Nahfeld-Messungen eröffnen neue Perspektiven in der Materialforschung. (Bild: Neaspec GmbH)


Der Trick: Durch die Kombination von Terahertz-Wellen mit einem Streulicht-Nahfeldmikroskop lässt sich die natürliche Auflösungsgrenze im Fernfeld überwinden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Terahertz-Spektroskopie in der Materialforschung, zum Beispiel bei der Qualitätskontrolle industriell hergestellter Halbleiterkomponenten. Bei voller spektraler Auflösung ließen sich mit dem System materialsensitive Aufnahmen gewinnen, die eine räumliche Auflösung besser als 30 Nanometer zeigen – weniger als ein Tausendstel der verwendeten Wellenlänge.

Im Vergleich zu Infrarot-Messungen ermöglichen Terahertz-Wellen eine um das Hundertfache gesteigerte Sensitivität, beispielsweise, wenn es um die Messung der Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien geht. Eine solch hohe Empfindlichkeit ist mit anderen Technologien der optischen Mikroskopie kaum zu erzielen. Bis heute gibt es kein Messverfahren, das eine qualitative Erfassung von Material- und Ladungsträgerkonzentrationen in nanometergenauer Auflösung erlaubt. Die Möglichkeit, Ladungsträger zu erkennen und zu quantifizieren, bietet deshalb ein großes Anwendungspotenzial.

In der physikalischen Grundlagenforschung kann die kontaktlose, nicht-invasive und quantitative Erfassung mobiler Ladungsträger mit nanometergenauer Auflösung wichtige Einblicke in offene Fragenstellungen geben, zum Beispiel auf dem Gebiet der Supraleiter, der „low-dimensional conductors" oder der „correlated conductors".

In der Analytik könnte sich die „Terahertz-Nanoscopy" zu einem interessanten Werkzeug für chemische und strukturelle Analysen von Verbindungen und biologischen Systemen entwickeln, da sich Terahertz-Wellen als sehr sensitiv gegenüber Vibrationen von Kristallstrukturen und Molekülen erweisen. Hier zeigt die Terahertz-Spektroskopie im Vergleich zur Raman- und IR-Spektroskopie eine besonders hohe Empfindlichkeit hinsichtlich Strukturänderungen. So ist es unter anderem möglich, verschiedene Hydratzustände und Isomere zu unterscheiden.

Fh.-IPM / PH

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