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Charakterisierung Molekularer Wechselwirkungen mit Ellipsometrie Roland Seitz

Inhalt Spektroskopische Ellipsometrie Biotechnische Anwendungen Prinzip Eigenschaften Übersicht Anwendungen Biotechnische Anwendungen Protein Adsorption Self-Assembled Monolayers (SAM) DNA-Schichten DNA-Sensoren Langmuir-Blodgett-Schicht Biotin-Avidin Komplex (Biosensor) Aggregation von Polysachariden

Ellipsometrie Prinzip: Messung der Änderung des Polarisationszustandes von Licht bei Reflexion oder Transmission an einer Probe

Ellipsometrie Licht Polarisator Probe Analysator Detektor in-situ ex-situ Five steps: 1 – generation of an incident light beam in a polarization state known accurately in advance through instrument calibration 2 - Specular reflection of the beam from a sample surface leading to an emergent beam in a new polarization state 3 – accurate analysis of the new polarization state again relying on instrument calibration information 4 – calculation of beam/sample interaction parameters such as elliposmetric angles 5 – computation of optical and structural information on the sample such thickness and (n,k)

Ellipsometrie: bestimmbare Größen Messung: Änderung des Polarisationszustandes => Ellipsometrische Winkel Psi & Delta (Is & Ic) => Schichtdicken => optische Konstanten => strukturelle Eigenschaften

Ellipsometrie: Schichtdicken Schichtdicken (sub-monolayer- bis einige 10µm) Einfachschichten und komplexe Vielschichter Charakterisierung von Oberflächen und Zwischenschichten Gradientenschichten Anisotropie

Ellipsometrie: optische Konstanten optische Konstanten n & k: n = Brechungsindex k = Absorptionskoeffizient n &k sind wellenlängenabhängig => optische Dispersion Dielektrikum Halbleiter Metall

Ellipsometrie: strukturelle Eigenschaften Zusammensetzung Mikrostruktur und Kristallinität Optische Bandlücke von Halbleitern Schichthomogenität Porosität Phasenübergänge

Thermostated sample stage Phasenübergänge Bestimmung der Glasübergangstemperatur eines Polymers Thermostated sample stage

Ellipsometrie: Anwendungsbereiche Halbleiter Transistor: HEMT, MOSFET, OTFT, CMOS Speicher: PZT, BST Dielectrika High k, low k Photoresists, Polymere Datenspeicher: GeSbTe, DLC Photovoltaik Si-Solarzellen Dünnschichttechnologie Organische Solarzellen Optoelektronik Laserdioden Waveguide: oxidized porous silicon, AsSeS, graded materials IR Materialien, nicht-lineare Elemente LiNbO3 Display-Technologie TFT, LTPS, liquid crystals OLED Plasma display panel Flexible display

Ellipsometrie: Anwendungsbereiche Schutzschichten Anti-Korrosion Hard coatings Lebensmitteltechnologie Optische Beschichtungen Anti-reflex, elektrochrome, Spiegel, Farbfilter Architekturglas Dekorative Beschichtungen Nano- und Biotechnologie Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen Biosensoren Proteine, DNA

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,…

Protein (BSA) Adsorption Adsorptionskinetik Messung in Flüssigkeitszelle => Stärkste Adsorption aud der SiO2 Oberfläche

Self Assembled Monolayer n-Alkanethiol auf Gold Substrat Unterschiedliche Kohlenstoffzahl => Schichtdicke nimmt mit Anzahl zu [Kohlenstoff] Dicke (A) (n=8) 8.5 (n=10) 10.5 (n=12) 13.2 (n=20) 20.1 Information in FUV

DNA auf Gold: Einfluß der Pufferlösung DNA Probe in deionisiertem H2O 10s – 30s: Zugabe des PBS Puffers (Phosphationen + NaCl) => Zunahme der Schichtdicke aufgrund der Ausrichtung der DNA Moleküle

DNA auf Gold: Bestimmung von n 3 unterschiedliche DNA-Ketten => Brechungsindex kann mit Schichtdicke korrelieren DNA 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 1.50 30 23 12 Gold

DNA Sensor: Mapping der Schichtdicke Monolage eines DNA Sensors auf SiO2 (Ringstruktur) Messung: Einfallswinkel: 70° Spektralbereich: 240nm – 830nm Spot-Größe: 50µm x 150µm Schichtdicke in Å

LB Filminhomogenität: (n,k) Interface > (n,k) top 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 42 Å 513 Å Glas Substrat LB 33.75% LB + 66.25% Luft Transmission LB Filminhomogenität: (n,k) Interface > (n,k) top Ellipsometrie

Biosensor: Biotin-Avidin Komplex 1. Bestimmung der Dicke der Biotinschicht 2. Bildung des Avidin- Biotin Komplexes 3. Bestimmung der Dicke des Avidin-Biotin Komplexes

Aggregation von Polysacchariden 2 Proben: ionische Pullulan-Derivate (CMP) modifiziert mit 10% und 35% C8-Ketten CMP Lösung 24h Stabilisierung: Bildung einer stabilen Monoschicht Injektion einer Pufferlösung

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

Zusammenfassung Ellipsometrie für biotechnische Anwendungen: 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

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