Near-field optical microscopy has attracted remarkable attention, as it is the only technique that allows the investigation of local optical properties with a resolution far below the diffraction limit. Especially, the scattering-type near-field optical microscopy allows the nondestructive examination of surfaces without restrictions to the applicable wavelengths. However, its usability is limited by the availability of appropriate light sources. In the context of this work, this limit was overcome by the development of a scattering-type near-field microscope that uses a widely tunable free-electron laser as primary light source.
In the theoretical part, it is shown that an optical near-field contrast can be expected when materials with different dielectric functions are combined. It is derived that these differences yield different scattering cross-sections for the coupled system of the probe and the sample. Those cross-sections define the strength of the near-field signal that can be measured for different materials. Hence, an optical contrast can be expected, when different scattering cross-sections are probed. This principle also applies to vertically stacked or even buried materials, as shown in this thesis experimentally for two sample systems.
In the first example, the different dielectric functions were obtained by locally changing the carrier concentration in silicon by the implantation of boron. It is shown that the concentration of free charge-carriers can be deduced from the near-field contrast between implanted and pure silicon. For this purpose, two different experimental approaches were used, a non-interferometric one by using variable wavelengths and an interferometric one with a fixed wavelength. As those techniques yield complementary information, they can be used to quantitatively determine the effective carrier concentration. Both approaches yield consistent results for the carrier concentration, which excellently agrees with predictions from literature.
While the structures of the first system were in the micrometer regime, the capability to probe buried nanostructures is demonstrated at a sample of indium arsenide quantum dots. Those dots are covered by a thick layer of gallium arsenide. For the first time ever, it is shown experimentally that transitions between electron states in single quantum dots can be investigated by near-field microscopy. By monitoring the near-field response of these quantum dots while scanning the wavelength of the incident light beam, it was possible to obtain characteristic near-field signatures of single dots. Near-field contrasts up to 30 % could be measured for resonant excitation of electrons in the conduction band of the indium arsenide dots.Die optische Nahfeldmikroskopie hat viel Beachtung auf sich gezogen, da sie die einzige Technologie ist, welche die Untersuchung lokaler optischer Eigenschaften mit Auflösungen unterhalb der Beugungsgrenze ermöglicht. Speziell die streuende Nahfeldmikroskopie erlaubt die zerstörungsfreie Untersuchung von Oberflächen ohne Einschränkung der verwendbaren Wellenlängen. Die Nutzung ist jedoch durch das Vorhandensein entsprechender Lichtquellen beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Beschränkung durch Entwicklung eines streuenden Nahfeldmikroskops überwunden, das einen weit stimmbaren Freie-Elektronen-Laser als primäre Lichtquelle benutzt.
Im theoretischen Teil wird gezeigt, dass ein optischer Kontrast erwartet werden kann, wenn Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten kombiniert werden. Es wird hergeleitet, dass diese Unterschiede in unterschiedlichen Streuquerschnitten für das gekoppelte System aus Messkopf und Probe resultieren. Diese Streuquerschnitte definieren die Stärke des Nahfeldsignals, welches auf unterschiedlichen Materialien gemessen werden kann. Ein optischer Kontrast kann also erwartet werden, wenn unterschiedliche Streuquerschnitte untersucht werden. Dass dieses Prinzip auch auf übereinander geschichtete oder sogar verborgene Strukturen angewendet werden kann, wird in dieser Doktorarbeit an zwei Probensystemen experimentell gezeigt.
Im ersten Beispiel wurden die unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten durch örtliches Ändern der Ladungsträgerdichte in Silizium durch Bor-Implantation erreicht. Es wird gezeigt, dass die Dichte der freien Ladungsträger an Hand des optischen Kontrastes zwischen implantiertem und reinem Silizium ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck wurden zwei unterschiedliche Ansätze verwendet, ein nicht-interferometrischer mittels variabler Wellenlängen und ein interferometrischer mit einer konstanten Wellenlänge. Weil diese Techniken gegensätzliche Informationen liefern, können sie genutzt werden, um die effektive Ladungsträgerdichte quantitativ zu bestimmen. Beide Ansätze lieferten konsistente Resultate für die Trägerdichte, welche sehr gut mit den Vorhersagen der Literatur übereinstimmt.
Während die Strukturen im ersten Beispiel im Mikrometer-Bereich lagen, wird die Möglichkeit, verborgene Nanostrukturen zu untersuchen, an Hand einer Probe mit Indiumarsenid Quantenpunkten demonstriert. Diese sind von einer dicken Schicht Galliumarsenid bedeckt. Zum ersten Mal wird experimentell gezeigt, dass Übergänge zwischen Elektronenzuständen in einzelnen Quantenpunkten mit Nahfeldmikroskopie untersucht werden können. Durch die Messung der Nahfeld-Antwort der Quantenpunkte unter Änderung der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes war es möglich, charakteristische Nahfeld-Signaturen der einzelnen Quantenpunkte zu erhalten. Nahfeld-Kontraste bis zu 30 Prozent konnten für die resonante Anregung der Elektronen im Leitungsband der Indiumarsenid Punkte beobachtet werden
