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Die
Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Alfred Meixner und Dr. Dai
Zhang vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der
Universität
Tübingen hat ein Nahfeldmikroskop entwickelt, das die optischen
Eigenschaften
einer organischen Halbleiterprobe mit einer Auflösung und
Empfindlichkeit
zeigt, die lange Zeit aufgrund physikalischer Gesetze als unmöglich
galten. Das
neu entwickelte Tübinger Mikroskop gestattet es, auf den Nanometer
genau
gleichzeitig optische Spektren und das Höhenprofil einer Oberfläche zu
vermessen ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter.
''Molekulare
Stufen eines Halbleiterfilms leuchten und sind deutlich als helle 17
Nanometer breite
Streifen zu erkennen. Daraus ergeben sich erstaunliche neue
Erkenntnisse, die
bisher mit keiner anderen Methode erhalten werden können'', sagt Alfred
Meixner.
Die Ergebnisse wurden am 5. Februar 2010 in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht
und beruhen auf einer Zusammenarbeit mit Ute Heinemeyer und Prof. Dr.
Frank
Schreiber vom Institut für Angewandte Physik der Universität Tübingen
und Dr.
Reinhard Scholz von der TU München.
Halbleiter
aus organischen Dünnfilmen spielen eine wichtige
Rolle in neuartigen elektronischen Anwendungen, zum Beispiel in
organische
Solarzellen zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht oder in organischen
Leuchtdioden (OLEDs) für biegsame hochauflösende Bildschirme. Ihre
elektronischen und optischen Eigenschaften unterscheiden
sich wesentlich von den
Eigenschaften der organischen Moleküle, aus denen sie aufgebaut sind.
Insbesondere die mikroskopische Struktur ist noch nicht gut verstanden,
obwohl zum
Beispiel molekulare Inseln, Kanten und Fehlstellen die
Filmeigenschaften stark
beeinflussen.
Genau
dies macht das Tübinger Mikroskop sichtbar. Dazu wird
eine äußerst feine Goldspitze bis auf ein bis drei Nanometer an die
Halbleiteroberfläche herangebracht und gleichzeitig mit einem scharf
fokussierten Laserstrahl beleuchtet. ''Wir haben bei nanometergenauer
Auflösung
eine optische Signalverstärkung von bis zu einer Million erhalten'',
erklärt
Alfred Meixner. ''So eine hohe Verstärkung ist möglich, weil die Spitze
im Fokus
eines Parabolspiegels steht: Diese Kombination ergibt eine perfekte
optische
Antenne. Die Goldspitze konzentriert das Licht lokal in den nur
Nanometer
großen Spalt direkt zwischen Spitzenende und Probenoberfläche und
erzeugt dort
ein optisches Nahfeld, welches die Probe anregt. Photonen, die dort von
der
Probe erzeugt werden, gelangen auf dem umgekehrten Weg über die Spitze
und den
Parabolspiegel auf einen empfindlichen Detektor.''
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Bildlegende:
Das obere Bild zeigt die
topografische Messung eines Diindenoperylen-Films. Hell bedeutet hohe,
dunkel
bedeutet niedrige Gebiete. Im unteren Bild sind die topographische und
die
optische Messung überlagert letztere in Rot-Gelb-Tönen; je heller der
Farbton, desto höher die Lichtintensität.(Weiteres Bild) Bild:
AG Meixner, Universität
Tübingen
Die
Nahfeldmessungen der Halbleiterfilme aus Diindenoperylen-Molekülen
(DIP) ergaben, dass die Kanten der DIP-Nano-Terrassen leuchten: die
Kanten sind
nur eine bis drei Molekülschichten hoch und erscheinen als helle
Streifen von etwa
17 Nanometer Breite. Dies liegt an Elektronenlochpaaren, sogenannten
Exzitonen,
die in dem Halbleiter DIP durch das Nahfeld der Spitze erzeugt und auch
detektiert werden. ''Wäre unsere Goldspitze nicht da, würden die
Exzitonen
hauptsächlich thermisch zerfallen'', erklärt Alfred Meixner. ''Dieser
Durchbruch
könnte dazu führen, dass die Nahfeldmikroskopie Eingang in die
Materialforschung findet und dort zu grundlegenden neuen Erkenntnissen
führt'',
sind sich Reinhard Scholz und Frank Schreiber einig.
Weitere Informationen:
Nahfeldmikroskopie,
Parabolspiegelmessungen
Orignalveröffentlichung: Phys. Rev. Lett. 104, 056601 (2010)
Für Nachfragen: Professor Dr.
Alfred Meixner, Institut für Physikalische und
Theoretische Chemie, Auf der Morgenstelle 8, 72076 Tübingen, Tel.:
07071/29-76903, E-Mail:alfred.meixner(at)uni-tuebingen.de
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