Nanochemie im Nahfeld einer optischen Faserspitze

Lasermaterialbearbeitung ist ein verbreitete Technologie zur Umformung von Materialien und zum lokalisierten Start von chemischen Reaktionen beispielweise bei der Hornhautkorrektur in der Augenheilkunde oder beim Laserbeschriften. Die minimal erreichbare Auflösung bei diesen Prozessen ist durch die optische Beugung auf etwa die Hälfte der Wellenlänge des Lichts begrenzt. D.h., bei einer Wellenlänge von 500 nm (grünes Licht) liegt die minimale Auflösung auf etwa 250 nm. Diese Beschränkung gilt jedoch nicht mehr im Nahfeld einer Lichtquelle, d.h. bei Abständen von wenigen Nanometern. Man nutzt diesen Effekt aus bei sogenannten scannenden optischen Nahfeldmikroskopen (im Englischen scanning near-field optical microscopes kurz SNOMs), die eine wesentlich bessere Auflösung als konventionelle optische Mikroskope besitzen. Hier wird als Lichtquelle eine optische Glasfaserspitze an die Oberfläche angenähert. Im vorliegenden Projekt wollen wir die chemische Laserbearbeitung und die SNOM-Technik kombinieren, um laserinduzierte Reaktionen auf einer Nanometerskala kontrolliert durchführen zu können. Die chemischen Reaktionen sollen dabei auf eine Fläche mit einem Durchmesser von weniger als 10 nm beschränkt bleiben. Durch Scannen (automatisch beim Einsatz der SNOM-Technik möglich), werden wir durch Ätz- oder Abscheidereaktionen 3-dimensionale Nanostrukturen auf Proben herstellen. Wir werden die Abhängigkeit der Strukturbildung von den Laserparametern (Polarisation, Wellenlänge, Pulslänge etc.) und der Spitzengeometrie untersuchen. Dies wird uns in die Lage versetzen, die lokale Lichtintensität bei verschiedenen Abständen der Spitze zur Probe abzuschätzen und diese Resultate mit Modellberechnungen zu vergleichen. Abschließend werden wir 3-dimensional strukturierte Proben für mögliche technische Anwendungen herstellen. Dies können spezielle Halbleiterstrukturen, die als Quatendots wirken, Nanostrukturen in supraleitenden Filmen, die als Frequenzfilter für die Telekommunikation einsetzbar sind, 3D-Nanostrukturen in Polymeren als photonische Kristalle oder regelmäßige Edelmetallnanodots als Modelle für Katalysatoren sein.

Im FWF Projekt "Nanochemie im Nahfeld einer optischen Faserspitze" haben wir am Institut für Angewandte Physik der Johannes Kepler Universität Linz einen neuartigen Aufbau entwickelt, der es erlaubt, durch eine angenäherte scharfe Glasfaserfaserspitze hindurch einen sehr kleinen Bereich auf einer Oberfläche mit intensivem Laserlicht zu bestrahlen. Dieser Aufbau vereint in sich die Möglichkeiten einer Laserstrukturierung auf einer Nanoskala, der Mikroanalyse der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche mit Laserverfahren und der Aufnahme von Oberflächenprofilen mit einer Auflösung im Nanometerbereich in vertikaler und lateraler Richtung. Mögliche Anwendungen der neu entwickelten Technologien liegen im Bereich einer kombinierten topographischen und chemischen Oberflächenkartierung von Proben mit sehr hoher Auflösung und der kontrollierten Herstellung von Nanostrukturen auf Oberflächen zum Beispiel für biomedizinische Anwendungen.