Aus dem Anwenderlabor: Dunkelfeld-Spektroskopie von einzelnen plasmonischen Nanostrukturen

Abb. 1: Schematische Abbildung eines Setups für die automatische Aufnahme von Dunkelfeld-Spektren einzelner Nanostrukturen

S. Dickreuter¹, D. P. Kern¹, M. Fleischer¹

¹Institute for Applied Physics and Center LISA+, Eberhard Karls University Tübingen

Einführung

Plasmonische Nanostrukturen werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen verwendet, zum Beispiel in der Biosensorik, Nano-Spektroskopie [1,2,3], Nanophotonik u. a. Sie weisen eine hohe Nahfeldverstärkung auf, die eng auf die direkte Umgebung der Strukturen begrenzt ist. Dennoch ist die optische Charakterisierung von plasmonischen Nanostrukturen eine Herausforderung, zum einen wegen der geringen Lichtintensitäten der einzelnen Strukturen, zum anderen, da viele breite Plasmonenresonanzen angeregt werden können. Dies hängt mit unterschiedlichen Anregungsbedingungen oder multipolaren Ordnungen, die nicht einfach zu trennen sind, zusammen. Da diese Strukturen normalerweise viel schmaler sind als die Beugungsgrenze von sichtbarem Licht, und ihre Streuintensität vergleichsweise gering ist, können sie mit einem Hellfeld-Mikroskop nicht gut abgebildet werden. Die Aufnahme von Transmissionsspektren liefert zudem ein geringes Signal/Rausch-Verhältnis. Mit Dunkelfeld-Streuspektroskopie können diese Probleme umgangen werden. Hier werden Nanostrukturen so angeleuchtet, dass nur gestreutes Licht aufgenommen wird. Dabei entstehen Bilder und Spektren mit sehr hohen Kontrasten.

Setup

Abb. 1 zeigt ein Setup zum Messen von Dunkelfeld-Streuspektren von einzelnen plasmonischen Nanostrukturen. Zuerst wird eine Weißlichtquelle auf die Oberfläche der Probe fokussiert. Der Beleuchtungswinkel wird dabei so gewählt, dass das Licht nicht in das Mikroskopobjektiv reflektiert wird. Nur das Streulicht wird dann vom Objektiv aufgenommen und in zwei Strahlgänge geteilt. Der eine Strahlgang wird für Imaging in eine Kamera geführt, der andere wird in einen Spektrographen geleitet (Andor Shamrock SR-303i), der mit einem CCD-Detektor versehen ist (Andor iDus DU416A-LDC-DD). Um zu sehen, ob eine einzelne Struktur sich in der Mitte des Detektors befindet, wird der Spektrograph im Image Mode verwendet. Dann wird der motorisierte Spalt so angepasst, dass nur eine Struktur sichtbar ist. Die „Single Track“-Funktion sorgt dafür, dass nur die Reihen des CCD ausgelesen werden, die zu der Struktur gehören. Auf diese Art erhält man das Spektrum einer einzelnen Nanostruktur, sofern alle anderen Strukturen weit genug entfernt liegen (~ 3 μm für ein Objektiv mit 50x Vergrößerung). Die Streuintensität ist sehr gering; daher sind die hohe Quanteneffizienz und der geringe Dunkelstrom des iDus-Detektors von Andor Voraussetzung für ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis.

Die Probe ist auf einem Piezo-Tisch befestigt. Mit dem SDK von Andor in Kombination mit einer individuell angepassten Software ist es möglich, automatisch Spektren von Nanostrukturen zu erfassen, die sich auf einem normalen Gitter befinden.

Abb. 2: SEM-Abbildungen von verschiedenen Nanostrukturen, die als Teil eines 5x5-Arrays erzeugt wurden

Abb. 3: Dunkelfeld-Streuspektren (Intensität vs. Wellenlänge [400-950 nm]) der einzelneplasmonischen Nanostrukturen aus Abb. 2. Die Messungen wurden mit dem Setup aus Abb. 1 durchgeführt. Die grauen Linien stellen die Rohdaten dar, die farbigen Linien wurden angepasst, um das Rauschen zu reduzieren

Fazit

Dunkelfeld-Spektroskopie ist eine weitverbreitete Technik für die optische Charakterisierung von Nanostrukturen. Mit Hilfe eines automatisierten Setups und des SDK von Andor, lassen sich einzelne Nanostrukturen zuverlässig und einfach charakterisieren. Außerdem lassen sich eine große Anzahl von Strukturen charakterisieren, wodurch eine statistische Auswertung der Eigenschaften möglich wird.

Referenzen

[1] C. Schäfer, D.A. Gollmer, A. Horrer, J. Fulmes, A. Weber-Bargioni, S. Cabrini, P.J. Schuck, D.P. Kern, M. Fleischer, Single particle plasmon resonance study of 3D conical nanoantennas, Nanoscale 5, 7861 (2013)

[2] A.J. Meixner, R. Jäger, S. Jäger, A. Bräuer, K. Scherzinger, J. Fulmes, S. zur Oven Krockhaus, D.A. Gollmer, D.P. Kern, M. Fleischer, Coupling single quantum dots to plasmonic nanocones: optical properties, Faraday Discussions 184, 321 (2015)

[3] J. Wang, J. Butet, A.-L. Baudrion, A. Horrer, G. Leveque, O.J.F. Martin, A.J. Meixner, M. Fleischer, P.-M. Adam, A. Horneber, D. Zhang, A direct comparison between second harmonic generation and two-photon photoluminescence from single connected gold nanodimers, J. Phys. Chem. C 120, 17699 (2016)

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