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Ein '''optisches Rasternahfeldmikroskop''' ({{lang|en|scanning nearfield optical microscope}}, SNOM, in den USA auch als NSOM bezeichnet) umgeht die [[Auflösungsgrenze]] des [[optisch]]en [[Mikroskop]]s, indem es nur [[Licht]] auswertet, das zwischen einer sehr kleinen (100 [[Nanometer|nm]] oder weniger) [[Nahfeld und Fernfeld (Antennen)|Nahfeldsonde]] und der untersuchten Probe ausgetauscht wird.
Mit dem optischen Rasternahfeldmikroskop kann eine räumliche Auflösung von etwa 30 nm<ref>{{Literatur | Autor=M. A. Lieb |Titel=Mikroskopie mit Parabolspiegeloptik: Theorie, Aufbau und Charakterisierung eines kombinierten konfokalen nahfeld-optischen Mikroskops für die Einzelmolekül-Spektroskopie bei tiefen Temperaturen |Verlag=BoD – Books on Demand |Datum=2002 |ISBN=3-8311-3424-3 |Online={{Google Buch |BuchID=o4-n2tRNhgYC |Seite=11}}}}</ref> und weniger erreicht werden.

== Geschichte ==
Das Verfahren wurde 1981 durch [[Dieter W. Pohl]] vom IBM Labor in Rüschlikon eingeführt. In den USA wurde es unter anderem vom Chemie-[[Nobelpreis]]träger von 2014 [[Eric Betzig]], [[Aaron Lewis (Physiker)|Aaron Lewis]], A. Harootunian und [[Michael Isaacson]] an der [[Cornell University]] entwickelt. Veröffentlichungen dazu erschienen von beiden Gruppen 1984.<ref>{{Literatur |Autor=A. Lewis, M. Isaacson, A. Harootunian, A. Muray |Titel=Development of a 500 Å spatial resolution light microscope: I. light is efficiently transmitted through λ/16 diameter apertures |Sammelwerk=Ultramicroscopy |Band=13 |Nummer=3 |Datum=1984 |Seiten=227–231 |DOI=10.1016/0304-3991(84)90201-8}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=D. W. Pohl, W. Denk, M. Lanz |Titel=Optical stethoscopy: Image recording with resolution λ/20 |Sammelwerk=Applied Physics Letters |Band=44 |Nummer=7 |Datum=1984-04 |Seiten=651–653 |DOI=10.1063/1.94865}}</ref> Demonstriert wurde es von Betzig und Kollegen 1986.<ref>{{Literatur |Autor=E. Betzig, A. Lewis, A. Harootunian, M. Isaacson, E. Kratschmer |Titel=Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM): Development and Biophysical Applications |Sammelwerk=Biophysical Journal |Band=49 |Nummer=1 |Datum=1986 |Seiten=269–279 |DOI=10.1016/S0006-3495(86)83640-2}}</ref>

Die prinzipielle Idee dafür hatte schon [[Edward Hutchinson Synge]] 1928<ref>{{Literatur |Autor=E.H. Synge |Titel=XXXVIII. A suggested method for extending microscopic resolution into the ultra-microscopic region |Sammelwerk=The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science |Band=6 |Nummer=35 |Datum=1928-08 |Seiten=356–362 |DOI=10.1080/14786440808564615}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=E.H. Synge |Titel=XXIII. An application of piezo-electricity to microscopy |Sammelwerk=The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science |Band=13 |Nummer=83 |Datum=1932-02 |Seiten=297–300 |DOI=10.1080/14786443209461931}}</ref><ref>{{Webarchiv |url=http://www.nanonics.co.il/literature/learn-nsom/a-brief-history-and-simple-description-of-nsom-snom-technology.html |text=Beschreibung und Geschichte von NSOM bei Nanomics |wayback=20140803123306 }}</ref><ref>{{Webarchiv|url=http://www.optics.rochester.edu/workgroups/novotny/papers/history4.pdf |wayback=20150326191435 |text=Nowotny A history of near field optics, in E. Wolf Progress in Optics 50, 2007, 137–184, pdf }}</ref>, der dies auch mit [[Albert Einstein]] diskutierte, und 1956 John O’Keefe<ref>{{Literatur |Autor=John Aloysius O’Keefe |Titel=Resolving Power of Visible Light |Sammelwerk=JOSA |Band=46 |Nummer=5 |Datum=1956-05 |Seiten=359–359 |DOI=10.1364/JOSA.46.000359}}</ref>. Damals bestanden aber noch nicht die technischen Voraussetzungen für die Realisierung, die sich später mit der Entwicklung der [[Rastertunnelmikroskop]]ie eröffneten. Für Mikrowellen (Wellenlänge 3 cm) demonstrierten E. A. Ash und G. Nicholls 1972 Auflösung unter der [[Auflösung (Mikroskopie)|Abbe-Grenze]] durch Untersuchung des Nahfelds.<ref>{{Literatur |Autor=E. A. Ash, G. Nicholls |Titel=Super-resolution Aperture Scanning Microscope |Sammelwerk=Nature |Band=237 |Nummer=5357 |Datum=1972-06 |Seiten=510–512 |DOI=10.1038/237510a0}}</ref>

== Prinzip ==
[[Datei:Snom.svg|mini|hochkant=2|Rasternahfeldmikroskop; Prinzipaufbau mit aperturloser Spitze und deren Anregung durch das [[Evaneszentes Feld|evaneszente Feld]] eines total reflektierten [[Laser]]strahles]]

Die Spitze wird ins Nahfeld der Probe gebracht und mittels eines [[Regelkreis]]es auf konstantem Abstand gehalten. Für diese Abstandsregelung gibt es mehrere Methoden:
* Messen und Regeln des Tunnelstroms (siehe [[Rastertunnelmikroskop]], nur bei leitfähigen Proben)
* Prinzip des [[Rasterkraftmikroskop]]es
* Scherkraft (engl. {{lang|en|shear force}}, Resonanzänderung eines Schwingers, der die Spitze trägt)

Übliche Abstände zwischen Spitze und Probe liegen bei 1–10 nm. Die Nachführung der Spitze liefert ein topografisches Bild der Oberfläche, zusätzlich gewinnt man im Rasternahfeldmikroskop jedoch auch eine optische Information der Oberflächenstruktur. Die optische Auflösung hängt von der Feinheit der Spitze ab und übertrifft diejenige abbildender Lichtmikroskope um ein Vielfaches.

Es kommen zwei Arten von Spitzen zum Einsatz:
* Spitzen mit [[Apertur]] (Loch in der Metallisierung auf einem zugespitzten Faserende)
* aperturlose Spitzen (metallische Spitze ohne Lichtleitfunktion)

Lichtleitende Spitzen mit Apertur können als [[Lichtquelle]] oder als Lichtsammler eingesetzt werden.
Im ersten Fall und bei aperturlosen Spitzen wird nur der Teil der Probe zur [[Spontane Emission|Lichtemission]] angeregt, welcher sich gerade unter der Spitze befindet. Die Probe wird [[Rasterung|rasterartig]] über bzw. unter der Spitze bewegt, und dabei wird bei jeder Position das Abstandssignal und das optische Signal aufgezeichnet.

Der Vorteil eines optischen Rasternahfeldmikroskops gegenüber den nichtoptischen Rastersondenverfahren ist, dass aus der konventionellen optischen [[Mikroskopie]] bekannte [[Kontrast]]mechanismen genutzt werden können, die Probe zerstörungsfrei untersucht wird und chemische Informationen über die Probe erhalten werden können, z. B. [[Raman-Effekt]]-Signale bei der {{lang|en|tip-enhanced Raman spectroscopy}} ([[TERS]]).

Nachteile des SNOM sind
* die hohen Kosten, da zusätzlich das Rastersonden-Prinzip angewendet werden muss
* Schwierigkeiten bei der Auswertung der erhaltenen Daten (Auftreten von [[Artefakt (Technik)|Artefakten]])
* noch bestehende theoretische Probleme der Beschreibung der Kontrastentstehung

== Apertur-Spitzen ==

Aperturspitzen sind meist aus [[Glas]] oder [[Silizium]] gefertigte Fasern, die vorn durch Ziehen oder Ätzen zugespitzt sind. Im konischen Bereich sind Glasfasern mit [[Aluminium]] oder [[Silber]] bedampft, da hier ansonsten Licht austreten würde. An der Spitze ist eine kleine Öffnung nicht bedampft (entweder wird von hinten bedampft, später vorn ein Teil abgeschnitten oder mit einem [[Ionenstrahl]] ein Loch gebohrt). Üblicherweise haben die Aperturen Durchmesser um 100 nm. Auch 20 nm wurden schon erreicht. Die Verwendung eines Nahfeldmikroskops in Verbindung mit Aperturspitzen wird als a-SNOM (aperture-type SNOM) bezeichnet.

Das Licht wird in die Faser eingekoppelt und so nur der Teil unter der Probe beleuchtet, der sich gerade im Nahfeld unter der Apertur befindet (''Illuminationsmodus''). Da die Apertur viel kleiner ist als die Wellenlänge, ist die Intensität sehr niedrig.
Das Licht von der Probe wird durch eine konventionelle Optik (siehe [[Konfokalmikroskop]]) eingesammelt und meist mit einem [[Photomultiplier]] ausgewertet.

Auch das umgekehrte Verfahren ist gebräuchlich: hierbei wird ein größerer Teil der Probe beleuchtet und die Apertur und die Faser sammeln das Licht lokal ein (''Kollektionsmodus'').

== Aperturlose Spitzen ==

Aperturlose Spitzen sind meist komplett aus [[Metalle|Metall]] (Silber oder [[Gold]]) oder aus einem härteren Material (Glas, Silizium, [[Wolfram]]) und dann mit Silber oder Gold bedampft. Wenn diese Spitze in einen [[Fokus]] eines [[Laser]]strahls gebracht wird, werden in der Spitze [[Plasmon (Physik)|Plasmonen]] zum Schwingen angeregt. Das aus dieser Schwingung resultierende Feld ist an der Spitze am größten (Siehe [[Babinetsches Prinzip]]). Dieses Feld kann benutzt werden, um [[Molekül]]e oder andere Strukturen auf der Probe anzuregen und zur Lichtemission zu stimulieren. Die [[Auflösung (Physik)|Auflösung]] hängt von der Größe der Spitze ab, welche 20 nm und kleiner sein kann. Man spricht bei diesem Verfahren im Allgemeinen von s-SNOM (scattering-type SNOM).

Die Anregung der Spitze kann dabei durch [[evaneszente Welle]]n geschehen (siehe Bild oben), wobei dann nur durchsichtige Proben untersucht werden können. Für Proben auf nicht transparenten Trägern (z. B. Silizium oder [[Graphit]]) wird das Licht mittels eines [[Objektiv (Optik)|Objektivs]] von der Seite oder mittels eines [[Parabolspiegel]]s auf die Spitze fokussiert.

Der Vorteil gegenüber den Aperturspitzen sind die höheren Intensitäten auf der Probe.

== Siehe auch ==
* [[Rastersondenmikroskopie]]

== Literatur ==
* L. Novotny, B. Hecht: ''Principles of Nano-Optics.'' Cambridge University Press, New York 2006.
* [[Roland Wiesendanger]]: ''Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy - Methods and Applications''. Cambridge University Press, Cambridge 1994, ISBN 0-521-42847-5 (englisch).
* Motoichi Ohtsu: ''Optical Near Fields. Introduction to Classical and Quantum Theories of Electromagnetic Phenomena at the Nanoscale''. Springer, 2004, ISBN 3-540-40483-X (englisch).
* Gereon Meyer: ''In-situ Abbildung magnetischer Domänen in dünnen Filmen mit magnetooptischer Rasternahfeldmikroskopie''. Berlin 2003 (Dissertation, Freie Universität Berlin, 2003, [http://www.diss.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000001131 Online]).

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Mikroskopisches Verfahren]]
[[Kategorie:Rastersondenmikroskopie]]
[[Kategorie:Lichtmikroskop-Art oder lichtmikroskopisches Verfahren]]

Optisches Rasternahfeldmikroskop - Versionsgeschichte

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