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Aufbau und Inbetriebnahme einer SLM basierten STED-Lithographie

  • Im Rahmen dieser Diplomarbeit konnte das etablierte direkte Laserschreiben um einen zusätzlichen abregenden Strahlengang ergänzt werden, dessen Einfluss im Hinblick auf das Polymerisationsverhalten untersucht wurde. Bei dem verwendeten (Negativ-) Photolack IP-L 780 konnte durch stimulierte Emission die Generierung von Radikalen unterbunden werden, indem die an- und abregenden Laserfokusse räumlich überlagert wurden. Dabei stellte sich heraus, dass ein relativ großer Intensitätsbereich den erwünschten Effekt hervorruft. Die in der Fluoreszenzmikroskopie seit langem verwendeten Abregungsmoden (doughnut und bottleshape) konnten mithilfe von räumlichen Lichtmodulatoren und dem speziell für diesen Zweck entwickelten Programm zur PSF-Darstellung sehr gut erzeugt werden. Dabei fanden neben den Zernike-Polynomen auch inverse Gauß-Funktionen zur Aberrationskorrektur Anwendung. Auch sogenannte Multifokusse (lateral und axial) konnten durch eine geeignete Gewichtung der Zernike-Polynome zuverlässig generiert werden, wobei die dafür notwendigen Phasen- und Amplitudenpattern mithilfe eines entsprechenden iterativen Algorithmus (GSA3D) berechnet wurden. Der laterale Polymerisationsdurchmesser konnte sowohl durch die doughnut-Mode, als auch durch den lateralen Multifokus von 240 nm um ca. 50 % auf ungefähr 120 nm reduziert werden. Der stimulierende Teil der doughnut-Mode, der entlang der Schreibrichtung dem Polymerisationsfokus vorauseilt (oder hinterherläuft), führt zu keinerlei relevanten Unterschieden im Vergleich zum Multifokus. Dies konnte zudem durch ein Experiment verifiziert werden, bei dem die An- und Abregungsfokusse entlang der Schreibrichtung um verschiedene Distanzen versetzt positioniert wurden. Ob der stimulierende Laser den Photolack räumlich (und damit zeitlich) einige hundert Nanometer (bzw. einige Millisekunden) vor oder nach dem anregenden beeinflusst, zeigt dabei keinerlei Unterschiede. Je größer der Versatz, desto geringer die stimulierende Wirkung. Demnach scheint der abregende Laser den Photoinitiator (DETC) zu stimulierter Emission zu bringen, bevor dieser seine absorbierte Energie zur Spaltung und damit zum Polymerisationsbeginn nutzen kann. Der axiale Polymerisationsdurchmesser konnte sowohl mit der etablierten bottleshape-Mode, als auch mit dem hier entwickelten axialen Multifokus von ca. 400 nm um 50% auf unge- 57 5 Zusammenfassung und Ausblick Julian Hering fähr 200 nm reduziert werden. Bei Letzterem war der Intensitätsring in der xy-Ebene bei z = 0 deutlich stärker ausgeprägt als bei der bottleshape-Mode, was zu einer erhöhten lateralen Polymerisationsunterdrückung und damit zu einem schlechteren Aspektverhältnis führte. Nichtsdestotrotz konnte dadurch im Rahmen dieser Arbeit erstmals STED-DLW mittels räumlicher Lichtmodulatoren betrieben werden. Die mit starren Phasenmasken bereits erreichten Linienabmessungen von bis zu 65 nm lateral und 180 nm axial konnten somit zwar nicht erreicht werden, jedoch ist in dieser Hinsicht eine deutliche Verbesserung gegenüber dem zuvor verwendeten normalen DLW unverkennbar. Leider zeigt die Kombination mit STED jedoch neue Herausforderungen auf. So wurde z.B. die Strukturqualität beim Anfahren und Abbremsen des Piezos enorm verschlechtert. Auch die Generierung mancher Abregungsmoden erwies sich als äußerst mühsam und zeitaufwendig. Aus diesem Grund wird in Zukunft ein automatisiertes Vorgehen bei der Aberrationskorrektur angestrebt, sowie eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung der jeweiligen Laserleistungen. Der Strukturierungszeitaufwand aufgrund der verwendeten Geschwindigkeit von 100 μm/s kann in Zukunft ebenfalls verringert werden, da das Auslenkverhalten der beiden Fokusse in einem Radius von 50 μm mittels Galvanospiegel-System weitestgehend gleich ist. Zu diesem Zweck müssen allerdings je nach verwendeter Geschwindigkeit die nötigen Laserleistungen ermittelt werden. Außerdem muss die räumliche Formkonstanz der An- und Abregungsmoden bei einer Auslenkung um bis zu 50 μm untersucht werden. Durch den Verzicht auf das Piezo-System würde sich das Problem der schlechten Qualität an den Strukturkanten eventuell erübrigen. Zudem lässt sich durch die Verwendung räumlicher Lichtmodulatoren der Einsatz verwendeter Abregungsmoden weiter ausbauen. Axiale Multifokusse mit einer Halbwertslücke von unter 300 nm und einem Intensitätsminimum von unter 30% sind theoretisch kein Problem. Es gilt demnach, diese Moden zu generieren und auf deren Verbesserung hinsichtlich Linienbreite und -länge zu untersuchen. Ein Test zur Ermittlung des Signal zu Rausch Verhältnisses der jeweiligen Moden über den gesamten möglichen Bereich der stimulierten Emission würde beispielsweise stark zur Charakterisierung der Multifokusse beitragen.

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Metadaten
Author:Julian Hering
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-59917
Advisor:Georg von Freymann
Document Type:Diploma Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2020/06/18
Year of Publication:2015
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Date of the Publication (Server):2020/06/18
Number of page:V, 73
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Physik
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung (CC BY 4.0)