Wechselwirkung von im NANOJET erzeugten Teilchen mit Polymeren und biologischen Objekten

Am Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik wurde eine neue Technik entwickelt, die neue Anwendungen und Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf Basis eines neuen Verfahrens erschlossen hat. NANOJET führt über die passive Rastersondenmikroskopie hinaus zu einem vielseitigen, aktiven Bearbeitungswerkzeug auf der Mikro- und Nanometerskala. NANOJET (NANOstructuring Downstream PlasmaJET) ist eine aktive Rasterkraft-Mikroskopie-Sonde. Radikale (chemisch aktive Teilchen, die ein ungepaartes Valenzelektron besitzen) strömen aus dem Ende einer ultradünnen, hohlen Rasterkraftmikroskop-Spitze. Dadurch wird es möglich, über die übliche passive Abtastung einer Probenoberfläche hinausgehend, diese simultan und in-situ durch chemische Reaktionen zu verändern. Die Abtragung von Material wird durch eine chemische Ätzreaktion erreicht. In dieser Arbeit wurde zum größten Teil Photoresist als Substrat für die Ätzexperimente verwendet. Für das Ätzen des Resists wurden die Atome des Fluors und des Sauerstoffs im Grundzustand als verantwortlich identifiziert. Durch Experimente und durch Ergänzung von Literaturdaten wurde die Annahme bestätigt, dass Sauerstoffradikale mit Unterstützung von Fluorradikalen für die hohen erzielten Ätzraten verantwortlich sind. Die Beimischung von Fluor in einem Sauerstoffplasma führt zu einer Verringerung der Aktivierungsenergie für die Ätzreaktion gegenüber Verwendung reinen Sauerstoffs. In weiterer Folge wurde ein Strukturierungsverfahren dargestellt. Hierbei wurden "geformte Kapillaren" (mikrostrukturierte Aperturen) eingesetzt. Die Herstellung der Aperturen erfolgte durch einen elektrochemischen Ätzstop-Prozess. Die typische Größe der unter Verwendung der "geformten Kapillaren" geätzten Strukturen entsprach den Kapillarenöffnungen. Es wurde ein Monte-Carlo Simulationsprogramm entwickelt, welches den Transport der reaktiven Teilchen in der langen Transportröhre simulierte. Es wurde sowohl die Transmission der Teilchen in der Transportröhre und der Kapillare als auch ihre Winkelverteilung nach dem Verlassen der Kapillare berechnet. Das Aspektverhältnis der Röhren hat dabei einen sehr starken Einfluss. Mit einem steigenden Aspektverhältnis nahm die Transmission exponentiell ab. Die geschaffene experimentelle Infrastruktur wurde genutzt, um auch biologische Objekte zu behandeln und zu untersuchen. Hierfür wurde eine neue Methodik entwickelt, die eine dreidimensionale Darstellung des Zellinneren erlaubt. Dies wurde durch die kontrollierte Abtragung von Material aus der Zellmembran durchgeführt. Die Abtragung der Zellmembran erfolgte mittels Sauerstoffradikalen, die durch eine hohle Spitze lokalisiert zum Ort der Reaktion transportiert wurden. Ein piezoresistiver Cantilever diente als Sensor in dem zur Bildgebung eingesetzten RKM. Das entwickelte Verfahren ermöglicht es nun erstmals, schonend Zellen zu öffnen und die innen liegenden Organellen weiter zu untersuchen. Als Nachweis für weitere Verwendungsmöglichkeiten des NANOJET-Verfahrens wurde auch Knochenmaterial behandelt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen klar, dass das Verfahren für vielfältige biologische Materialien verwendbar ist und somit nun ein weiter Anwendungskreis in der Biologie und Medizin offen steht.

Profile simulations of gas chopping etching processes : model development and comparison with experiments

The progress in microsystem technology or nano technology places extended requirements to the fabrication processes. The trend is moving towards structuring within the nanometer scale on the one hand, and towards fabrication of structures with high aspect ratio (ratio of vertical vs. lateral dimensions) and large depths in the 100 µm scale on the other hand. Current procedures for the microstructuring of silicon are wet chemical etching and dry or plasma etching. A modern plasma etching technique for the structuring of silicon is the so-called "gas chopping" etching technique (also called "time-multiplexed etching"). In this etching technique, passivation cycles, which prevent lateral underetching of sidewalls, and etching cycles, which etch preferably in the vertical direction because of the sidewall passivation, are constantly alternated during the complete etching process. To do this, a CHF3/CH4 plasma, which generates CF monomeres is employed during the passivation cycle, and a SF6/Ar, which generates fluorine radicals and ions plasma is employed during the etching cycle. Depending on the requirements on the etched profile, the durations of the individual passivation and etching cycles are in the range of a few seconds up to several minutes. The profiles achieved with this etching process crucially depend on the flow of reactants, i.e. CF monomeres during the passivation cycle, and ions and fluorine radicals during the etching cycle, to the bottom of the profile, especially for profiles with high aspect ratio. With regard to the predictability of the etching processes, knowledge of the fundamental effects taking place during a gas chopping etching process, and their impact onto the resulting profile is required. For this purpose in the context of this work, a model for the description of the profile evolution of such etching processes is proposed, which considers the reactions (etching or deposition) at the sample surface on a phenomenological basis. Furthermore, the reactant transport inside the etching trench is modelled, based on angular distribution functions and on absorption probabilities at the sidewalls and bottom of the trench. A comparison of the simulated profiles with corresponding experimental profiles reveals that the proposed model reproduces the experimental profiles, if the angular distribution functions and absorption probabilities employed in the model is in agreement with data found in the literature. Therefor the model developed in the context of this work is an adequate description of the effects taking place during a gas chopping plasma etching process.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Kinematische und dynamische Analyse des Schwimmstarts vom Block unter besonderer Berücksichtigung der Eintauch- und Übergangsphase

Der Startabschnitt im Schwimmen stellt insbesondere in den Sprintwettbewerben über 50m und 100m eine leistungsdeterminierende Größe dar. Gerade in den letzten Jahren ist das Aufkommen von neuen Starttechniken, die zu einer Optimierung der Startleistung führen sollen, zu beobachten. Ziel der Dissertation ist es, anhand einer kinematischen und dynamischen Analyse des Starts, Aussagen über die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Leistung zu treffen. Hierzu wird eine biomechanische Analyse von Grab- und Trackstarts unter Einbeziehung der Eintauch- und Übergangsphase durchgeführt. Für die Entwicklung von Trainingsempfehlungen sind solche Zusammenhangsanalysen unerlässlich. Im theoretischen Teil der Dissertation wird die morphologische Phasenstruktur der Startbewegung im Schwimmen thematisiert. Hierbei werden unterschiedliche Modelle vorgestellt und miteinander verglichen. Durch den Vergleich der publizierten Studien zum Schwimmstart können sowohl Aussagen zu den leistungsrelevanten kinematischen und den dynamischen Kennwerten der Startbewegung zusammengefasst werden als auch Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Untersuchungs-methodik aufdeckt und in Relation zu der eigenen Studie gestellt werden. Im methodischen Teil wird sich zunächst mit Problemfeldern in der Datenerhebung (Berechnung der Linsenfehler und der Genauigkeit bei der Bestimmung unterschiedlicher Erhebungsmethoden der Abfluggeschwindigkeit) auseinander gesetzt. Weiterhin wird eine Methodenbeschreibung des eingesetzten ABKuS-Verfahrens beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein selbstentwickeltes Berechnungsverfahren zur Bestimmung von Körpersegmentkoordinaten unter unscharfen Sichtbedingungen. Widrige Aufnahmebedingungen stellen insbesondere für markerlose kinematische Analysen ein Problem dar. Dies gilt insbesondere für den Eintauchvorgang beim Schwimmstart, da hier durch das Mitreißen von Luftteilchen erhebliche Sichtbehinderungen auftreten. Aus diesem Grund gibt es bisher für solche markerlosen Analysen noch keine etablierten Verfahren gibt. Für die eigentliche Hauptuntersuchung konnte eine leistungsstarke Probandenstichprobe gewonnen werden. Gegenstand der zentralen Messung war der Startsprung, den die Probanden innerhalb eines Sprinttests über 25m bzw. 50m durchführten. Die Bodenreaktionskräfte werden dabei durch den mobilen Messstartblock erhoben. Gleichzeitig werden die Blockaktionen und die Flugphase durch eine digitale Kamera und die Eintauschbewegung durch eine zweite Kamera in einem Unterwassergehäuse aufgezeichnet. Die so ermittelten umfangreichen Daten gehen in die weiteren statistischen Analysen ein. Wesentlich für die statistischen Analysen ist die Einteilung der Schwimmer und Schwimmerinnen hinsichtlich ihrer Starttechnik. Bei der Startbewegung wurde zunächst zwischen einem Track- und einem Grabstart unterschieden. Weiter wurde dann eine Einteilung des Trackstarts hinsichtlich der Ausgangsposition vorgenommen. Ausgehend von dieser Einteilung wurde der Einfluss der Starttechnik auf die Kennwerte des Startverhaltens analysiert. Die Verlaufskurven der Bodenreaktionskräfte wurden mit einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) hinsichtlich der funktionellen und zufälligen Variation in den zeitabhängigen, koordinativen Mustern analysiert. Durch eine Clusteranalyse konnten unterschiedliche Kraftverläufe in der Anschwung- und Absprungphase identifiziert werden. Zur Bestimmung der relevanten Einflussfaktoren in der Eintauchphase wurde eine Hauptkomponentenanalyse mit einer rotierten Komponentenmatrix durchgeführt. Darüberhinaus wurden mittels einer Clusteranalyse unterschiedliche Eintauchstrategien aufgedeckt. Die komplexen Zusammenhänge des Startverhaltens wurden auf Basis theoretisch abgeleiteter Erklärungsmodelle überprüft. Hierbei kamen Strukturgleichungsmodelle zum Einsatz. Die Diskussion beinhaltet das Aufzeigen von Unterschieden bzw. die Erweiterung des Wissensstandes auf Basis der Forschungsergebnisse im Vergleich zu international anerkannten Forschungsarbeiten. Dabei wird auf die besondere Bedeutung der Eintauchphase, der in der bisherigen Forschung wenig Beachtung geschenkt wurde, hingewiesen.

Kinematische und dynamische Analyse des Schwimmstarts vom Block unter besonderer Berücksichtigung der Eintauch- und Übergangsphase

Der Startabschnitt im Schwimmen stellt insbesondere in den Sprintwettbewerben über 50m und 100m eine leistungsdeterminierende Größe dar. Gerade in den letzten Jahren ist das Aufkommen von neuen Starttechniken, die zu einer Optimierung der Startleistung führen sollen, zu beobachten. Ziel der Dissertation ist es, anhand einer kinematischen und dynamischen Analyse des Starts, Aussagen über die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Leistung zu treffen. Hierzu wird eine biomechanische Analyse von Grab- und Trackstarts unter Einbeziehung der Eintauch- und Übergangsphase durchgeführt. Für die Entwicklung von Trainingsempfehlungen sind solche Zusammenhangsanalysen unerlässlich. Im theoretischen Teil der Dissertation wird die morphologische Phasenstruktur der Startbewegung im Schwimmen thematisiert. Hierbei werden unterschiedliche Modelle vorgestellt und miteinander verglichen. Durch den Vergleich der publizierten Studien zum Schwimmstart können sowohl Aussagen zu den leistungsrelevanten kinematischen und den dynamischen Kennwerten der Startbewegung zusammengefasst werden als auch Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Untersuchungs-methodik aufdeckt und in Relation zu der eigenen Studie gestellt werden. Im methodischen Teil wird sich zunächst mit Problemfeldern in der Datenerhebung (Berechnung der Linsenfehler und der Genauigkeit bei der Bestimmung unterschiedlicher Erhebungsmethoden der Abfluggeschwindigkeit) auseinander gesetzt. Weiterhin wird eine Methodenbeschreibung des eingesetzten ABKuS-Verfahrens beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein selbstentwickeltes Berechnungsverfahren zur Bestimmung von Körpersegmentkoordinaten unter unscharfen Sichtbedingungen. Widrige Aufnahmebedingungen stellen insbesondere für markerlose kinematische Analysen ein Problem dar. Dies gilt insbesondere für den Eintauchvorgang beim Schwimmstart, da hier durch das Mitreißen von Luftteilchen erhebliche Sichtbehinderungen auftreten. Aus diesem Grund gibt es bisher für solche markerlosen Analysen noch keine etablierten Verfahren gibt. Für die eigentliche Hauptuntersuchung konnte eine leistungsstarke Probandenstichprobe gewonnen werden. Gegenstand der zentralen Messung war der Startsprung, den die Probanden innerhalb eines Sprinttests über 25m bzw. 50m durchführten. Die Bodenreaktionskräfte werden dabei durch den mobilen Messstartblock erhoben. Gleichzeitig werden die Blockaktionen und die Flugphase durch eine digitale Kamera und die Eintauschbewegung durch eine zweite Kamera in einem Unterwassergehäuse aufgezeichnet. Die so ermittelten umfangreichen Daten gehen in die weiteren statistischen Analysen ein. Wesentlich für die statistischen Analysen ist die Einteilung der Schwimmer und Schwimmerinnen hinsichtlich ihrer Starttechnik. Bei der Startbewegung wurde zunächst zwischen einem Track- und einem Grabstart unterschieden. Weiter wurde dann eine Einteilung des Trackstarts hinsichtlich der Ausgangsposition vorgenommen. Ausgehend von dieser Einteilung wurde der Einfluss der Starttechnik auf die Kennwerte des Startverhaltens analysiert. Die Verlaufskurven der Bodenreaktionskräfte wurden mit einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) hinsichtlich der funktionellen und zufälligen Variation in den zeitabhängigen, koordinativen Mustern analysiert. Durch eine Clusteranalyse konnten unterschiedliche Kraftverläufe in der Anschwung- und Absprungphase identifiziert werden. Zur Bestimmung der relevanten Einflussfaktoren in der Eintauchphase wurde eine Hauptkomponentenanalyse mit einer rotierten Komponentenmatrix durchgeführt. Darüberhinaus wurden mittels einer Clusteranalyse unterschiedliche Eintauchstrategien aufgedeckt. Die komplexen Zusammenhänge des Startverhaltens wurden auf Basis theoretisch abgeleiteter Erklärungsmodelle überprüft. Hierbei kamen Strukturgleichungsmodelle zum Einsatz. Die Diskussion beinhaltet das Aufzeigen von Unterschieden bzw. die Erweiterung des Wissensstandes auf Basis der Forschungsergebnisse im Vergleich zu international anerkannten Forschungsarbeiten. Dabei wird auf die besondere Bedeutung der Eintauchphase, der in der bisherigen Forschung wenig Beachtung geschenkt wurde, hingewiesen.