Zeitaufgelöstes Terahertz Nahfeld-Mikroskop

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537610356

Zeitaufgelöste Terahertz (THz) Spektroskopie ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der Ladungsträgerdynamik, z.B. in halbleitenden Materialien: Ein kurzer und intensiver Laserpuls regt die Ladungsträger an, ein kurzer THz Puls fragt den Zustand der angeregten Ladungsträger ab. Da die THz Wellenlänge, und damit der kleinstmögliche Fokus-Durchmesser, im Millimeterbereich liegt, werden große Proben für Untersuchungen mit konventioneller THz-Spektroskopie benötigt. Nahfeldmessungen, bei denen die THz-Strahlung in direkter Umgebung der Probe gemessen wird, ermöglichen THz Messungen für Proben im Mikrometerbereich. Hier beantragen wir ein THz Nahfeldmikroskop, das auf einem Rasterkraftmikroskop (AFM) basiert. In diesem Fall wird die THz-Strahlung durch die AFM-Spitze gestreut, die direkt mit der Probe wechselwirkt. Die räumliche Auflösung ist in diesem Fall nur durch den Radius der AFM-Spitze limitiert und erreicht weniger als 100 nm. Ein Zug von THz Pulsen wird durch einen Femtosekundenlaser erzeugt und durch parabolische Spiegel auf die AFM-Spitze fokussiert; ein zweiter Satz Parabolspiegel sammelt die gestreute Strahlung und leitet sie auf einen Detektor. Da das Nahfeldsignal, das von der Wechselwirkung zwischen Probe und Spitze stammt, nicht linear mit dem Abstand Spitze-Probe skaliert, kann ein Lock-In Verstärker zur Messung des THz-Signales genutzt werden. Die kurzen THz Pulse überdecken einen großen spektralen Bereich, der Informationen über freie Ladungsträger, exzitonische Zustände, Phononen oder andere Merkmale der Probe enthält. Des Weiteren werden dadurch auch zeitaufgelöste Messungen ermöglicht: ein abstimmbarer Femtosekunden-Laserpuls wird ebenso zur Probe geleitet und kann dort Ladungsträger resonant anregen. Damit erlaubt das Mikroskop die Untersuchung von Nichtgleichgewichts-Ladungsträgerdynamik auf einer Zeitskala von Pikosekunden und einer Längenskala von Nanometern. Diese Art von AFM-basierten, zeitaufgelösten Nahfeldmikroskop ist kommerziell nicht erhältlich. Um Messungen bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen, besteht das System aus einem geschlossenen Helium Kryostaten, in dem sich das eigentliche AFM befindet. THz Emitter und Detektor sind durch einen Faserlaser betrieben, und ist bereits voll in das System integriert. Das abstimmbare Lasersystem ist nicht Standard, und muss speziell für uns integriert werden. Alles muss dabei vollständig in der Hardware und Software des Mikroskops implementiert werden. Proben die dabei für uns von Interesse sind, sind z.B. 2D Materialien und deren Heterostrukturen, topologische Isolatoren und Phasenübergangsmaterialien. Neben den Arbeiten in unserer Gruppe soll das Mikroskop auch anderen Gruppen innerhalb der Universität Duisburg-Essen zur Verfügung stehen, die Koordination soll über das Interdisciplinary Center for Analytics on the Nanoscale (ICAN) erfolgen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Zeitaufgelöstes Terahertz Nahfeld-Mikroskop
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope
• Antragstellende Institution: Universität Duisburg-Essen
• Leiter: Professor Dr. Martin Mittendorff