© 2009 HORIBA, Ltd. All rights reserved. © 2010 HORIBA, Ltd. All rights reserved

© 2009 HORIBA, Ltd. All rights reserved.© 2010 HORIBA, Ltd. All rights reserved.

© 2009 HORIBA, Ltd. All rights reserved.

Charakterisierung Molekularer Wechselwirkungen mit Ellipsometrie

Roland Seitz


Inhalt

Spektroskopische EllipsometriePrinzipEigenschaftenÜbersicht Anwendungen

Biotechnische AnwendungenProtein AdsorptionSelf-Assembled Monolayers (SAM)DNA-SchichtenDNA-SensorenLangmuir-Blodgett-SchichtBiotin-Avidin Komplex (Biosensor)Aggregation von Polysachariden


Ellipsometrie

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


Licht Polarisator Probe Analysator Detektor

Ellipsometrie

ex-situ in-situ


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 = 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


Ellipsometrie: strukturelle Eigenschaften

- Zusammensetzung

- Mikrostruktur und Kristallinität

- Optische Bandlücke von Halbleitern

- Schichthomogenität

- Porosität

-Phasenübergänge


PhasenübergängeBestimmung der Glasübergangstemperatur eines Polymers

Thermostated sample stage


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


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


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][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


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


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


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


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


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


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


Biosensor: Biotin-Avidin Komplex

1. Bestimmung der Dickeder Biotinschicht

2. Bildung des Avidin-Biotin Komplexes

3. Bestimmung derDicke des Avidin-BiotinKomplexes


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


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


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:

© 2009 HORIBA, Ltd. All rights reserved.© 2010 HORIBA, Ltd. All rights reserved.

Vielen Dank!

Roland SeitzHORIBA Jobin Yvon GmbH

Hauptstrasse 1D-82008 Unterhaching

www.horiba.com/de/scientific

Besuchen Sie uns:

A2.515 + A3.520

Documents

© 2009 HORIBA, Ltd. All rights reserved. © 2010 HORIBA, Ltd. All rights reserved