Abbildung von Oberflächenhöhenprofilen mittels optisch gefangener Kugeln

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Rohrbach
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325733426

Oberflächen spielen von jeher eine besondere Rolle in Natur und Technik, da sie nicht nur das Äußere vom Inneren trennen, sondern auch chemische Reaktionen steuern und den Austausch von Druck, Licht, Wärme und Feuchtigkeit regulieren. Um die Eigenschaften von Oberflächen auf molekularer Skala zu verstehen, sind spezielle Messtechniken notwendig um kleinste Strukturen abzutasten und aufzulösen, ohne sie dabei zu zerstören. Diverse Rastersondenmikroskopietechniken (SPM), unter denen das Atomkraftmikroskop (AFM) und das Rastertunnelmikroskop (STM) die prominentesten Vertreter sind, illustrieren den großen Bedarf Oberflächen abzubilden, welche sich durch verschiedene Strukturen, Eigenschaften und Funktionen auszeichnen. Trotz der beeindruckenden Erfolgsgeschichte der AFM Technology stellte sich jedoch heraus, dass die Tast-Spitze des AFM oft zu steif für viele Anwendungen ist und weiche Proben beschädigt.Ähnlich des AFM-Verfahrens, jedoch deutlich sensitiver, kann man eine optisch gefangene Sonde über strukturierte Oberflächen scannen und ein Höhenprofil durch die Auslenkungen der Sonde messen. Diese Technik wird Photonische Kraftmikroskopie (PFM) genannt. Optische Pinzetten (Fallen) spielen wichtige Rollen in den Bio-Nano-Wissenschaften aufgrund ihrer Fähigkeit sehr flexibel kleinste Kräfte auf winzige Strukturen in flüssiger Umgebung ausüben. Zusammen mit hochentwickelten 3-D Partikeltracking Techniken wie der back-focal-plane Interferometrie, erlauben sie die Messung kleinster Kräfte, die auf diese Strukturen wirken.In einer kürzlichen Publikation (Friedrich 2015) haben wir demonstriert, dass man aus einer Kombination von einer zeitgeteilten optischen Doppelfalle und nanometerpräzisen 3D interfero-metrischen Partikeltracking zuverlässige Höhenprofile mit einer Auflösung jenseits des Beugungslimits messen kann. Diese Technik nutzt die energiereichen thermischen Positions-fluktuationen der gefangenen Sonde aus, welche eine Oberflächenabtastung erlaubt, welche 5000 mal weicher als bei einem AFM ist. In diesem Antrag zielen wir darauf ab, die PFM Technologie in dreierlei Hinsicht zu verbessern: Zuerst soll die räumliche Auflösung deutlich erhöht werden, indem kleinere Sonden genutzt werden, was nunmehr kurze (grüne) Laser-Wellenlängen für ein stabiles Fangen der Sonden erfordert. Zweitens soll der sogenannte Tapping-Modus implementiert werden, wo die Sonde vertikal oszilliert, um die Bindungswahrscheinlichkeit an die Oberfläche zu reduzieren und die Scangeschwindigkeit zu erhöhen. Das dritte Ziel ist es, den Anwendungsbereich dieser Rastersondenmikroskopie zu erweitern, indem man auch undurchsichtige Oberflächen abbildet, was ein präzises optisches Fangen und Tracking der Sonde auch im Reflexionsmodus erfordert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen