Verfahren der Mikrosystemtechnik zur Herstellung/Charakterisierung von Chemo- und Biosensoren

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1 Verfahren der Mikrosystemtechnik zur Herstellung/Charakterisierung von Chemo- und Biosensoren Teil 8: Analysemethoden zur Charakterisierung der Mikrosysteme II Dr. rer. nat. Maryam Weil Fachhochschule Kaiserslautern - Standort Zweibrücken

2 Vorlesungstermine Verfahren der Mikrosystemtechnik Studiengang: BA-ALS Semester 5 WS 12/13 Nr. KW Thema Einführung Herstellungsmethoden für Mikrosysteme I Herstellungsmethoden für Mikrosysteme II Herstellungsmethoden für Mikrosysteme III Herstellungsmethoden für Mikrosysteme IV Funktionalisierung von Oberfläche mit Fängermolekülen Analysemethoden zur Charakterisierung der Mikrosysteme I Analysemethoden zur Charakterisierung der Mikrosysteme II Analysemethoden zur Charakterisierung der Mikrosysteme III Analysemethoden zur Charakterisierung der Mikrosysteme IV Analysemethoden zur Charakterisierung der Mikrosysteme V Laborveranstaltung B-ALS-5 - "Verfahren der MST" μcp (MicroContactPrinting) WS 12/13; ~19. Feb- 4.März

3 VTL-Konten für die Studierenden (bis zum begrenzt) Zugangsdaten: Sie lauten: - Link: (also ohne www ) - Benutzername: jeweils erster Buchstabe des Vornamens mit einem Punkt vom Nachnamen getrennt und alles kleingeschrieben, also z.b. g.hassler, s.muehlenbacher, s.ull-sopha oder l-s.henrich - Sonderfall: diana.wilhelm ( d.wilhelm gibt s nämlich schon) - Passwort: vtl-als (für alle identisch und kann natürlich - für den Login in die Lernplattform und die Anmeldung an den Simulationen getrennt voneinander - geändert werden; vgl. VTL-Forum)

4 Wie Charakterisiert man die hergestellten Proben? 1. Methoden zur mechanischen Schichtcharakterisierung Charakterisierung von Stufen 2. Methoden zur Bestimmung der Topographie Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rastertunnelmikroskopie (STM), Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM), Scanning electrochemical microscopy (SECM) 3. Optische Methoden Optische Mikroskopie, Ellipsometrie, Auger und XPS, Elektronenmikroskopie,

5 Rastertunnelmikroskopie (STM) Historie Das STM wurde 1981 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer erfunden. (Nobelpreis für Physik 1986) Atomare Auflösung nm Misst den Tunnelstrom zwischen einer metallischen Spitze und einer leitenden Oberfläche Nur leitende Materialien oder Halbleiter können abgebildet werden Graphitoberfläche Au (100) Rekonstruktion

6 Rastertunnelmikroskopie (STM) Prinzip Leitfähige Probe und Spitze Spitze ist gespitzt bis auf ein Endatom (idealisiert) Eine kleine Spannung wird angelegt Spitze ist sehr nahe an der Oberfläche ohne physikalischen Kontakt Die Grösse des Tunnelstroms ist sensitiv auf den Abstand Spitze- Oberfläche

7 Zwischen Spitze und Probe wird eine Spannung angelegt (mv bis 3 V). Wenn die Distanz genügend klein ist (<10 Å), fließt ein Strom (pa bis na), der so genannte Tunnelstrom, der dem STM seinen Namen gab (Rastertunnelmikroskop). Wieder zwei Modi: 1. Konstanter Strom Modus Konstante Höhe Modus

8 Rastertunnelmikroskopie (STM) Konstanter Strom Modus

9 Rastertunnelmikroskopie (STM) Konstante Höhe Modus

10 Rastertunnelmikroskopie (STM) Spektroskopieoption (Scanning tunneling spectroscopy (STS)) Bei der STS kann die lokale elektronische Struktur einer Probenoberfläche durch die Messung von Leitfähigkeit (di/dv) oder Austrittsarbeit (di/dz) gegen angelegte Spannung V vermessen werden

11 Rastertunnelmikroskopie (STM) Berühmte Experimente

12 STM

13 Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) Abbe Limit Das Abbe* Limit beschreibt die maximale Auflösung in der Mikroskopie d = Abstand zwischen zwei Punkten der Probe λ = Wellenlänge des Untersuchungslichts n = Brechungsindex 2a = Winkelbereich in dem das Licht gesammelt wird Die beste damit erzielbare optische Auflösung im sichtbaren Bereich ist bei Fernfeld-Optik ca.? nm. Ernst Abbe: 1873 veröffentlicht

14 Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) Prinzip der Nahfeldoptik Licht passiert eine Apertur deren Durchmesser kleiner als die Wellenlänge ist und beleuchtet eine Probe, die sich im Nahfeldbereich befindet (viel dichter als die Wellelänge des Lichts). Optische Auflösungen < 50 nm können erreicht werden!

15 Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) Prinzip der Nahfeldoptik Optische Auflösungen < 50 nm können erreicht werden!

16 Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) Beispiel: Muskelgewebe Optische Mikroskopie SNOM

17 Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) Abstandsabhängigkeit

18 2. Methoden zur Bestimmung der Topographie 2.3 Optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) Abstandsabhängigkeit

19 Scanning electrochemical microscopy (SECM) Historie Der Ausdruck scanning electrochemical microscopy (SECM) wurde von A.J. Bard und Mitarbeitern im Jahre 1989 eingeführt. Auflösung liegt bei ~ 1 nm Man misst den Faradayschen Strom in einer Elektrolytlösung Proben können Festkörper wie Metalle, Glas, Polymere, biologische Proben, oder Flüssigkeiten wie Quecksilber oder Öl sein

20 Scanning electrochemical microscopy (SECM) Prinzip SECM misst den Faradayschen Strom mittels einer Ultramikroelektrode in einer Flüssigkeit

21 Scanning electrochemical microscopy (SECM) Prinzip Die Probe stört die elektrochemischen Reaktion der Spitze und liefert damit Information über die Eigenschaften der Probe

22 2. Methoden zur Bestimmung der Topographie 2.4 Scanning electrochemical microscopy (SECM) Anwendung Untersuchungen von Auflösen von Kristallen Leitfähige Kunststoffe Hydrodynamische Bilder Metallnanopartikel auf Oberflächen Biologische Systeme Oberflächenbeschichtungen

23 Fragen?

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