Institut für Angewandte Physik

Praktikum in Nanotechnologie und Biophysik

Sommersemester 2019

 

Organisation

Dr. G. Bertsche

Tel. 29-76351

Office C10 A29

Registration

Bitte melden Sie sich zum Praktikum online über Campus an.

Die Vorbesprechung erfolgt am Dienstag, 16.04.2019 um 13:15 Uhr im Raum C9 A03

Time

Tuesday, 13:00-17:30

Regulations

Practical Guidelines (for Physics)

Practical Guidelines (for Biomedical Technologies)

Protocols

Abgabe bei Frau G. Thomas, Raum C10 A32. Die korrigierten Exemplare sind auch dort wieder abzuholen.

Organization

For Physics:

Schedule and Grouping - Summer Semester 2019 (for Physics)

Experiments, Assistants and Labs

For Biomedical Technologies:

Schedule and Grouping - Summter Semester 2019

Experiments, Assistants and Labs

 
 
Experiments

Infrared Spectroscopy

Solar Cell

Thin Films

Optical Lithography

Quanten-Hall-Effect

Scanning Electron Microscopy & EDX-Analysis

Electron Probe

Transmission Electron Microscopy

Atomic Force Microscopy

Scanning Ion Conductance Microscopy

Holography (Fourier Optics)

Darkfield Scattering at Nanoparticles

Dynamic Light Scattering (DLS)

Protein Crystallization

Electrochemical Neurotransmitter Detection

 
 

Infrared Spectroscopy

Instructions (german)

Instructions (english)

Aufbau des Michelson-Interferometers

 

 

Ziel des Versuches ist es, Sie mit einem modernen Verfahren der Infrarotspektroskopie vertraut zu machen. Sie sollen mit Hilfe der Fourier-Transformation Infrarotspektroskopie die Sekundaerssstruktur von Proteinen untersuchen. Dabei lernen Sie auch wesentliche Schritte zur Praeparation von biologischen Proben kennen.

Leitfaden zur Vorbereitung:

1. Schwingung von Molekuelen
2. Absorptionsbande von Peptiden
3. Fourier-Transformation
4. Michelson-Interferometer
5. Fourier-Transformation Infrarotspektroskopie

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Solar Cell

Aufbau der im Praktikum hergestellten Solarzellen

Instructions (german)

Instructions (english)

Bei diesem Versuch werden nach einem einfachen Prinzip aus Si–Wafern Solarzellen hergestellt. Diese werden anschließend charakterisiert und mit einer industriell hergestellten Zelle verglichen.
Ziel des Versuchs ist es, den Aufbau und die Funktionsweise einer Solarzelle kennenzulernen, wofür zunächst das Verständnis von grundlegenden Eigenschaften von Halbleitern wie z.B. Bandstruktur und Leitungsmechanismen notwendig ist. Für den zur Herstellung wichtigen Schritt des Dotierens werden ausserdem die Grundlagen der Diffusion behandelt. Bei der Kontaktierung wird die Problematik des Metall–Halbleiter–Übergangs diskutiert.
Die Bauelemente werden unter Anleitung von den Praktikanten selbständig hergestellt; dabei werden einige in der Halbleitertechnologie häufig angewandte Arbeitstechniken eingesetzt.
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Thin Films

Praktikumsanleitung

Dünne Schichten spielen in vielen Bereichen des alltäglichen und des wissenschaftlichen Lebens eine wichtige Rolle. Man findet sie in optischen Anwendungen bei Kameras und Objektiven, als Filter, Spiegel oder Vergütungsschichten, ebenso bei Brillengläsern, Lampen und Scheinwerfern. Andere Einsatzgebiete sind die Elektronik und Elektrotechnik mit Kondensatorfilmen oder dünnen Leiterbahnen. In der Elektronenmikroskopie müssen nichtleitende, z.B. organische, Objekte zur Beobachtung oft mit einer dünnen Schicht metallisiert werden. Nicht zuletzt findet man dünne metallische Beschichtungen als Dekorations-, Funktions- und Schutzschichten auf Kunststoffen, Metallen, Gläsern und Keramik, bei Schmuck, Verpackungsmaterialien und Autoteilen.

Im Zusammenhang mit dem Praktikumsversuch werden verschiedene Anwendungsbereiche dünner Schichten besprochen. Desweiteren werden Herstellungsverfahren, Grundlagen der Vakuumtechnologie, die wichtigsten Pumpenarten sowie Methoden zur Schichtdicken- und Druckmessung behandelt. Voraussetzungen für den Praktikumsnachmittag sind Kenntnisse der Optik, insbesondere der Zwei-und Vielstrahlinterferenz, sowie die Fresnelschen Formeln für Reflexion und Transmission an optischen Grenzflächen. Diese werden am Beispiel von Vergütungsschichten, Spiegeln und Interferenzfiltern diskutiert.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dünne Schichten auf ein Substrat aufzubringen. Im Praktikum wird Elektronenstrahlverdampfung verwendet. Das Verdampfen erfolgt unter Vakuum in einer Aufdampfanlage, da eine grosse mittlere freie Weglänge ebenso wesentlich ist wie die Abwesenheit von verunreinigendem Restgas. Im Praktikum wird bei Drücken von wenigen 10-6 mbar bis 10-5 mbar aufgedampft. Für industrielle Anwendungen wird meist bei geringeren Drücken gearbeitet. Zum Evakuieren des Rezipienten werden Pumpensysteme benötigt. Es gibt eine grosse Vielzahl unterschiedlicher Pumpen, wobei die ersten Vorstösse in den Hochvakuumbereich (p<10-3 mbar) erst vor relativ kurzer Zeit im 20. Jahrhundert stattfanden. Im Praktikum werden Drehschieber- und Öldiffusionspumpe als Vor- und Hochvakuumspumpe verwendet.

Am Praktikumsnachmittag wird im Labor ein Interferenzfilter hergestellt. Das Filter besteht aus einer Aluminiumoxid-Schicht, die sich zwischen zwei stark reflektierenden Silberschichten befindet. Als Substrat wird Glas verwendet. Einfallendes Licht wird im Filter hin- und herreflektiert, es kommt zu Vielstrahlinterferenz. Dadurch ist das Filter im optischen Bereich nur für eine definierte Wellenlänge durchlässig und man erhält ein Farbfilter. Die gewünschte Wellenlänge wird vor dem Aufdampfen von der Praktikumsgruppe festgelegt und über die Dicke der Aluminiumoxid-Schicht eingestellt. Zum Abschluss wird mit einem Spektralphotometer die Kennlinie des Interferenzfilters ausgemessen.
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Optical Lithography

Fresnel-Beugung

(links) bei einem schmalen, rechteckigen Streifen (Proximity-Belichtung),

(rechts) bei einem breiten, rechteckigen Streifen (Proximity-Belichtung, teilweise entwickelt).

Instructions (german)

Instructions (english)

Erst die ständige Weiterentwicklung der Lithographie-Technik hat die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass Halbleiterhersteller immer leistungsfähigere und preiswertere Chips in grossen Stückzahlen fertigen können. Heutiger Stand der Lithographie-Technik sind Laser-basierte Technologien mit einer Wellenlänge von 248 Nanometer (nm) und vor allem 193 nm, die zur Zeit die Abbildung von Strukturen mit 65 nm erlauben. Die Einführung von Phasenmasken und Immersionstechniken für Strukturen bis zu 32 nm hat gerade begonnen. Wie in Zukunft noch kleinere Strukturen industriell hergestellt werden können ist Gegenstand aktueller Forschungen.

Im Praktikum werden alle wesentlichen Schritte der optischen Lithographie durchgeführt um Strukturen in einem Photolack herzustellen und diese anschliessend zu bewerteten. Das Augenmerk liegt dabei auf der Auswirkung von unterschiedlichen Belichtungszeiten und Belichtungsverfahren auf die belichteten Strukturen. Besonders wird bei der Proximity-Belichtung auf die auftretende Fresnel-Beugung (s. Bilder) eingegangen. Aus dem Abstand der durch Fresnel-Beugung entstehenden Intensitäts-Maxima lässt sich auf den Abstand zwischen Maske und dem mit Photolack beschichteten Substrat schließen.

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Quanten-Hall-Effect

Beobachtung des Quanten-Hall-Effekts

Praktikumsanleitung (ohne Quellen)

Quelle 1

Quelle 2 ( siehe Bibliothek )

Quelle 3

Die klassische Hall-Messung ist eine Standardmethode zur Charakterisierung eines zweidimensionalen Elektronensystems. Ihren Namen erhielt sie von E.H. Hall, der im Jahre 1879 den Hall-Effekt entdeckt hatte. Im Gegensatz zum klassischen Hall Effekt, bei dem der Hallwiderstand an den Rändern der Probe linear mit dem Magnetfeld ansteigt, beobachtet man beim Quanten Hall Effekt einen stufenförmigen Anstieg. Die Messungen werden bei tiefen Temperaturen und starken Magnetfeldern durchgeführt, damit die Zustandsdichte im zweidimensionalen Elektronengas quantisiert ist (Landauniveaus).
Zwischen den quantisierten Stufen beträgt der Hallwiderstand h/(ie2), wobei die natürlichen Zahlen i mit den quantisierten Elektronenbahnen in der Ebene übereinstimmen. Gleichzeitig oszilliert der Längswiderstand.

Da sich damit das Verhältnis zweier Naturkonstanten sehr genau bestimmen lässt, ist der Quanten- Hall-Effekt sehr wichtig für die Messtechnologie. K. von Klitzing erhielt für seine 1980 gemachte Entdeckung fünf Jahre später den Nobelpreis (http://www.nobel.se/physics/laureates/1985/press.html).

Ziel des Versuchs ist es, einen Einblick in das äusserst vielfältige Gebiet der Tieftemperatur-Festkörperphysik, insbesondere des Magnetotransports, zu geben.

Im ersten Versuchsteil soll ein Glaskryostat mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium gefüllt und auf eine Temperatur von 4.2K gekühlt werden. Darin kann nun eine geeignete Hall-Probe eingebaut und vermessen werden. Dies geschieht in dem folgenden messtechnischen Teil, in dem bei Feldern von 0 bis 7 Tesla der Längs- und Querwiderstand der Probe zu bestimmen sind. Da die Messungen bei sehr kleinen Spannungen und Strömen stattfinden (µV bzw. nA), findet hierbei die Lock-in-Technik Anwendung. Aus den Messungen lassen sich die Elektronendichte und Beweglichkeit in dem zweidimensionalen Elektronengas berechnen.

Literatur

    
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Scanning Electron Microscopy & EDX

REM-Bild einer Drosophila-Fliege

Instructions (german)

Instructions (english)

Das Rasterelektronenmikroskop (REM) ist ein wichtiges Gerät zur Oberflächenstrukturanalyse massiver Proben, das in der Forschung und Entwicklung in Bereichen wie der Halbleiterphysik, der Nanotechnologie bis hin zur Biologie weit verbreitet ist. Bei dieser Mikroskopiemethode wird ein sehr fein gebündelter Elektronenstrahl zeilenweise über die Objektoberfläche geführt. Die dabei durch die Primärelektronen im Objekt erzeugten Wechselwirkungsprodukte (Sekundärelektronen, Röntgenstrahlen, etc.) werden erfasst und zur Bilddarstellung verwendet. Mit dem REM können Strukturen mit einem Auflösungsvermögen von nur wenigen Nanometern mit einer gegenüber dem Lichtmikroskop 1000 mal größeren Schärfentiefe untersucht werden.

Im Verlauf des Praktikums werden von den Teilnehmern eine Reihe von Proben (u.a. auch biologische Objekte) untersucht, um einerseits mit der Funktionweise des REMs vertraut zu werden und andererseits die Bildentstehung im REM zu verstehen. An Hand der untersuchten Proben werden u.a. die unterschiedlichen Kontrastmechanismen sowie die verschiedenen Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt diskutiert und auch einige Effekte auf der Probe beim Beschuss mit Elektronen demonstriert. Darüber hinaus wird die energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) als Methode zur qualitativen und quantitativen Materialanalyse besprochen und angewendet.

 
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Electron Probe

Praktikumsgerät Cambridge S4-10 und Messaufbau

Praktikumsanleitung
Anhang

Poster

Der Versuch Elektronensonde zielt darauf ab, ein tiefergehendes Verständnis der für die Funktion eines Rasterelektronenmikroskops physikalisch-optischen Grundlagen zu vermitteln, wobei der Schwerpunkt hierbei auf der praktischen Berechnung und Realisierung des elektronenoptischen Strahlengangs liegt.
Zentraler Inhalt des Versuchs ist also die Berechnung der Leistungsdaten (Auflösung) des eingesetzten Geräts und ihre experimentelle Überprüfung während des Praktikums. Die Berechnung des Strahlengangs erfolgt einerseits mit Hilfe einfacher geometrisch-optischer Betrachtungen, andererseits werden aber auch modernste elektronenoptische Design-Programme zur exakten numerischen Behandlung des Systems zum Einsatz gebracht. Diese Vorgehensweise bietet somit einen gewissen Einblick in den Entwicklungsprozess teilchenoptischer Komponenten, wie er unter anderem am Institut für Angewandte Physik betrieben wird.
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Transmission Electron Microscopy

TEM-Abbildung von MgO-Kristallen

Instruction (german)

 

Introduction (german)

Introduction (english)

Bookchapter Graphene

Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM ) wird zur Beobachtung kleiner Strukturen mit der Dimension von einigen µm bis hin zu 0,1 nm eingesetzt. Es ist vom Prinzip her dem Lichtmikroskop sehr ähnlich. Trotz der relativ grossen Linsenfehler, kann mit Hilfe der Elektronenmikroskopie der atomare Aufbau von Kristallen abgebildet werden. Zum Zwecke von Strukturuntersuchungen kann ein TEM auch im Beugungsmodus betrieben werden.

Im Praktikum wollen wir folgende Punkte behandeln:

  
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Atomic Force Microscopy

Mikromechanischer Balken mit der Tast-Spitze

Instruction Manual

Das Rasterkraft-Mikroskop dient zur Analyse von Probenoberflächen. Dabei wird ein mikromechanischer Balken (Cantilever) mit einer feinen Spitze über die zu untersuchende Oberfläche gerastert. Aufgrund von molekularen Wechselwirkungen zwischen der Cantilever-Spitze und den Oberflächenmolekülen der Probe wird attraktive (van-der-Waals) oder repulsive Kraft auf den Cantilever ausgeübt, so dass dieser sich verbiegt. Da die Stärke der Auslenkung des Cantilevers, d.h. die Verbiegung, vom Abstand Spitze-Probe abhängt, kann Information über die Topographie der Probe gewonnen werden, wenn die Auslenkung beim Rastern detektiert wird.
Zur Detektion der Cantilever-Auslenkung wird im Praktikum das Lichtzeigerprinzip eingesetzt: Ein fokussierter Laserstrahl wird vom Cantilever reflektiert und von einer positionsempfindlichen Photodiode detektiert. Eine Verbiegung des Cantilevers führt dann zu einer Veränderung des Photostroms in der Diode.
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Scanning Ion Conductance Microscopy

SICM Setup

Instruction Manual

Das Rasterionenleitfähigkeitsmikroskop (englisch: scanning ion conductance microscope, SICM) ist eine neuartige Mikroskopiemethode, die als Messsonde eine elektrolytgefüllte Nanopipette mit einem Öffnungsdurchmesser von typischerweise 100 nm verwendet, um Probenoberflächen zu untersuchen (siehe Abbildung). Als Regelsignal dient dabei der Ionenstrom durch die Nanopipette, der durch Anlegen einer externen Spannung zwischen einer Elektrode innerhalb und einer Referenzelektrode außerhalb Inneren der Nanopipette fließt. Die rauscharme Messung des Ionenstroms ist dabei eine der großen experimentellen Herausforderungen der Methode. Da der Strom bereits abfällt, wenn die Nanopipette noch circa 100 nm von der Probe entfernt ist, lässt sich die Probenoberfläche abtasten, ohne dass eine direkte mechanische Kraft auf sie wirkt. Dadurch erlaubt das SICM die Abbildung von sehr empfindlichen Proben mit Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich und hat daher breite Anwendung in der biophysikalische Forschung gefunden. Typische Anwendungen des SICM sind beispielsweise die Untersuchung und Charakterisierung von lebenden Zellen. Inhalt des Praktikumsversuchs sind verschiede experimentelle Aspekte der Rasterionenleitfähigkeitsmikroskopie wie Herstellung, Charakterisierung und Handling von Nanopipetten, Grundlagen des Abbildungsprozesses und Anwendung an verschiedenen Proben bis hin zu lebenden Zellen.
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Holography (Fourier Optics)

Optische Bank mit Laser, Linsen und CCD

Praktikumsanleitung

In diesem Versuch geht es darum, ausgehend vom Huygenschen Prinzip, die Entstehung eines Raumfrequenzspektrums und später eines Bildes zu verstehen. Das rechnerische Ergebnis der Fraunhofer-Näherung des Kirchhoffschen Beugungsintegrals zeigt, daß das Leistungsspektrum nichts weiter ist, als das Quadrat der Fouriertransformierten der Objektfunktion. Dies wird experimentell gezeigt, indem verschiedene Eigenschaften der Fouriertransformation (Linearität, Verschiebungssatz, Ähnlichkeitssatz und Faltungssatz) mit Hilfe der optischen Bank, einem Laser und diversen in den Strahlengang gebrachten Objekten veranschaulicht werden. Danach werden Phasenkontrastmethoden besprochen und angewandt. Phaseninformation kann sichtbar gemacht werden! Zuguterletzt wird ein Off-Axis Hologramm aufgenommen und rekonstruiert.
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Darkfield Scattering at Nanoparticles

Dunkelfeld-Abbildung von Gold-Nanokugeln

Instructions (German)

Instructions (English)

In diesem Versuch werden Proben mit Gold-Kolloidpartikeln verschiedener Durchmesser im Reinraum präpariert. Diese Proben sowie existierende nanostrukturierte Proben werden in einem inversen Dunkelfeld-Mikroskop untersucht. Hier wird die Probe durch einen Dunkelfeld-Kondensor unter einem schrägen Winkel beleuchtet. Das ungestreute Licht wird nicht vom Objektiv erfasst, nur gestreutes Licht trägt zum Bildsignal bei. Nanostrukturen aus Edelmetall (plasmonische Nanostrukturen) haben einen hohen Streuquerschnitt, da das einfallende Licht mit der freien Elektronendichte des Metalls in Wechselwirkung tritt. So können sehr kleine Nanostrukturen (bis unter 100 nm) noch mit hoher Intensität beobachtet werden. Die Plasmonen-Resonanzfrequenz und damit die beobachtete Farbe hängen stark von der Größe, Form und dielektrischen Umgebung der Nanopartikel ab. Durch Variation des Durchmessers, durch Änderung des Brechungsindexes der Umgebung und durch Kopplungseffekte zwischen mehreren Partikeln wird der Farbeindruck verändert. Zum Abschluss werden Simulationen zur Mie-Streuung an Goldkugeln durchgeführt und mit den beobachteten Daten in Beziehung gesetzt.

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Electrochemical Neurotransmitter Detection

Source: www.comsol.com/blogs/modeling-electroanalysis-cyclic-voltammetry

Theory

Practical Instructions

Electrochemistry is the study of chemical changes caused by the passage of an electric current and the production of electrical energy by chemical reactions. Electrochemical measurements allow insight in the reaction characteristics and thermodynamics of a substance and the investigation of a chemical system.

Cyclic voltammetry is nearly always the first technique used to study a new system. It is particularly useful for assessing reaction mechanisms. In Cyclic Voltammetry (CV) the reversibility of a reaction, the reduction and oxidation process, the presence of intermediates and the electron transfer kinetics are of special interest. This technique can also be used to determine the electron stoichiometry of a system, the diffusion coefficient of an analyte, and the formal reduction/oxidation potential, which can be used as an identification tool. Because concentration is proportional to current in a reversible system, the concentration of an unknown solution can be determined by generating a calibration curve. Redox active species, like several neurotransmitters, can therefore be detected and quantified.

Understanding the role of neurotransmitters is of major interest in the investigation of the human brain function. Several classes of neurotransmitters like biogenous amines, neuropeptides, amino acids and solvable gases are being investigated. The family of biogenous amines include well known catecholamine neurotransmitters like epinephrine, norepinephrine and dopamine, which is of major importance for the brain function. Dopamine is an electro-active substance that undergoes a redox reaction if external potential is applied.

In this practical course we conduct basic amperometric and voltammetric measurements on redox active model substances and neurotransmitters and investigate their dynamic behavior regarding concentration, scan speed and scan time. The objective is to identify an unknown substance concentration.

Topics of interest:

 
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Dynamic Light Scattering (DLS)

Instructions (english)

 
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Protein Crystallization

Instructions (german)

Instructions (english)

 
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