Copyright: Copyright Karl Frank, Walter Gruber 1996


Inhalt

Allgemeine Information

Strukturerstellung

Strukturvermessung

Praktische Anwendungsmöglichkeiten

Technische und organisatorische Voraussetzungen

Meßergebnisse

Parameter

Funktionen

Bildschirmdarstellung

Zoomfunktion

Schnitte am Teilchen

Farbverlauf

Programmbeschreibung

Hinweis in eigener Sache

Wo man uns erreichen kann


Allgemeine Informationen

Weltweit beschäftigt sich die wissenschaftliche Nanoforschung mit den Teilgebieten der Nano-Mechanik, Nano-Elektronik und Nano-Optik. An der Karl-Franzens-Universität in Graz ist eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern mit den optischen Eigenschaften metallischer Strukturen beschäftigt. Das Ziel der Forschung ist es, Strukturen zu erstellen und deren optischen Eigenschaften im sichtbaren Bereich zu analysieren (d.h. 1014 - 1015 Hz).


Strukturerstellung

Früher wurden Strukturen über sogenannte Lithographen erstellt und dann mittels eines Elektronenmikroskops (ELMI) analysiert. Durch das Anbringen einer Zusatzeinrichtung am ELMI kann man jetzt den Elektronenstrahl in eine beliebige Richtung lenken und damit auch Lithographische arbeiten durchführen. Durch die Ablenkvorrichtung können somit komplizierte Muster erstellt werden.


Strukturerstellung
Strukturvermessung

Die Gruppe in Graz beschäftigt sich zum einen mit der groben Vermessung des Kollektivs und zum anderen mit der Kernvermessung der einzelnen Inseln. Um die für die Nanoforschung interessanten Effekte zu erzielen, ist es notwendig, daß die Teilchen deutlich kleiner als die Lichtwellenlänge sind ! Derzeit werden Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 10 und 100 nm erstellt.

Die optischen Eigenschaften solcher metallischer Nanostrukturen weisen im Vergleich zum massiven Metall einige Besonderheiten auf. Derartige Nanopartikel absorbieren Licht des sichtbaren Spektralbereiches sehr stark, eine Eigenschaft die man von Metallen im allgemeinen nicht gewohnt ist. Normalerweise zeigen Metalle eine ausgeprägte Reflexion (Spiegel). Befindet sich ein Kollektiv solcher Nanopartikel auf einem geeigneten Trägermaterial (Glas) zeigen sich aufgrund der Lichtabsorption der Partikel, sehr lebhafte Farben. Die physikalische Ursache dieser "optischen Anomalie" sind resonante Plasmaschwingungen der freien Elektronen im Metallpartikel, die vom elektrischen Feld des eingestrahlten Lichtes angetrieben werden. Die Wellenlänge bei der diese Plasmaresonanz auftritt ist besonders stark von der Form des Partikels abhängig. So absorbiert ein kugeliges Teilchen im blauen Bereich des Spektrums während ein abgeflachtes (prolates) Teilchen rotes Licht absorbiert. Als weitere Besonderheit weisen derartige Teilchen in ihrer unmittelbaren Umgebung (einige nm von der Oberfläche entfernt) ein gegenüber dem elektrischen Feld des eingestrahlten Lichtes verstärktes Nahfeld auf (Feldverstärkung 10 - 100). Diese sehr lokale Feldverstärkung ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen in einer zukünftigen Nano-Optik.


Anwendungsmöglichkeiten
Praktische Anwendungsmöglichkeiten

•	Integrierte Optik

•	Informationsfilter (im Nanobereich) für Datenübertragung über Glasfaserkabel

•	Sensoren

•


Technische und organisatorische Vorraussetzung
Technische und organisatorische Vorraussetzungen

Zur Zeit sind in der Abteilung Experimentalphysik mehrere 486er PCs unter Windows in Verwendung. Die an den PCs arbeitenden Personen besitzen fundierte Kenntnisse über Microsoft Windows und unter Windows laufenden Aplikationen.

Zwei direkte Ansprechpartner für diverse anwendungsspezifische Anfragen stehen ab 1. März 1996 zur Verfügung und der Leiter der Experimentalphysik, Hr. Prof. Dr. Aussenigg, hat ausdrücklich seine Unterstützung für die Projektdurchführung zugesagt.

Über die zur Programmierung des Projekts zu verwendete Programmiersprache wir erst in der eigentlichen Projekt-Planungsphase entschieden, wobei auf Grund der bestehenden Aplikationen eine Anpassung an die Windowsoberfläche naheliegen ist (Objektorientierte Sprache mit diversen Windowslibraries).


Meßergebnisse

Vom Spektrometer wird eine ASCII Datei erstellt, welche die Meßergebnisse der Experimente beinhaltet. Diese Daten liefern eine Extinktionskurve, welche am Schirm als Diagramm dargestellt werden soll.

Mit dem im folgenden noch detailierter beschriebenen Funktionen wird ein relativer Extinktionsquerschnitt von flachen und länglichen Silbersphäroiden berechnet. Nach der Berechnung dieses Querschnitts und der Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten, kann eine theoretische Extinktionskurve ermittelt werde. In gegenüberstellung zur experimentell ermittelten Kurve ist der Kurvenverlauf nicht deckungsgleich. Mittels des sogenannten "fittings" soll nun durch Parameter der imaginäre Anteil der DK geändert werden, was sich auf die theoretische Extinktionskurve auswirkt. Bei genügend naher Angleichung sind die Parameter der theoretischen Kurve zu speichern.


Parameter

Material

Inselfilme bestehen in ihrer klassischen Erscheinungsform aus Metallteilchen. Aus einer Liste sollen die meist verwendeten Edelmetalle ausgewählt werden können. Andere Metalle können optional eingegeben werden. Bei den gängigen Materialien handelt es sich um :

•	Siber

•	Gold

•	Kupfer

Achsenverhältnis [a/b]

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)

Das errechnete Verhältnis ist für spätere Berechnungen in der Form : a in nm, b in nm und a/b [Einheitenlos] zu speichern.

Umgebungsfaktor [-Umgebung]

Die Dielektrizitätskonstante (DK) 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 -Umgebung-Konstante die Umgebungsbedingung in der Berechnung berücksichtigt werden. Es handelt sich dabei um einen Einheitenlosen reellen Wert zwischen  1 und  5.

Korrekturfaktor [-Faktor]

Dieser Faktor wird zur Angleichung der errechneten Extinktionsskurve an die gemessene Extinktionskurve verwendet. Beim Prozess des angleichens - das sogenante fitting - soll das Programm folgende Funktion asuführen :

•	Automatisches angleichen durch einen Funktionsaufruf

•	manuelles angleichen durch Parametereinstellung

Der Imaginärteil (siehe x'') der DK-Funktion wird mit diesem Faktor manipuliert. Im Prinzip ist die Anpassung nichts anderes als ein Verschieben der Kurve entlang der y-Achse nach oben bzw. unten.

Wellenlänge []

Eingabe des Wellenlängen-Bereichs in welchem das einstrahlende Licht betrachtet wird. Der Standardwert reicht von 290 nm bis zu 821 nm, soll aber überschrieben werden können.

Polarisationsrichtung

des Teilchens bezüglich der Teilchenachsen. Mögliche Richtungen sind :

•	parallel zur längeren Teilchenachse

•	senkrecht zur längeren Teilchenachse

Je nach Richtung wird eine ander Formel zur Berechnung der Extinktion  verwendet. Es gibt insgesamt 4 Formeln welche bei der Berechnung verwendet werden können :

1.	Für flache Teilchen, parallel zur längeren Achse

2.	Für flache Teilchen, senkrecht zur längeren Achse

3.	Für flache längliche Teilchen, parallel zur längeren Achse

4.	Für flache längliche Teilchen, senkrecht zur längeren Achse


Funktionen

Dielektrizitätskonstante [DK]

Die DK wird mittels einer Funktion ermittelt und ist abhängig von der Wellenlänge  und dient als Parameter bei der Berechnung der theoretischen Absorptionskurve. Das Ergebnis der DK-berechnung ist ein Element der komplexen Zahlen, wobei :

x'	Realteil der DK. Charakterisiert bei fixen Achsenverhältnis die Spektrale Lage des Absorptionsmaximums.
x''	Imaginärteil der DK. Beschreibt die Stärke der Absorption. Je höher der imaginäre Teil, desto geringer die Absorption. (Bei kompakten Film genau umgekehrt, d.h. Absorption umso stärker, je schwächer der imaginäre Teil.

Der schon oben angesprochen fitting Prozess beeinflußt also mit einem Parameter das x''.

Trude

Dieser Parameter wird durch eine Funktion berechnet. Die Funktion dient zur Beschreibung des Verhaltens der freien Elektronen im Metall. Sie muß jedoch bei kleinen Teilchen korrigiert werden (Beispiel : Leitfähigkeit sinkt bei sehr kleinen Teilchen). Diese Korrektur wird gemeinsam mit Trude und dem Size Effekt durchgeführt.

Size Effekt

Dieser Parameter berücksichtigt, daß bei kleinen Teilchen die DK Kurven anders aussehen als bei großen. D.h., daß nach der Berechnung der ersten DK-Kurve die Size Effekt Funktion aufgerufen wird, welche zusammen mit der Funktion Trude eine neue DK-Kurve ergibt.

Polarisierbarkeit

Nachdem die DK-Kurve auf die Partikel angepaßt wurde (über Size Effekt und -Faktor) wird nun die Polarisierbarkeit berechnet. Die Funktion zur Berechnung der Polarisierbarkeit wird später detailiert erklärt.

Querschnittsberechnung

Dabei wird der Extinktionsquerschnitt aus der Polarisierbarkeit berechnet.

QExt = (8 2/ )  im[Polarisierbarkeit]

Anzahl der Teilchen auf gesamte Fläche gesehen mal QExt  Extinktion des Films


Bildschirmdarstellung

Die Darstellung am Bildschirm soll immer unter Berücksichtigung der Menüleisten, Parameterfelder und des Texteditors auf ein maximales ausgenutzt werden. Die unten angeführeten Darstellungsformen ergeben 4 verschiedene Bildschirme, welche übers Menü -  Fenster bzw. über Hot-key's anwählbar sind.

Das Verhältnis des Teichens zum umgebenden Feldlinienverlauf entspricht dabei für alle Riße einem Verhältniss von 1:5 (beim Zoomen bis zu maximal 1 : 10). Als Bezugspunkt dient dabei immer die längere Seite. Bei der Darstellung der Teilchen wird dabei immer der Gesamte Feldlinienverlauf rund um das Teilchen gezeichnet (d.h. trotz Symmetrie werden z.B. im Aufriß die Feldlinien nach oben sowie nach unten gezeichnet). Die Glasplatte auf dem sich das Teichen befindet soll ein- bzw. ausgeblendet werden können, um so das räumliche Verstehen zu unterstützen. Zusätzlich sollen die Rotationsachsen mit einer Skala sichtbar, sein, wobei auch hier die Möglichkeit des Ausblenden bestehen sollte.

Definitionen:

1.	Grundriß 	= Draufsicht auf die Platte

2.	Aufriß	= Sicht parallel zur Platte

3.	Seitenriß	= seitliche Sicht parallel zur Platte

1.) Standartdarstellung (= Darstellung nach Programmstart)

Darstellung im Grundriß

1.1.) Grundrißstandart

•	Pfeil der die Richtung des Lichtes angibt

•	Position entlang der z-Achse = Mittelpunkt des Teilchens

•	Zoom: gesamter Feldlinienverlauf im Fenster sichtbar

1.2.) Aufrißstandart

•	Pfeil der die Richtung des Lichtes angibt

•	Position entlang der x-Achse = Mittelpunkt des Teilchens

•	Zoom: gesamter Feldlinienverlauf im Fenster sichtbar

1.3.) Seitenriß

•	Pfeil der die Richtung des Lichtes angibt

•	Position entlang der x-Achse = Mittelpunkt des Teilchens

•	Zoom: gesamter Feldlinienverlauf im Fenster sichtbar

2.) Grundrißschnitt

Schnitt parallel zur x-y-Ebene (wandern entlang der z-Achse). Ausgangsbasis = Grundrißstandart

3.) Aufrißschnitt

Schnitt parallel zur y-z-Ebene (wandern entlang der x-Ebene). Ausgangsbasis = Aufrißstandart

4.) Diagrammdarstellung

Neben der Darstellung des Teilchens in den drei Rißen, soll auch ein Graph der Feldverstärkung über einer Ortskoordinate als eigener Bildschirm dargestellt werde.


Zoomfunktion

Die Zoomfunktion sollte einem Fensterzoom (vgl. CorelDraw) mit vorgegebenem Achsenverhältnis (wie bei darstellendem Fenster 1:5) entsprechen. Im Gegensatz zum CorelDraw ist aber ein schrittweises zurückgehen in den Zoomstufen nicht notwendig. Zurückzoomen basiert immer auf eine Rückstellung auf die Standard-Darstellung. Das Zoomen ändernt die Skalierung im ausgewählten Bereich, was auch in der Darstellung der Achsenskalierung berücksichtigt werden muß.

Die Zoomtechnik entspricht der CorelDraw Technik, d.h. mit der Maus wird ein bestimmter Punkt gewählt und von diesem ausgehend ein Rechteck mit oben beschriebenen Achsenverhältnis über den Gewünschten Bereich gezeichnet. Die größe des Rechtecks bestimmt somit den Zoomfaktor. Die Zoomfunktion soll sowohl im Grund-, Auf-, wie auch im  Seitenriß verfügbar sein. Der beim zoomen eines Ausschnitts vergrößerte Bereich soll die Farbskalierung 'absolut' beibehalten.


Schnitte am Teilchen

Es soll die Möglichkeit bestehen, einen beliebigen Schnitt innerhalb des Teilchens zu führen, wobei die Schnittführung immer parallel zur jeweiligen Hauptachse läuft. Markiert wird der Schnitt mit der Maus und nach Bestätigung der festgelegten Schnittebene, wird die gewählte Schnitteben auf max. Bildschirmgröße angezeigt.


Farbverlauf

Ausgegangen wird von einer Farbpalette mit 256 Farben. Der Farbverlauf der Feldlinien rund um das Teilchen, soll auf zwei Arten dargestellt werden können.

1. Fließend

Bei dieser Darstellungsart, werden die 256 Farben auf den Ausdehnungsbereich der Feldlinien aufgeteilt. Beginnend mit der niedersten Farbstufe der Farbe rot bis zur höchsten Farbstufe der Farbe blau wird daher jeweils dem Bereich = #Pixel des Ausdehnunngsbereiches / 256 eine Farbe zugeordnet.

2. Abgestuft

Bei dieser Methode, wird mittles eines festgelegten Faktors der Farbskalenbereich aufgeteilt. Der Faktor soll aus Einfachheitsgründen ein Vielfaches der 2-er Potenz sein.

Das bedeutet, daß nach der Festlegung des Faktors die jeweilige Farbzuordnung pro Bereich folgendermaßen durchgeführt wird :

Beispiel : Faktor = 16   256/16 Farben, wobei pro Farbbereich immer die max(Farbe des Teilbereiches) verwendet wird). Diese 16 Farben werden nun auf den Ausdehnungsbereich aufgeteilt.

Durch dieses Verfahren, ergibt sich eine scharfe Trennlinie bei den Übergängen in eine anderen Farbbereich.


Programmbeschreibung

in Arbeit


Hinweis in eigener Sache

in Arbeit


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Anfragen per  E-Mail

Fragen bezüglich des Programms bitte an:

cff@cosy.sbg.ac.at

wgruber@cosy.sbg.ac.at