Tip-enhanced near-field optical microscopy with a parabolic mirror microscope: Enhancing luminescence emission and Raman scattering by inelastic tunneling
Final Report Abstract
In diesem Forschungsprojekt wurde der Einfluss der Tunnelspannung auf die Lumineszenzund Raman-Spektren, welche mittels spitzenversärkter optischer Nahfeldmikroskopie erhalten werden, systematisch untersucht. Im Fokus des Projekts lagen die Untersuchung der Struktur, der optischen und elektronischen Eigenschaften von einzelnen oder sehr wenigen Molekülen in einem Tunnelübergang. Hierzu werden spitzenverstärkte Raman- und Lumineszenzspektren in Abhängigkeit der Tunnelspannung aufgenommen und analysiert. Zur Erzeugung des Tunnelübergangs wird eine sehr scharfe Goldspitze auf ca. einen Nanometer an ein glattes Goldsubstrat angenähert und der Abstand mit Hilfe des Tunnelstroms konstant gehalten. Wird der Tunnelübergang mit Laserlicht beleuchtet so beobachtet man die Goldlumineszenz aus dem Tunnelübergang. Wenn das Substrat mit einer Monolage von Molekülen bedeckt ist, beobachtet man deren Raman-Signale, durch Rastern erhält man sowohl ein optisches als auch ein topographisches ultahoch aufgelöstes Bild der Probe. Ein unerwarteter Effekt wird beobachtet, wenn man unter gleichen Anregungsbedingungen die angelegte Tunnelspannung erhöht. Bei einem bloßen Goldsubstrat beobachtet man eine Erhöhung der Goldlumineszenz um mehr als eine Größenordnung, wenn die Tunnelspannung einen Schwellwert von 2.5 Volt überschreitet. Ist das Substrat mit Molekülen bedeckt, so beobachtet man einen sprunghaften Anstieg des Raman- und Lumineszenzsignals um fast zwei Größenordnungen wenn die Tunnelspannung 1.5 Volt überschreitet. Unsere Untersuchungen zeigen, dass diese spannungsabängige Erhöhung des optischen Signals von der strahlenden Relaxation heißer Elektronen, die am Tunnelprozess beteiligt sind, her rührt. Besondere Aufmerksamkeit galt der Ergründung der zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen unserer neuartigen Beobachtungen. Wir fanden, dass bei molekülbeschichteten Substraten die Intensitäten der stärksten Raman- Banden sprunghaft sowohl mit der angelegten Spannung als auch mit der eingestrahlten Laserleistung zunehmen, wenn die entsprechenden Schwellenwert überschritten wird. Tatsächlich kann dieses Verhalten durch Rückkopplung und Verstärkung ähnlich erklärt werden wie bei einer superlumineszenten Lichtquelle. Diese Erkenntnisse schieben die Grenze der Miniaturisierung kleinster optischer Bauteile in den Bereich einzelner Moleküle und eröffnet Möglichkeiten zur Herstellung kleinster optischer Schalter und Punktlichtquellen. In der Grundlagenforschung sehen eine Vielzahl von neuen Anwendungen in der optische Mikroskopie und Spektroskopie mit einer Auflösung bis hin zum einzelnen Molekül mit chemischen Kontrast.
Publications
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Simulation of a metallic SNOM tip illuminated by a parabolic mirror, Opt. Express, 2013, 21, 25926
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Geometric tailoring of plasmonic nanotips for atom traps, Phys. Rev. A, 2014, 90, 013421
J. Mihaljevic, S. Slama, R. Roepke, A. J. Meixner
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Enhancement of Radiative Plasmon Decay by Hot Electron Tunneling, ACS Nano, 2015, 9, 8176
X. Wang, K. Braun, D. Zhang, H. Peisert, H. Adler, T. Chassé, A. J. Meixner
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Grating enhanced apertureless near-field optical microscopy, Opt. Express, 2015, 23, 18401
J. Mihaljevic, C. Hafner, A. J. Meixner
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Superluminescence from an Optically Pumped Molecular Tunneling Junction by Injection of Plasmon Induced Hot Electrons, Beilstein J. Nanotechnol., 2015, 6, 1100
K. Braun X. Wang, A.M. Kern, H. Adler, H. Peisert, Th. Chassé, D. Zhang, A.J. Meixner
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Revealing nanoscale optical properties and morphology in perfluoropentacene films by confocal and tip-enhanced nearfield optical microscopy and spectroscopy, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 15916
X. Wang, K. Broch, F. Schreiber, A. J. Meixner, D. Zhang
