Analyzing the structure of a single cell based on its refractive index (RI) distribution is a common and valued approach, because it does not require any artificial markers. The RI is an inherent structural marker that can be quantified in three dimensions with optical diffraction tomography (ODT), an inverse scattering technique. This work reviews the theory of ODT and its implementation with an emphasis on single-cell analysis, identifying the Rytov approximation as the most efficient descriptor for light propagation. The accuracy of the reconstruction method is verified with in silico data and imaging artifacts associated with the inverse scattering approach are addressed. Furthermore, an experimental ODT setup is presented that consists of a bright-field microscope, a phase-imaging camera, and an optical trap combined with a microfluidic chip. A novel image analysis pipeline is proposed that addresses image corrections and frame alignment of the recorded data prior to the RI reconstruction. In addition, for a rotational axis that is tilted with respect to the image plane, an improved reconstruction algorithm is introduced and applied to single, suspended cells in vitro, achieving sub-cellular resolution.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von ZnO- und CuI-basierten Nano- und Mikrostrukturen untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung derer Lumineszenz-Eigenschaften unter optischer Hochanregung. Verschiedene ZnO-basierte Nano- und Mikrostrukturen können bei Raumtemperatur unter optischer Hochanregung als Laser agieren. Es wurde ein Modell entwickelt, das anhand der Strukturgeometrie verbunden mit der Lasereindringtiefe und Ladungsträgerdiffusion das Auftreten der unterschiedlichen Emissionen beschreibt. Dieses Konzept wird als 'Absorptive Modenselektion' eingeführt. In temperaturabhängigen Photolumineszenz-Untersuchungen einzelner ZnO-Nanodrähte wird die Temperaturabhängigkeit der Laserparameter beschrieben. Damit ist es möglich, Aussagen über den Verstärkungsmechanismus des Laserprozesses zu treffen. Es zeigt sich, dass die Laserschwelldichte exponentiell mit der Temperatur ansteigt, wohingegen die charakteristischen Zerfallszeiten im Lasingbereich temperaturunabhängig sind. Die Anschaltzeit der Nanodrahtemission weist eine starke Abhängigkeit von der Anregungsdichte auf und hängt unterhalb der Laserschwelldichte von der Temperatur ab. Es werden drei Anregungsbereiche beschrieben, zwischen denen es nach der gepulsten Hochanregung zu einem Wechsel des dominanten Relaxationsprozesses kommt. Es wird ein Modell vorgestellt, mit dem der ladungsträgerdichteabhängige komplexe Brechungsindex für verschiedene Temperaturen berechnet wird. Dieses Modell wird angewandt, um in den untersuchten Strukturen die Brechungsindexänderung nach der gepulsten Hochanregung zu beschreiben. Es gelang der erstmalige Nachweis von Laseremission in CuI-basierten Mikrostrukturen. Der Laserprozess ist bis zu einer Temperatur von ca. 200 K stabil. Es wird gezeigt, dass Dreiecksmoden in der vorliegenden Mikrodraht-Kavität mit dreieckigem Querschnitt dominant sind. Weiterhin wurde eine temperaturabhängige Charakterisierung der bandkantennahen Emission (NBE) durchgeführt. Die Realstruktur der CuI-Mikrodrähte wurde umfassend mit REM, EDX und XRD untersucht.

Analyzing the structure of a single cell based on its refractive index (RI) distribution is a common and valued approach, because it does not require any artificial markers. The RI is an inherent structural marker that can be quantified in three dimensions with optical diffraction tomography (ODT), an inverse scattering technique. This work reviews the theory of ODT and its implementation with an emphasis on single-cell analysis, identifying the Rytov approximation as the most efficient descriptor for light propagation. The accuracy of the reconstruction method is verified with in silico data and imaging artifacts associated with the inverse scattering approach are addressed. Furthermore, an experimental ODT setup is presented that consists of a bright-field microscope, a phase-imaging camera, and an optical trap combined with a microfluidic chip. A novel image analysis pipeline is proposed that addresses image corrections and frame alignment of the recorded data prior to the RI reconstruction. In addition, for a rotational axis that is tilted with respect to the image plane, an improved reconstruction algorithm is introduced and applied to single, suspended cells in vitro, achieving sub-cellular resolution.

Ellipsometrische Untersuchungen an Plasmapolymeren und plasmamodifizierten Polymeroberflächen Abstrakt Im Mittelpunkt der Arbeit stehen zwei Prozesse, die auf der komplexen Wechselwirkung zwischen einem Niedertemperaturplasma und der dem Plasma ausgesetzten Festkoerperoberflaeche beruhen: Plasmamodifizierung und Plasmapolymerisation. Mit dem zerstoerungsfreien, optischen Messverfahren der Ellipsometrie koennen Veraenderungen der makroskopischen optischen Eigenschaften infolge der Plasmaeinwirkung nachgewiesen werden und so Rueckschluesse auf die Wechselwirkungsprozesse gezogen werden. Dazu dienen ex situ Spektralellipsometrie (Wellenlaenge = 300 - 800 nm), Ellipsometrie bei der Anregung von Oberflaechenplasmonen und in situ Ellipsometrie (Wellenlaenge = 632,8 nm), die mit Methoden der Strukturaufklaerung (XPS, SIMS, FTIR) kombiniert werden. Bei der Plasmamodifizierung von Polyethylen und Polystyren im CF4 und O2 Plasma kommt es durch den Eintrag neuer funktioneller Gruppen, durch Vernetzung und Aktivierung zu chemischen und morphologischen Veraenderungen in einer duennen Oberflaechenschicht, die sich in einem veraenderten Brechungsindex aeussern. Eine Erklaerung fuer die beobachteten Aenderungen ist ueber die molaren Polarisierbarkeiten der neuen funktionellen Gruppen moeglich. Die Untersuchungsergebnisse zum Tiefenbereich der Modifizierung sind qualitativ in guter Uebereinstimmung mit den Eindringtiefen der verschiedenen Plasmaspezies. Bei der Abscheidung duenner Plasmapolymerschichten dienen in situ und ex situ durchgefuehrte ellipsometrische Messungen der Aufklaerung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Eine deutliche Abhaengigkeit des Brechungsindex von HMDSO-Plasmapolymerschichten vom spezifischen Energieeintrag ins aktive Plasmavolumen wird gefunden und modelliert. Durch nichtstationaere Prozessfuehrung gelingt die Herstellung von Plasmapolymerschichten mit einem Brechungsindex-Tiefenprofil.

We report on a new framework for preparing high-refractive index polymeric materials which combines the selective thiol radical mono-addition to phenyl-acetylene derivatives with hyperbranched architectures. Using this strategy we have synthesized a series of linear and hyperbranched polyvinyl sulfide (PVS) materials, employing different dithiol (A₂ and A'₂) and di- and trialkyne (B and B₃) monomers. The process requires only a simple radical initiator, such as AIBN, in lieu of expensive or toxic catalysts and this chemistry produces polymers in high yield (up to 96%) and high molecular weight (up to 123 000 g mol⁻¹). The polymers are optically transparent, thermally stable (up to 420 °C) and readily form highquality films. The end group composition of the hyperbranched materials can be easily adjusted by changing the A₂/B₃ feed ratio. The sulfur incorporation and conjugation resulting from thiol–yne coupling with selective mono-addition results in materials with high refractive indices in the visible and IR region (nD = 1.68–1.75) and optical dispersions as low as 0.004. Moreover, we demonstrate that the hyperbranched architecture produces materials with better performance in terms of light reflection and chromatic dispersion compared to linear structures.

A low-cost plasmonic nanopillar array was synthesized using soft thermal nanoimprint lithography, and its sensitivity was determined through far-field spectroscopic measurements. Its transmission spectrum was highly dependent on the refractive index of the surrounding medium, with its sensitivity being 375 nm per refractive index unit according to the spectral shift. Moreover, a simple sensor whose reflected color changed with a change in the plasma frequency on varying the surrounding medium was fabricated.

Ellipsometrische Untersuchungen an Plasmapolymeren und plasmamodifizierten Polymeroberflächen Abstrakt Im Mittelpunkt der Arbeit stehen zwei Prozesse, die auf der komplexen Wechselwirkung zwischen einem Niedertemperaturplasma und der dem Plasma ausgesetzten Festkoerperoberflaeche beruhen: Plasmamodifizierung und Plasmapolymerisation. Mit dem zerstoerungsfreien, optischen Messverfahren der Ellipsometrie koennen Veraenderungen der makroskopischen optischen Eigenschaften infolge der Plasmaeinwirkung nachgewiesen werden und so Rueckschluesse auf die Wechselwirkungsprozesse gezogen werden. Dazu dienen ex situ Spektralellipsometrie (Wellenlaenge = 300 - 800 nm), Ellipsometrie bei der Anregung von Oberflaechenplasmonen und in situ Ellipsometrie (Wellenlaenge = 632,8 nm), die mit Methoden der Strukturaufklaerung (XPS, SIMS, FTIR) kombiniert werden. Bei der Plasmamodifizierung von Polyethylen und Polystyren im CF4 und O2 Plasma kommt es durch den Eintrag neuer funktioneller Gruppen, durch Vernetzung und Aktivierung zu chemischen und morphologischen Veraenderungen in einer duennen Oberflaechenschicht, die sich in einem veraenderten Brechungsindex aeussern. Eine Erklaerung fuer die beobachteten Aenderungen ist ueber die molaren Polarisierbarkeiten der neuen funktionellen Gruppen moeglich. Die Untersuchungsergebnisse zum Tiefenbereich der Modifizierung sind qualitativ in guter Uebereinstimmung mit den Eindringtiefen der verschiedenen Plasmaspezies. Bei der Abscheidung duenner Plasmapolymerschichten dienen in situ und ex situ durchgefuehrte ellipsometrische Messungen der Aufklaerung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Eine deutliche Abhaengigkeit des Brechungsindex von HMDSO-Plasmapolymerschichten vom spezifischen Energieeintrag ins aktive Plasmavolumen wird gefunden und modelliert. Durch nichtstationaere Prozessfuehrung gelingt die Herstellung von Plasmapolymerschichten mit einem Brechungsindex-Tiefenprofil.

Rolled-up nanotechnology based on strain-engineering is a powerful tool to manufacture three-dimensional hollow structures made of virtually any kind of material on a large variety of substrates. The aim of this thesis is to address the key features of different on- and off-chip applications of rolled-up microtubes through modification of their basic framework. The modification of the framework pertains to the tubular structure, in particular the diameter of the microtube, and the material which it is made of, hence achieving different functionalities of the final rolled-up structure. The tuning of the microtube diameter which is adjusted to the individual size of an object allows on-chip studies of single cells in artificial narrow cavities, for example. Another modification of the framework is the addition of a catalytic layer which turns the microtube into a self-propelled catalytic micro-engine. Furthermore, the tuneability of the diameter can have applications ranging from nanotools for drilling into cells, to cargo transporters in microfluidic channels. Especially rolled-up microtubes based on low-cost and easy to deposit materials, such as silicon oxides, can enable the exploration of novel systems for several scientific topics. The main objective of this thesis is to combine microfluidic features of rolled-up structures with optical sensor capabilities of silicon oxide microtubes acting as optical ring resonators, and to integrate these into a Lab-on-a-Chip system. Therefore, a new concept of microfluidic integration is developed in order to establish an inexpensive, reliable and reproducible fabrication process which also sustains the optical capabilities of the microtubes. These integrated microtubes act as optofluidic refractrometric sensors which detect changes in the refractive index of analytes using photoluminescence spectroscopy. The thesis concludes with a demonstration of a functional portable sensor device with several integrated optofluidic sensors. / Die auf verspannten Dünnschichten basierende „rolled-up nanotechnologie“ ist eine leistungsfähige Methode um dreidimensionale hohle Strukturen (Mikroröhrchen) aus nahezu jeder Art von Material auf einer großen Vielfalt von Substraten herzustellen. Ausgehend von der Möglichkeit der Skalierung des Röhrchendurchmessers und der Modifikation der Funktionalität des Röhrchens durch Einsatz verschiedener Materialien und Oberflächenfunktionalisierungen kann eine große Anzahl an verschiedenen Anwendungen ermöglicht werden. Eine Anwendung behandelt unter anderem on-chip Studien einzelner Zellen wobei die Mikroröhrchen, an die Größe der Zelle angepasste, Reaktionscontainer darstellen. Eine weitere Modifikation der Funktionalität der Mikroröhrchen kann durch das Aufbringen einer katalytischen Schicht realisiert werden, wodurch das Mikroröhrchen zu einem selbstangetriebenen katalytischen Mikro-Motor wird. Hauptziel dieser Arbeit ist es Mikrometer große optisch aktive Glasröhrchen herzustellen, diese mikrofluidisch zu kontaktieren und als Sensoren in Lab-on-a-Chip Systeme zu integrieren. Die integrierten Glasröhrchen arbeiten als optofluidische Ringresonatoren, welche die Veränderungen des Brechungsindex von Fluiden im inneren des Röhrchens durch Änderungen im Evaneszenzfeld detektieren können. Die Funktionsfähigkeit eines Demonstrators wird mit verschiedenen Flüssigkeiten gezeigt, dabei kommt ein Fotolumineszenz Spektrometer zum Anregen des Evaneszenzfeldes und Auslesen des Signals zum Einsatz. Die entwickelte Integrationsmethode ist eine Basis für ein kostengünstiges, zuverlässiges und reproduzierbares Herstellungsverfahren von optofluidischen Mikrochips basierend auf optisch aktiven Mikroröhrchen.

This work is devoted to investigate light confinement in rolled-up microtubular cavities and their optofluidic applications. The microcavities are fabricated by a roll-up mechanism based on releasing pre-strained silicon-oxide nanomembranes. By defining the shape and thickness of the nanomembranes, the geometrical tube structure is well controlled. Micro-photoluminescence spectroscopy at room temperature is employed to study the optical modes and their dependence on the structural characteristics of the microtubes. Finite-difference-time-domain simulations are performed to elucidate the experimental results. In addition, a theoretical model (based on a wave description) is applied to describe the optical modes in the tubular microcavities, supporting quantitatively and qualitatively the experimental findings. Precise spectral tuning of the optical modes is achieved by two post-fabrication methods. One method employs conformal coating of the tube wall with Al2O3 monolayers by atomic-layer-deposition, which permits a mode tuning over a wide spectral range (larger than one free-spectral-range). An average mode tuning to longer wavelengths of 0.11nm/ Al2O3-monolayer is obtained. The other method consists in asymmetric material deposition onto the tube surface. Besides the possibility of mode tuning, this method permits to detect small shape deformations (at the nanometer scale) of an optical microcavity. Controlled confinement of resonant light is demonstrated by using an asymmetric cone-like microtube, which is fabricated by unevenly rolling-up circular-shaped nanomembranes. Localized three-dimensional optical modes are obtained due to an axial confinement mechanism that is defined by the variation of the tube radius and wall windings along the tube axis. Optofluidic functions of the rolled-up microtubes are explored by immersing the tubes or filling their core with a liquid medium. Refractive index sensing of liquids is demonstrated by correlating spectral shift of the optical modes when a liquid interacts with the resonant light of the microtube. In addition, a novel sensing methodology is proposed by monitoring axial mode spacing changes. Lab-on-a-chip methods are employed to fabricate an optofluidic chip device, allowing a high degree of liquid handling. A maximum sensitivity of 880 nm/refractive-index-unit is achieved. The developed optofluidic sensors show high potential for lab-on-a-chip applications, such as real-time bio/chemical analytic systems.

Rolled-up nanotechnology based on strain-engineering is a powerful tool to manufacture three-dimensional hollow structures made of virtually any kind of material on a large variety of substrates. The aim of this thesis is to address the key features of different on- and off-chip applications of rolled-up microtubes through modification of their basic framework. The modification of the framework pertains to the tubular structure, in particular the diameter of the microtube, and the material which it is made of, hence achieving different functionalities of the final rolled-up structure. The tuning of the microtube diameter which is adjusted to the individual size of an object allows on-chip studies of single cells in artificial narrow cavities, for example. Another modification of the framework is the addition of a catalytic layer which turns the microtube into a self-propelled catalytic micro-engine. Furthermore, the tuneability of the diameter can have applications ranging from nanotools for drilling into cells, to cargo transporters in microfluidic channels. Especially rolled-up microtubes based on low-cost and easy to deposit materials, such as silicon oxides, can enable the exploration of novel systems for several scientific topics. The main objective of this thesis is to combine microfluidic features of rolled-up structures with optical sensor capabilities of silicon oxide microtubes acting as optical ring resonators, and to integrate these into a Lab-on-a-Chip system. Therefore, a new concept of microfluidic integration is developed in order to establish an inexpensive, reliable and reproducible fabrication process which also sustains the optical capabilities of the microtubes. These integrated microtubes act as optofluidic refractrometric sensors which detect changes in the refractive index of analytes using photoluminescence spectroscopy. The thesis concludes with a demonstration of a functional portable sensor device with several integrated optofluidic sensors. / Die auf verspannten Dünnschichten basierende „rolled-up nanotechnologie“ ist eine leistungsfähige Methode um dreidimensionale hohle Strukturen (Mikroröhrchen) aus nahezu jeder Art von Material auf einer großen Vielfalt von Substraten herzustellen. Ausgehend von der Möglichkeit der Skalierung des Röhrchendurchmessers und der Modifikation der Funktionalität des Röhrchens durch Einsatz verschiedener Materialien und Oberflächenfunktionalisierungen kann eine große Anzahl an verschiedenen Anwendungen ermöglicht werden. Eine Anwendung behandelt unter anderem on-chip Studien einzelner Zellen wobei die Mikroröhrchen, an die Größe der Zelle angepasste, Reaktionscontainer darstellen. Eine weitere Modifikation der Funktionalität der Mikroröhrchen kann durch das Aufbringen einer katalytischen Schicht realisiert werden, wodurch das Mikroröhrchen zu einem selbstangetriebenen katalytischen Mikro-Motor wird. Hauptziel dieser Arbeit ist es Mikrometer große optisch aktive Glasröhrchen herzustellen, diese mikrofluidisch zu kontaktieren und als Sensoren in Lab-on-a-Chip Systeme zu integrieren. Die integrierten Glasröhrchen arbeiten als optofluidische Ringresonatoren, welche die Veränderungen des Brechungsindex von Fluiden im inneren des Röhrchens durch Änderungen im Evaneszenzfeld detektieren können. Die Funktionsfähigkeit eines Demonstrators wird mit verschiedenen Flüssigkeiten gezeigt, dabei kommt ein Fotolumineszenz Spektrometer zum Anregen des Evaneszenzfeldes und Auslesen des Signals zum Einsatz. Die entwickelte Integrationsmethode ist eine Basis für ein kostengünstiges, zuverlässiges und reproduzierbares Herstellungsverfahren von optofluidischen Mikrochips basierend auf optisch aktiven Mikroröhrchen.