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Teilchen Im Nanobereich

Teilchen Im Nanobereich

Der Physikalische Hintergrund



Das Projekt Tina ist als Unterstützung der Forschungsarbeiten an der Universität Graz gedacht. Um einen Einblick in die Funktionsweise des Programmes Tina und dessen späteren Gebrauch in der Forschungsarbeit zu erhalten ist es nötig die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge zu kennen Im Folgenden ein kurzer überblick
1 Grundsätzliches zum Versuch
2 Parameter
i) Material
ii) Dielektrizitätskonstante
iii) Form der Teilchen
iv) Wellenlänge des Lichtes
v) Polarisationsrichtung

1. Grundsätzliches zum Versuch

Bei dem Versuch der die praktische Grundlage zum Modell TINA ist, werden im Groben Teilchen im Größenbereich von einigen Nanometern mit Licht bestrahlt und danach Messdaten ermittelt.
Um die optischen Eigenschaften metallischer Strukturen im Nanobereich untersuchen zu können ist es zuallererst von Nöten diese erstellen zu können.Da man neben der Anorndung der Teilchen auf einem entsprechenden Trägermaterial auch noch deren Form bestimmen möchte, war es notwendig eine Möglichkeit zu finden, die es erlaubt auch in diesem Größenbereich die Versuchsanordnung genau festzulegen. Um diesen Anforderungen an die Genauigkeit genüge zu tun hat man am Elektronenmikroskop eine Zusatzvorrichtung angebracht die es erlaubt den Elektronenstrahl in eine beliebige Richtung zu lenken und damit auch lithographische Arbeiten durchzuführen.
Sind die Strukturen erst einmal erstellt, so kann man mittels eines Spektrometers Messdaten auslesen, die später als Eingaben für TINA dienen.

2. Parameter

Der Versuch wird natürlich von einer Reihe von Parametern beeinflußt deren Kenntnis auch Voraussetzung für die Errechnung des Modelles in TINA sind.

i) Material

Verschiedene Materialien sind verschieden leicht zu polarisieren, was sich unmittelbar auf das elektrische Nahfeld des Teilchens auswirkt.
Metallische Strukturen werden vorallem aus Gold, Silber und Kupfer aber auch mit anderen Metallen erstellt.

ii) Dielektrizitätskonstante

Die Dielektrizitätskonstante beschreibt das elektrische Verhalten eines Teilchens bestimmten Materials.
D.h. es wird beschrieben wie leicht/schwer der Prozess des Polarisierens der Elektronen in einem bestimmten Material von sich geht. Da dieses Verhalten von der Umgebung des Mediums abhängig ist (z.B. Silbertropfen auf Glasplatte) muß mittels der e-Umgebungs-Konstante die Umgebungsbedingung in der Berechnung berücksichtigt werden. Es handelt sich dabei um einen einheitenlosen reellen Wert zwischen 1 und 5.

iii) Form der Teilchen

Form und Größe des Teilchens legen das Resonanzverhalten fest und sind daher für die Feldstärkenverteilung im Nahfeld des Teilchens verantwortlich d.h. die Intensitätsverstärkung ist von der Oberflächenkrümmung abhängig.
Durch den Lithographieprozess können Teilchen in einer bestimmten Größe und Form hergestellt werden. Die Form und Größe legt das Resonanzverhalten des Teilchens fest und ist somit maßgeblich für die Feldstärkenverteilung im Nahfeld des Teichens verantwortlich.
Das Achsenverhältnis wird durch Längenangabe der Achsen in Nanometer (nm) bestimmt. Man unterscheidet bei den Teilchen zwischen Prolaten und Oblaten (siehe Skizze) ERKLÄRUNG von flach, Sphäroid Oblate Prolate Abb 2.1 soll diese Erscheinung verdeutlichen. Gezeigt ist die Intensitätsverstärkung als Funktion des Achsenverhältnisses am äquator (Kurve I; x0a, y=0, z=0) sowie am Pol (Kurve II; x=0, y=0, z=b) berechnet ueber der jeweiligen Resonanzwellenlänge. wie man sieht ergibt sich ein monotoner Verlauf was bedeutet, daß im Prinzip eine beliebig hohe Feldverstärkung erreicht werden kann wenn das Teilchen nur flach genug ist.

Abb. 2.1: Die Intensitätsverstärkung an der Oberfläche flacher Silbersphäroide bei Anregung senkrecht zur Rotationsachse. I: am äquator, II am Pol i

iv) Wellenlänge des Lichtes

Die Feldverstärkung in der unmittelbaren Umgebung des Teilchens ist von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes abhängig. Abb. 2.2 zeigt die Wellenlängenabhänigkeit der Intensitätsverstärkung am äquator eines flacher Silbersphäroide, also am Ort der stärksten Oberflächenkrümmung.

Abb 2.2:Intensitätserhöhung am äquator eines flachen Silbersphäroides

	           in Abhänigkeit zur Wellenlänge.

v) Polarisationsrichtung

Wird bezüglich der Teilchenachsen angegeben.
a) parallel zur längeren Teilchenachse
b) senkrecht zur längeren Teilchenachse
Je nach Richtung wird eine andere Formel zur Berechnung der Extinktion verwendet. Es gibt insgesamt 4 Formeln welche bei der Berechnung verwendet werden können :
a) Für flache Teilchen, parallel zur längeren Achse
b) Für flache Teilchen, senkrecht zur längeren Achse
c) Für flache längliche Teilchen, parallel zur längeren Achse
d) Für flache längliche Teilchen, senkrecht zur längeren Achse