Development and fabrication of novel probes for electrical and optical scanning probe microscopy

Die Bedeutung der Nanowissenschaft und deren Umsetzung in der Nanotechnologie, welche ihren Ursprung im Bereich der Mikroelektronik hat, nimmt laufend zu und führt so in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik zu wichtigen neuen Erkenntnissen und Entwicklungen. Die analytischen Verfahren mit Auflösungen im Nanometer-Bereich sind wesentlicher Bestandteil dieses Erfolgs. Einen wichtigen Anteil daran haben die Methoden der Rastersondenmikroskopie (SPM, englisch Scanning Probe Microscopy). Diese bieten eine hohe räumliche Auflösung und zusätzlich die Möglichkeit, elektrische, optische und andere physikalische, chemische oder biologische Eigenschaften von Proben zu analysieren. Alle Methoden der SPM nutzen als wesentliche Elemente zur Analyse der Proben spezielle Sonden mit feinen Spitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Sonden für die wichtigen Methoden der elektrischen und der optischen SPM untersucht. Dabei wurden insbesondere neuartige Sonden entwickelt und hergestellt. Als Erstes wurden Sonden für die elektrische SPM untersucht, deren Spitzen einheitlich aus elektrisch leitfähigem Kompositmaterial bestehen, eine optimierte Form aufweisen sowie auf relativ günstige Weise hergestellt werden können. Es wurde ein neuartiger Ansatz zu ihrer Herstellung entwickelt, der auf der Fertigung von Spitzen mittels UV-Nanoimprintlithographie beruht. Dazu wurden spezielle Prägeformen durch Bearbeitung mit dem fokussierten Ionenstrahl hergestellt, dann Spitzen gefertigt und einer Nachbehandlung unterzogen. Weiterhin wurden ausgehend von den Spitzen Demonstratorsonden hergestellt, charakterisiert und für elektrische SPM-Messungen angewendet, wobei sich gegenüber speziellen konventionellen Sonden ein vergleichsweise geringer elektrischer Widerstand sowie eine Verbesserung der erreichbaren Auflösung zeigte. Als Zweites wurden Verbesserungen im Bereich der elektrischen SPM hinsichtlich einer Reduktion der parasitären Kapazitäten und der Transienteneffekte sowie hinsichtlich der Vergleichbarkeit der Messungen an verschiedenen Positionen auf der Probe untersucht. Dazu wurden elektrische Modelle gebildet und davon ausgehend Kapazitäten berechnet. Weiterhin wurden neue geschirmte Sonden, spezielle Halter und eine Fertigungsvorrichtung zur Kontaktierung entwickelt und hergestellt. Die Sonden wurden mikroskopisch und elektrisch charakterisiert sowie für Messungen der lokalen Kapazität und lokaler Strom-Spannungs-Kennlinien angewendet. Dabei wurde eine Reduktion der parasitären Kapazität und des Verschiebungsstroms um bis zu 80 % erreicht. Als Drittes wurden neuartige Sonden im Bereich der optischen SPM untersucht. Zum ersten Mal wurden Sonden mit speziellen Bragg-Strukturen entwickelt, die eine Adaption der zur Untersuchung genutzten elektromagnetischen Felder erlauben. Die Sonden wurden entworfen, hergestellt und anschließend mikroskopisch inspiziert sowie optisch räumlich und spektral aufgelöst analysiert. Dabei zeigte sich im Vergleich zu routinemäßig verwendeten Sonden eine bessere Lokalisierung der elektromagnetischen Felder und eine Verbesserung des Kontrastes bis zu einem Faktor 3,3.The role of nanoscience and its implementation in nanotechnology, which originally has its roots in microelectronics, is constantly growing and, therefore, leads to new discoveries and evolution in diverse areas of science and technology. Essential parts of this success are analytical techniques with resolutions in the nanometer scale. Great share in this can be attributed to scanning probe microscopy (SPM) techniques. They combine high spatial resolution with the additional possibility of measuring electrical, optical, other physical, chemical or biological properties of the samples. All SPM methods use special probes with sharp tips as essential components to analyze the samples. Within the scope of this work probes for important electrical and optical SPM techniques were investigated. In doing so, particularly novel probes could be developed and fabricated. Firstly, probes for electrical SPM including tips consisting uniformly of one composite material, having an optimized shape, and also offering the possibility of relatively cheap production were investigated. For this, a new approach for the fabrication of probes for electrical SPM was developed, based on the manufacturing of tips using UV-nanoimprint lithography. Therefore, special molds were fabricated by focused ion beam structuring. Then tips were fabricated and special post-treatment was applied to the tips. After that, demonstrator probes containing the tips were fabricated, characterized, and applied for electrical SPM measurements, which showed relatively low electrical resistance and improvements of the imaging resolution compared to special conventional probes. Secondly, improvements in the field of electrical SPM measurements regarding reduction of parasitic capacitances and transient effects as well as regarding comparability of measurements taken at different positions were investigated. For that appropriate modeling was performed and capacitances were calculated. Furthermore, new shielded probes, as well as special holders, and a manufacturing apparatus for attaching electrical contacts were developed and fabricated. The probes were characterized microscopically and electrically. Additionally they were used for local capacitance measurements, as well as for local measurements of current-voltage-characteristics. Thereby, a clear reduction of the parasitic capacitance and of the displacement current of up to 80 % was achieved. Thirdly, novel probes in the field of optical SPM were investigated. For the first time, probes including special Bragg-structures were developed, which allow advanced control of the electromagnetic fields used for investigation of the sample. The probes were designed, fabricated and after that they were analyzed microscopically and optically including raster scans of the probes and spectral measurements. The results showed a clear improvement in contrast up to a factor of 3.3 and a better localization of the electromagnetic fields compared to probes used routinely