Optische Nanostrukturierung - Lehrstuhl für Biophotonik und

Optische Nanostrukturierung:
Lehrstuhl Biophotonik und Lasertechnologie, Campus A 5.1, Labor -1.13
Mittwoch 14:00 – 18:00 Uhr
Ausweichtermin Donnerstag 14:00 – 18:00 Uhr
Betreuung: Dr. A. Uchugonova, Dr. H. Zhang, Dr. M. Straub, M. Licht.
Versuchsbeschreibung:
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Hochauflösende optische Mikroskopie an einem Femtosekunden-Laserscanningmikroskop
zur Nanostrukturierung und Bildgebung (Zeiss AXIO-Observer.D1, 10-fs Laser der Firma
FemtoLasers, piezogesteuerte Fokussieroptik der Fa. PiezoSystem Jena, Galvoscanner der Fa.
GSI, CCD-Kamera der Fa. Visitron Systems, Photodetektor PMT der Fa. Hamamatsu,
Steuersoftware der Fa. JenLab GmbH).
Vermessung nanostrukturierter Polymerproben und fixierter Zellpräparationen.
Unterweisung Lasersicherheit, Bedienung des Mikroskops (eine Stunde)
Eichung des Bildfeldes mittels Mikrometermaßstabs und CCD-Kamera (eine Stunde)
Vermessung dreidimensional mittels Zwei-Photonen-Lithographie strukturierter
Polymerproben sowie nanostrukturierter Glasproben (eine Stunde)
Vermessung humaner Chromosomenproben nach Lasernanostrukturierung (eine Stunde)
Optische Nanostrukturierung
Einleitung
Nanotechnologie ist eine der wichtigsten Zukunftstechnologien und wird in den kommenden
Jahrzehnten immense wirtschaftliche Bedeutung erlangen. Nanostrukturen werden dabei
insbesondere in der Mikroelektronik, in der optischen Nachrichtentechnik und in der
Sensorik, aber auch in der medizinischen Diagnostik und Therapie Anwendung finden. Unter
Nanostrukturen versteht man üblicherweise Strukturen, deren kleinste Bestandteile
Dimensionen unter 100 nm haben. Es können daher Millionen solcher Struktureinheiten auf
engstem Raum hergestellt werden. Optische Methoden der Nanostrukturierung haben dabei
den großen Vorteil, vergleichsweise schnell und daher besonders effektiv zu sein.
Das bekannteste Beispiel ist die Ultraviolett-Halbleiterlithographie, die es ermöglicht, bei UVWellenlängen mit Hilfe von Objektiven hoher numerischer Apertur Strukturelemente in der
Größe von wenigen 10 nm zu erzeugen. Abb. 1 veranschaulicht die Strukturierung einer
Siliziumscheibe, genannt Wafer, durch die verkleinernde Projektion einer Maske auf eine
dünne lichtempfindliche Lackschicht, die auf den Wafer aufgetragen wurde. Die belichteten
Bereiche werden durch die UV-Bestrahlung löslich und können in einem Entwicklerbad
entfernt werden. Anschließend wird die Struktur durch Ätzung in das Silizium übertragen.
Abb. 1. Links: Projektion der Struktur auf den Chip im Wafer-Stepper. Rechts: ProzessSchritte bei der photolithographischen Strukturierung einer dünnen BauelementSiliziumschicht über einer isolierenden Siliziumdioxidschicht.
Die schnellstmögliche lithographische Herstellung beliebig geformter dreidimensionaler
Nanostrukturen erfolgt auf lasertechnischem Weg mittels Laserrastermikroskopie. Hierbei
wird der Photolack nur punktuell im Brennpunkt des Mikroskopobjektivs belichtet. Durch
eine kontrollierte Bewegung des Brennpunkts entlang eines dreidimensional verlaufenden
Weges durch den Photolack wird dann eine dreidimensionale Nanostruktur erzeugt. Diese
Methode nennt sich Zwei-Photonen Nanolithographie und ist Gegenstand einer der
Versuchsaufgaben.
Hochauflösende optische Mikroskopie an einem Femtosekunden-Laserrastermikroskop
Das Praktikum zur optischen Nanostrukturierung soll Kenntnisse in der Herstellung von
Nanostrukturen anhand der Beispiele nanogeschnittener Chromosomen, dreidimensionaler
Polymernanostrukturen und nanostrukturierter Gläser vermitteln. Als Voraussetzung hierfür
soll der praktische Umgang mit einem hochauflösenden optischen Mikroskop erlernt
werden, das in Kombination mit einem 10-fs Infrarotlaser als Laserrastermikroskop betrieben
wird. Abb. 2 erklärt schematisch die Funktion des Femtosekunden-Laserrastermikroskops.
Abb. 2. Femtosekunden-Laserscanningmikroskop.
Ein Titan-Saphir-Laser erzeugt extrem kurze Infrarot-Lichtpulse mit einer mittleren
Wellenlänge von 790 nm. Ein einzelner Lichtimpuls hat dabei die Dauer von 10 fs (1 fs = 10-15
s), was nur vier Schwingungen des elektrischen Felds entspricht. Der Laser erzeugt 85
Millionen solcher Pulse pro Sekunde, d.h. der zeitliche Abstand zweier Pulse beträgt 12 ns (1
ns = 10-9 s). Da die Laserleistung im zeitlichen Mittel 400 mW beträgt, hat ein einzelner
Lichtpuls eine Energie von nur 5 nJ. Aufgrund der extrem kurzen Pulsdauer beträgt die
Lichtleistung während jedes Pulses 0.5 MW. Die Pulse der Dauer von 10 fs setzen sich aus
einer Überlagerung von Lichtwellen der Wellenlängen 730 nm – 850 nm zusammen, die sich
unterschiedlich schnell durch die optischen Elemente bewegen, bevor sie im Brennpunkt des
Mikroskopobjektivs auf die Probe treffen. Zum Ausgleich dieser Laufzeitunterschiede
durchlaufen die Pulse direkt hinter dem Laser eine Vorkompensationseinheit, die
gewährleistet, dass die Pulslänge im Brennpunkt 15 fs nicht übersteigt. Als zusätzliche
Möglichkeit, die Pulslänge zu variieren können ein Pulsstrecker und ein Doppelkeil in den
Strahlengang eingebracht werden. Der Laserstrahl wird anschließend auf die gewünschte
Leistung reduziert und der Polarisationszustand mit einer Halb- und einer
Viertelwellenplatte gezielt eingestellt. Mit Hilfe der Spiegel des darauf folgenden
galvanometrischen Scanners wird die Position des Brennpunkts in der Probe in x- und yRichtung eingestellt. Der Strahl wird anschließend durch eine Teleskopoptik auf die Größe
der rückseitigen Apertur des Objektivs aufgeweitet und tritt nach Reflexion an dem
dichroitischen Spiegel in das Objektiv ein. Die hohe numerische Apertur NA = 1.3 des
Objektivs ermöglicht einen Durchmesser des Brennpunkts von nur d  0.61 /NA = 375 nm,
so dass im Fokus bei jedem Puls eine Lichtintensität von bis zu 100 TW/cm2 wirksam werden
können (1 TW = 1012 W, Verluste durch optische Elemente wurden vernachlässigt; zum
Vergleich: ein Kernkraftwerk erzeugt ca. 1000 MW). In z-Richtung wird die Lage des
Brennpunkts durch eine piezoelektrische Positioniereinheit eingestellt, die das Objektiv auf
ca. 1 nm genau justiert. Wie im rechten Teil der Abbildung gezeigt, arbeitet das Objektiv mit
Ölimmersion, d.h. ein dünnes Deckglas befindet sich auf der Probe und der Zwischenraum
zwischen Objektiv und Deckglas ist mit Öl gefüllt. Nur so kann die hohe numerische Apertur
NA = n sin = 1.3 (n = 1.5: Brechungsindex des Immersionsöls, : Fokussierungshalbwinkel)
erreicht und durch Brechungsindexschwankungen bedingte Vergrößerung des Brennpunkts
weitgehend vermieden werden.
Die extrem hohe Lichtintensität, die im Brennpunkt während der Pulse erreicht wird, löst
dort lokal Materialveränderungen aus, die in letzter Konsequenz die Entstehung von
Nanostrukturen zur Folge haben. Im Rahmen des Praktikums werden dabei folgende
Materialveränderungen untersucht:
1. Lokaler Materialabtrag (sog. Laserablation): Entlang des Weges, den der Brennpunkt
nimmt, wird in geringsten Mengen Material abgetragen. Beispiel hierfür sind
Nanoschnitte durch humane Chromosomen.
2. Lokale chemische Reaktionen ermöglichen den Aufbau dreidimensionaler
Nanostrukturen (Zwei-Photonen-Nanolithographie): Entlang des Weges, den der
Brennpunkt nimmt, wird eine Polymerisationsreaktion ausgelöst, so dass eine
dreidimensionale Plastiknanostruktur entsteht.
3. Lokale Änderungen der Bindungsverhältnisse: Entlang des Weges, den der Brennpunkt
nimmt, treten Brechungsindexänderungen ein. Auch kann sich lokal die Ätzbeständigkeit
des Materials ändern. Als Beispiel hierfür werden Glasnanostrukturen untersucht.
Abb. 3. Femtosekunden-Laserscanningmikroskop (Foto). Im Vordergrund ist das Mikroskop
zu sehen, das silber-metallische Gehäuse rechts hinten ist der Laser. Alle Optiken sind von
schwarzen Abschirmgehäusen umgeben. Ganz rechts im Bild ist der Messplatz-Computer.
Versuch: Bemaßen des Sichtfeldes der CCD-Kamera
Mit einer am Mikroskop angebauten CCD-Kamera lässt sich die Probe live auf dem Bildschirm
betrachten. Der Strahlengang im Mikroskop ist schematisch in der folgenden Abbildung dargestellt:
Abbildung 1: Aufbau und Strahlengang im Mikroskop (www.zeiss.de)
Das zu beobachtende Objekt wird auf das Objektiv gelegt (19). Dies kann je nach Objektiv auch mit
Ölimmersion geschehen. Das Objekt wird von der oben angebrachten Halogenlampe (14) durchstrahlt.
Das Licht passiert dann den Reflektorwürfel (9), Analysator (8) und Tubuslinse (7) bevor es mit dem
Umschalter (5) wahlweise in den PMT am Frontport (3) oder in das Okular/CCD (2) umgelenkt
werden kann.
Aufgabe: Bestimmung der Größe des Bildfelds (Field of View) mit Hilfe eines geeichten
Mikroskop-Objektträgers.
Zur Bemaßung des mit der CCD sichtbaren Bildausschnittes wird ein geeichter MikrometerObjektträger benutzt. Zuerst wird das entsprechende Objektiv einbaut.
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Objektivrevolver ganz nach oben fahren, dann Objektiv vorsichtig einschrauben
Objektiv ganz nach unten fahren, dann Objektträger auflegen, bei Ölimmersion zuerst einen
Tropfen Immersionsöl, ca. 5 mm Durchmesser auf den Objektträger auftropfen. Danach den
Objektträger mit dem Öltropfen voran auflegen.
Objektiv extrem vorsichtig langsam nach oben fahren und Bild auf CCD scharf stellen.
Es ist darauf zu achten, dass das Objektiv nicht verkantet eingesetzt und sanft bis zum Widerstand
eingeschraubt wird. Auf keinen Fall darf das Objektiv mit Gewalt oder schief in die Halterung
geschraubt, oder nach oben gezogen werden, da sonst die empfindliche Piezo-Fokussierung Schaden
nehmen kann. Glasflächen wie die Objektiv-Linse dürfen ebenfalls nicht berührt werden.
Zur Überprüfung des Ergebnisses kann der motorisierte Tisch benutzt werden.
Bedienung der CCD-Kamera:
Die CCD-Kamera wird über die Software VisiVIEW gesteuert:
Abbildung 2: Bedienung der CCD-Kamera
Die Live-Aufnahme liefert ein Live-Bild. Zum Speichern eines Bildes muss ein einzelnes Bild
aufgenommen werden, welches dann gespeichert werden kann.
Bedienung des motorisierten Tisches:
Der motorisierte Tisch kann mit dem Joystick und mit der Software Switchboard bedient werden.
Abbildung 3: Switchboard Bediensoftware für motorisierten Tisch (Bedienhandbuch Fa. Märzhäuser)
Mit der Software ist es möglich, absolute Koordinaten anzufahren, (Teilfenster Positionieren) oder
eine bestimmte Schrittweite zu fahren (Teilfenster Joystick).
Versuch: Zwei-Photonen-Nanolithographie:
Zwei-Photonen-Absorption:
Das bohrsche Atommodell besagt, dass die Elektronen den Atomkern auf bestimmten, gequantelten
Bahnen (Energie-Zustände) umkreisen. Ein Wechsel eines Zustands kann durch einen der folgenden
Prozesse stattfinden:
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Absorption eines Energiepaketes (Photon) mit Energie 𝐸 = ℎ ∙ 𝜈 . Dabei erfolgt ein Übergang
von Zustand E0 in Zustand E1
Spontane Emission eines Photons. Übergang von Zustand E1 in Zustand E0.
Stimulierte Emission eines Photons: Unter Anwesenheit eines Photons geeigneter Energie
geht das Atom von Zustand E1 in Zustand E0 unter Emission eines 2. Photons der gleichen
Energie.
Abbildung 4: Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission.
Anstatt der Absorption eines Photons können auch 2 Photonen mit jeweils der halben Energie
gleichzeitig absorbiert werden:
Abbildung 5: Prinzip: Zwei-Photonen-Absorption und Ein-Photonen-Absorption
Dieser Effekt tritt nur bei sehr hohen Photonendichten, die z. B. im Fokus eines stark fokussierten
Femtosekunden-Lasers vorliegen, auf. Bei einem Femtosekunden-Laser, der bei einer mittleren
Wellenlänge von 800 nm emittiert, kann man in ein Substrat, das bei 800 nm transparent ist,
fokussieren. Zeigt das Substrat bei einer Wellenlänge von 400 nm eine Absorption, so kann dann im
Fokus eine Zwei-Photonen-Absorption mit Wellenlänge 400 nm ausgelöst werden. Bei geeignetem
Substrat, z.B. einem Photolack, kann durch den Absorptionsprozess eine chemische Reaktion in Gang
gesetzt werden.
Materialien:
In diesem Experiment wurde der oben beschriebene Effekt dazu genutzt, um Strukturen in einem
Photolack (SU-8 3025 MicroChem) zu erzeugen. Der Photolack setzt sich aus einem Epoxid-Harz und
einen Photosäure-Generator PAG zusammen, welche in einem Lösungsmittel gelöst sind. Der
Photolack wird unter Reinraum-Bedingungen auf ein Deckglas aufgebracht und mit dem Laser
bestrahlt. Durch die Bestrahlung wird im Photolack durch den PAG Photosäure erzeugt. Die
Photosäure katalysiert bei einer nach der Belichtung durchgeführten Erhitzung der Probe einen
Polymerisationsprozess des Epoxid-Harzes. In einem weiteren Entwicklungsschritt werden nicht
polymerisierte Bereiche mit einem Lösungsmittel gelöst, die bestrahlten Elemente verbleiben auf dem
Deckglas. Somit handelt es sich bei diesem Photolack um einen Negativ-Lack.
Aufgaben: Die folgende Abbildung ist eine elektronenmikroskopische Abbildung von
Kästchenstrukturen, deren Größe mittels optischer Mikroskopie bestimmt werden soll.
Abbildung 6: REM-Aufnahme von Zell-Container-Strukturen, die mittels 12-fs Laserbestrahlung hergestellt wurden.
Durchführung:
Die Strukturen befinden sich auf einem Deckglas. Das Deckglas wird auf einem Objektträger fixiert,
so dass die Strukturen sich zwischen Deckglas und Objektträger befinden. Um Beschädigungen an den
Strukturen zu verhindern, ist der Objektträger mit Klebeband vorzubereiten, so dass die Strukturen den
Objektträger nicht berühren können.
Abbildung 7: Befestigung des Deckglases auf dem Objektträger
Versuch: Vermessung nanostrukturierter Glasprobe
Das dotierte Glas GG435 (gelb) mit einer Dimension von 10 mm x 10 mm x 2 mm wurde von der Firma Schott
AG hergestellt. Die Lichtabsorptionskante des Glases liegt bei 435 nm (Abb.1). Um 540 nm weist die Probe
stark Fluoreszenz auf (Abb.2).
Laserbearbeitungen der Probe, darunter Flächenscan (parallel zur Oberfläche) und Linienscan (senkrecht zur
Oberfläche) wurden mittels 12 fs- bzw. 300 fs-Laserpulse bei unterschiedlichen Laserleistungen und
Scangeschwindigkeiten durchgeführt. Die erzeugten Strukturen sind nach chemischem Ätzen der Probe (in einer
6% HF-Lösung) optisch gut sichtbar (Abb.3).
Aufgabe: Bestimmung der Flächengrößen und der Linienabstände bzw. des Durchmessers der
kleinsten messbaren Linie mittels des hochauflösenden optischen Mikroskops.
Abb. 1 Transmissionsspektrum des Glases GG435 (www.schott.com)
Abb. 2 Fluoreszenzspektrum des Glases GG435
12 fs
300 fs
Abb.3 Optische Transmissionsbilder der bearbeiteten Probe GG435
Vermessung von humanen Chromosomen nach Lasernanostrukturierung
Luftgetrocknete menschliche Metaphase-Chromosomen wurden gemäß dem Standard-verfahren
gewonnen und aufbereitet (Charles D. Bangs und Timothy A. Donlon: Gegenwärtige Protokolle in der
Menschlichen Genetik, 2005). Die Chromosomen wurden teilweise mit dem blauen Farbstoff Giemsa
gefärbt. Die Proben wurden auf einem Deckglas (ca. 170 µm) aufgebracht.
Abbildung 1. Luft getrocknete und Giemsa gefärbte menschliche Metaphase-Chromosomen sowie ein Zellkern
einer weissen Blutzelle vor der Laserverarbeitung.
Zur Nanostrukturierung der Chromosomen wurden die Proben durch das Deckglas hindurch mit
typischen mittleren Laserleistungen von 0.5 mW - 100 mW bestrahlt. Drei Bestrahlungsmodi wurden
angewendet: (i) region of interest (ROI) scanning, (ii) single point illumination zum Loch-Bohren und
(iii) line scanning zum Schneiden.
Belichtungszeiten von 10-20 ms wurden gewählt.
Abbildung 2. Nanochirurgie humaner Chromosomen.
Aufgabe: Vermessen und diskutieren Sie die Chromosomen sowie die Lasereffekte.