Nico Hommonay Oberflächenplasmonenresonanz an planen und strukturierten Metalloberflächen Diplomarbeit (2010),
In dieser Arbeit sollten erste Erfahrungen in der Sensorik mit Oberflächenplasmonen und Partikelplasmonen gesammelt werden. Das Ziel war die Herstellung von Sensoren mit unterschiedlichen Designs mittels NSL und deren Vergleich in Bezug auf die Empfindlichkeit für Änderungen des Brechungsindexes. Die NSL bietet dabei eine preisgünstige Variante die Sensoroberflächen mit periodisch geordneten Nanostrukturen zu modifizieren.
Im ersten Schritt wurde ein IBIS Sensor, um Anhaltspunkte für ein mögliches Substrat und die zu realisierenden Schichtdicken zu erhalten, mittels XRR charakterisiert. Mit diesen Informationen konnten ebene Sensoren für Messungen in der Kretschmann Anordnung hergestellt werden, welche eine vergleichbare Empfindlichkeit für Brechungsindexänderungen wie kommerziell erhältliche Sensoren haben.
Mittels Nanosphärlithographie ließen sich anschließend strukturierte Sensoroberflächen erzeugen, mit denen es möglich war Oberflächenplasmonen und Partikelplasmonen über Gitterkopplung anzuregen und in Transmission zu messen. Der Vorteil in dieser Art der Anregung liegt in einem, im Gegensatz zur Kretschmann Anordnung, simpleren Messaufbau. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit der Strukturierung gezielt die Lage der Resonanzen und die Empfindlichkeit der Sensoren verändern lassen, wobei die strukturierten Sensoren nicht empfindlicher waren, als ebene Sensoren.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten so mit Hilfe der NSL unterschiedlich gewölbte Sensoroberflächen hergestellt werden. Ebenso unterschiedlich große, periodisch angeordnete Goldpyramiden und poröse Goldschichten.
Als Kriterium für einen Vergleich der Empfindlichkeiten der hergestellten Sensoren wurde das Verhältnis aus Winkel- bzw. Wellenlängenverschiebung zur Änderung des Brechungsindex herangezogen. Mit Hilfe dieses Kriteriums konnte gezeigt werden, dass Sensoren mit einer periodisch gewölbten Oberfläche, welche durch Goldbedampfung von hexagonal dicht gepackten PS-Kolloiden hergestellt wurden, empfindlicher auf Brechungsindexänderungen reagieren, als periodisch geordnete Goldpyramiden. Die Ursache dafür liegt in einer Kopplung von lokalisierten Oberflächenplasmonen der pyramidenförmigen Goldpartikel mit Plasmonen, die an an den Rändern der durch die Bedampfung entstandenen Gold-Hohlschalen lokalisiert sind. Aus den Messungen ergibt sich zudem, dass gewölbte Sensoroberflächen, welche mit 780 nm PS-Kugeln hergestellt wurden, empfindlicher auf Brechungsindexunterschiede reagieren, als Oberflächen, welche mit kleinen PS-Kolloiden gefertigt wurden. Messungen mit weiteren Kugeldurchmessern und entsprechenden Simulationen, könnten eine in Bezug auf die Empfindlichkeit optimal gewölbte Oberfläche liefern.
Brechungsindexänderungen in der Umgebung der Metallstrukturen wurden mit Luft, Wasser, Ethanol-Wasser-Mischungen mit unterschiedlichen Konzentrationen und Isopropanol realisiert. Um eine genauere Messung der Empfindlichkeit auf Änderungen des Brechungsindexes der unterschiedlichen Sensordesigns durchführen zu können, wurden erste Experimente mit dem Abscheiden einer dielektrischen Schicht mittels ALD unternommen. Mit dieser Methode lässt sich über die Variation der Schichtdicke die Partikelumgebung gezielt verändern.
Transmissionsmessungen von porösen Goldschichten lieferten noch keine Ergebnisse im Hinblick auf die Empfindlichkeit dieses Sensordesigns. Es konnten nur Porendurchmesser, welche größer als 200nm waren, untersucht werden. Bei kleineren Porendurchmessern gelang zunächst der Lift-Off nicht. Mit dem ?unterstützten Lift-Off? konnte in dieser Arbeit ein Verfahren vorgestellt werden, mit dem sich dieses Problem beheben lässt. Es konnte gezeigt werden, dass die Polystyrol-Reste nach dem Sauerstoffplasmaätzen und dem Bedampfen mit Metall prinzipiell besser gelöst werden können, wenn sich unter den Kugeln eine PS-Schicht befindet. Das optimale Verhältnis aus dem Durchmesser der Kolloide vor und nach dem Ätzen, der Metallschichtdicke und der Schichtdicke des aufgetragenen Polystyrols müsste in weiteren Experimenten noch ermittelt werden.
Mittels RIE-Ätzen konnten erste Versuche durchgeführt werden, mit denen es möglich wäre, unter den Metall-Nanopartikel eine Art Sockel zu erzeugen. Dadurch könnte die sensitive Oberfläche vergrößert und somit die Empfindlichkeit des Sensors erhöht werden. Keywords: surface plasmon resonance, lithography, preparation, gold, biomaterials, polymer View
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