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Charakterisierung Molekularer Wechselwirkungen mit Ellipsometrie
Roland Seitz
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Inhalt
Spektroskopische EllipsometriePrinzipEigenschaftenÜbersicht Anwendungen
Biotechnische AnwendungenProtein AdsorptionSelf-Assembled Monolayers (SAM)DNA-SchichtenDNA-SensorenLangmuir-Blodgett-SchichtBiotin-Avidin Komplex (Biosensor)Aggregation von Polysachariden
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Ellipsometrie
Prinzip: Messung der Änderung des Polarisationszustandes von Licht bei Reflexion oder Transmission an einer Probe
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Licht Polarisator Probe Analysator Detektor
Ellipsometrie
ex-situ in-situ
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Ellipsometrie: bestimmbare Größen
Messung: Änderung des Polarisationszustandes
=> Ellipsometrische Winkel Psi & Delta (Is & Ic)
=> Schichtdicken
=> optische Konstanten
=> strukturelle Eigenschaften
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Ellipsometrie: Schichtdicken
- Schichtdicken (sub-monolayer- bis einige 10µm)
- Einfachschichten und komplexe Vielschichter
- Charakterisierung von Oberflächen und Zwischenschichten
- Gradientenschichten
-Anisotropie
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Ellipsometrie: optische Konstanten
optische Konstanten n & k:n = Brechungsindexk = Absorptionskoeffizient
n &k sind wellenlängenabhängig => optische Dispersion
Wavelength (nm)1 5001 000500
n
2.5
2.25
2
1.75
1.5
Photon Energy (eV)654321
n
6
5
4
3
2
1
k
5
4
3
2
1
0
Wavelength (nm)1 5001 000500
n
6
5
4
3
2
k
5
4
3
2
Dielektrikum Halbleiter Metall
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Ellipsometrie: strukturelle Eigenschaften
- Zusammensetzung
- Mikrostruktur und Kristallinität
- Optische Bandlücke von Halbleitern
- Schichthomogenität
- Porosität
-Phasenübergänge
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PhasenübergängeBestimmung der Glasübergangstemperatur eines Polymers
Thermostated sample stage
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Halbleiter• Transistor: HEMT, MOSFET, OTFT, CMOS
• Speicher: PZT, BST
• Dielectrika
• High k, low k
• Photoresists, Polymere
• Datenspeicher: GeSbTe, DLC
Display-Technologie
• TFT, LTPS, liquid crystals
• OLED
• Plasma display panel
• Flexible display
Photovoltaik • Si-Solarzellen
• Dünnschichttechnologie
• Organische Solarzellen
Optoelektronik•Laserdioden
•Waveguide: oxidized porous silicon, AsSeS, graded materials
•IR Materialien, nicht-lineare Elemente LiNbO3
Ellipsometrie: Anwendungsbereiche
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Nano- und Biotechnologie• Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen
• Biosensoren
• Proteine, DNA
Schutzschichten• Anti-Korrosion
• Hard coatings
• Lebensmitteltechnologie
Optische Beschichtungen• Anti-reflex, elektrochrome, Spiegel, Farbfilter
• Architekturglas
• Dekorative Beschichtungen
Ellipsometrie: Anwendungsbereiche
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Anwendungen in der Biotechnologie
Was will man bestimmen? Schichtdicke
Strukturelle Eigenschaften (Anisotropie)
Kinetiken (Adsorption)
Ellipsometer Konfiguration:Spektralbereich: VIS für die meisten Anwendungen; FUV (Polymere,
ultra-dünne Schichten…)
Mikrospot (Ortsauflösung)
Flüssigkeitszelle, Temperaturzelle, electrochemische Zelle,…
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Protein (BSA) Adsorption
Adsorptionskinetik
Messung in Flüssigkeitszelle
=> Stärkste Adsorption aud der SiO2 Oberfläche
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Self Assembled Monolayer n-Alkanethiol auf Gold Substrat
Unterschiedliche Kohlenstoffzahl
=> Schichtdicke nimmt mit Anzahl zu
[Kohlenstoff][Kohlenstoff] Dicke (A)Dicke (A)
(n=8)(n=8) 8.58.5
(n=10)(n=10) 10.510.5
(n=12)(n=12) 13.213.2
(n=20)(n=20) 20.120.1
(psi, delta)exp - 3 epaisseurs
Photon Energy (eV)65432
Is
0.9800.9600.9400.9200.9000.8800.8600.8400.8200.8000.780
Ic
0.300
0.200
0.100
0.000
-0.100
-0.200
-0.300
-0.400
-0.500
-0.600
Information in FUV
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DNA auf Gold: Einfluß der Pufferlösung
0 – 10s:DNA Probe in deionisiertem H2O
10s – 30s:Zugabe des PBS Puffers(Phosphationen + NaCl)
=> Zunahme der Schichtdicke aufgrund der Ausrichtung der DNA Moleküle
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DNA auf Gold: Bestimmung von n
DNA
Gold Dicke der DNA Schichten (Å)
n Probe 1 Probe 2 Probe 3
1.4 35 27 15
1.45 33 25 13
1.47 32 24 13
1.50 30 23 12
3 unterschiedliche DNA-Ketten
=> Brechungsindex kann mit Schichtdicke korrelieren
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DNA Sensor: Mapping der Schichtdicke
Monolage eines DNA Sensors auf SiO2 (Ringstruktur)
Messung: Einfallswinkel: 70°Spektralbereich: 240nm – 830nmSpot-Größe: 50µm x 150µm
Schichtdicke in Å
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Photosensitive Langmuir Blodgett (LB) Filme
• Einfluß von UV Strahlung auf biologisches Material• Charakterisierung: Filmdicke, (n,k)> Kombination von Ellipsometer- und Transmissionsmessungen um die Genauigkeit zu erhöhen
Transmission
42 Å
513 Å
Glas Substrat
LB
33.75% LB + 66.25% Luft
Constantes optiques de la couche Langmuir Blodgett
(n,k) interface.dsp (n) (n,k) couche LB.clc (n)(n,k) interface.dsp (k) (n,k) couche LB.clc (k)
Photon Energy (eV)2.2521.751.51.2510.75
n
3.9
3.6
3.3
3
2.7
2.4
2.1
1.8
1.5
k
2.4
2.1
1.8
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
Photon Energy (eV)21
T
0.900
0.850
0.800
0.750
0.700
0.650
0.600
0.550
0.500
0.450
0.400
LB Filminhomogenität: (n,k) Interface > (n,k) top
Resultat de fit - Echantillon LB/Quartz
Photon Energy (eV)2.2521.751.51.2510.75
Is
0.450
0.400
0.350
0.300
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
0.000
-0.050
Ic
-0.100
-0.150
-0.200
-0.250
-0.300
-0.350
-0.400
-0.450
-0.500
-0.550
Ellipsometrie
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Biosensor: Biotin-Avidin Komplex
1. Bestimmung der Dickeder Biotinschicht
2. Bildung des Avidin-Biotin Komplexes
3. Bestimmung derDicke des Avidin-BiotinKomplexes
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Aggregation von Polysacchariden
CMP Lösung
24h Stabilisierung:Bildung einer stabilen Monoschicht
Injektion einer Pufferlösung
2 Proben: ionische Pullulan-Derivate (CMP) modifiziert mit 10% und 35% C8-Ketten
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Aggregation von Polysacchariden
3 Messungen:0min, 5min und 10min nach der Störung:
Pullulan-Derivate (CMP) modifiziert mit 10% C8-Ketten:Änderungen in den Ellipsometerspektren=> keine stabile Monolage
Pullulan-Derivate (CMP) modifiziert mit 35% C8-Ketten:Keine Änderungen in den Ellipsometerspektren=> stabile Monolage
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zerstörungsfrei & kontaktlos
keine Probenpräparation nötig
höchstempfindlich für extrem dünne Schichten (< Monolagen)
Bestimmung der optischen und strukturellen Eigenschaften von
dünnen Schichten
Ortsauflösung min ca. 20µm
Zeitauflösung min ca. 1ms
Zusammenfassung
Ellipsometrie für biotechnische Anwendungen:
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Vielen Dank!
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