Previous studies of protein adsorption on silicon have been restricted by the choice of a simple structure or large surface for protein to adsorb on. The aim of this project was to develop an optical model for more complex nanostructures in form of trenches etched in silicon and then examine if a protein would adsorb to the surface. The method used was infrared ellipsometry. The experimental values from measurements on the sample were used to develop an optical model that represent the nanostructure. A three-layered biaxial model proved to be accurate. One sample was then exposed to the protein albumin and then measured upon again. The results before and after protein adsorption were compared and a small optical signature was found were it could be expected for this specific protein. This shows that it is possible to detect adsorption in a complex nanostructure and to develop an accurate optical model for said structure.

<p>Previous studies of protein adsorption on silicon have been restricted by the choice of a simple structure or large surface for protein to adsorb on. The aim of this project was to develop an optical model for more complex nanostructures in form of trenches etched in silicon and then examine if a protein would adsorb to the surface. The method used was infrared ellipsometry. The experimental values from measurements on the sample were used to develop an optical model that represent the nanostructure. A three-layered biaxial model proved to be accurate. One sample was then exposed to the protein albumin and then measured upon again. The results before and after protein adsorption were compared and a small optical signature was found were it could be expected for this specific protein. This shows that it is possible to detect adsorption in a complex nanostructure and to develop an accurate optical model for said structure.</p>

Silizium (Si) wird für eine breite Palette von Anwendungen wie z.B. in Solarzellen, Mikroelektronik, Biochips und so weiter eingesetzt. In dieser Arbeit wurden neue Hybridsysteme aus Si und organischen Molekülen, bezüglich der Oberflächenpassivierung des Halbleiters und der resultierenden elektronischen Eigenschaften untersucht. Insbesondere wurden Methyl-Gruppen (CH3 und CD3), Ethynyl-Derivate (H−C≡C-, CH3−C≡C-, und C6H5−C≡C-), sowie Pyrrol und Thiophen aus Grignardlösungen untersucht. Bezüglich Stabilität und Defektkonzentration konnte gezeigt werden, dass organisch modifizierte Si-Oberflächen eine höhere Stabilität an Luft haben als Standard wasserstoffpassivierte Si-Oberflächen und dabei eine nur geringfügig höhere Defektkonzentration aufweisen. Untersuchungen mit Infrarot Spektroskopischer Ellipsometrie (IRSE) und Synchrotron Röntgen Photoemissions Spektroskopie (SXPS) zeigen, dass die Oxidationsrate für Oberflächen mit CH3-Terminierung stark reduziert ist. In der vorliegenden Arbeit gelang es erstmalig mittels IRSE die charakteristische „Umbrella“-Schwingungsmode zu beobachten und SXPS Messungen zeigten die Spin-Orbit-Aufspaltung der Si 2p Emission für CH3-passivierte Si-Oberflächen. Die CH3-Gruppen besitzen einen hohen Grad von Ordnung auf der Si(111)-Oberfläche. Das Aufbringen von Ethynyl-Derivaten führt zu extrem dünnen polymerisierten Schichten auf Si durch elektrochemische Radikaloxidation der C≡C Dreifachbindung. Diese Schichten sind homogen und haften sehr gut an der Si-Oberfläche. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Abscheidung von Ethynyl-Derivaten vom Typ des Halogenatoms im Grignard-Precursor abhängig ist, wobei Br im Vergleich zu Cl zu geringeren Rekombinationsgeschwindigkeiten an der Polymer/Si-Grenzfläche führen. Eine Änderung der Austrittsarbeit von bis zu 0.5 eV und der Bandverbiegung von bis zu 0.24 eV wurde nach der Abscheidung dieser Moleküle gemessen. Diese elektronischen Eigenschaften hängen linear vom Oberflächendipol ab. / Organic functionalization of silicon (Si) surfaces has received a tremendous interest in the development of organic/semiconductor hetero-structures for plenty of potential applications from microelectronics, molecular electronics, photovoltaics to bio-applications. In this thesis, tailoring of the electronic properties and passivation properties of such organic hetero-structures have been investigated. Direct grafting of organic layers like methyl groups (CH3 and CD3), ethynyl derivatives (H−C≡C-, CH3−C≡C-, and C6H5−C≡C-), and heterocyclic molecules (pyrrole and thiophene) onto Si(111) surfaces have been performed in a one-step electrochemical process by anodic treatment in Grignard electrolytes. Organically modified Si surfaces show low interface recombination rates as measured by photoluminescence technique and reveal also a much better passivation with respect to stability in ambient air than H-terminated Si surfaces. Grafting of ethynyl derivatives and heterocyclic molecules lead to the formation of ultrathin polymeric layers, where the thickness depends on charge flow applied to the Si electrode, while methyl groups lead to a monolayer on Si(111) surfaces. Only a very small amount of oxidation states of Si has been observed by infrared spectroscopic ellipsometry (IRSE) and synchrotron X-ray photoemission spectroscopy (SXPS). For the first time, IRSE and SXPS measurements reveal the “umbrella” vibrational mode characteristic from methyl groups and a well-defined spin-orbit splitting of the Si 2p core level emission, respectively, in the case of methylated Si(111) surfaces. For all ethynyl derivatives, high-resolution SXPS investigations reveal the incorporation of halogen atoms in the organic layers obtained. Thereby, exchanging Br for Cl in the Grignard compound leads to lower interface recombination rates at the polymer/Si interface. A shift in work function and surface band bending of up to 0.5 and 0.24 eV has been observed, respectively. The electronic properties reveal a linear relation between the work function and the surface dipole.

Auf dielektrische Substrate wurden Schichten aus Gold thermisch aufgedampft. Die Schichten wurden neben anderen Methoden wie AFM oder der Messung der Schichtleitfähigkeiten hauptsächlich mit Hilfe der spektroskopischen IR-Ellipsometrie (SIRE) in einem Schichtdickenbereich von 4 bis 60 nm systematisch untersucht. Aus den primär ermittelten ellipsometrischen Parametern tan(Psi) und Delta lassen sich der Brechungsindex n und der Absorptionsindex k bestimmen und auch weitere Größen wie z.B. der elektrische Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit errechnen. Die untersuchten Schichten lassen sich anhand der optischen, topographischen und elektrischen Eigenschaften in drei Gruppen einteilen: Dielektrische, aus isolierten Goldinseln bestehende Filme (4 bis 6 nm), Schichten in einem Übergangsbereich (8 bis ca. 16 nm), metallische Schichten (ab ca. 16 nm). Die dielektrischen Goldinselfilme zeigen optische Eigenschaften, die bislang für keine anderen Proben beschrieben worden sind. Der Brechungsindex n ist hoch (4 bis 9 bei 2400/cm) und der Absorptionsindex k klein (0 bis 4 bei 2400/cm). Beide Indizes sind spektral weitgehend konstant. Daß diese Filme dielektrische Eigenschaften besitzen, steht in direktem Widerspruch zur allgemeinen SEIRA-Literatur. Die Inselstruktur der dielektrischen Filme verursacht einen Verstärkungseffekt, der als Oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (surface-enhanced infrared absorption - SEIRA) bekannt ist. Es zeigte sich, daß die optischen Konstanten der Filme einen erheblichen Einfluß auf die SEIRA-Verstärkung ausüben. Um Inselfilme mit reproduzierbaren optischen Eigenschaften herstellen zu können, wurde ein lithographisches Verfahren entwickelt. Auf einer geschlossenen, homogenen Goldschicht wurden monodisperse Nanopartikel aus Polystyrol (PS) in einer Monolage deponiert. Die PS-Nanopartikel dienten in einem trockenen Ätzprozeß im Ar-Plasma als lithographische Maske, um die darunterliegende Au-Schicht zu strukturieren. / Thin films were produced on dielectric substrates by thermal evaporation of gold in a high vacuum chamber. These films were investigated systematically in a range between 4 and 60 nm thickness. The method mainly applied was the spectroscopic IR-ellipsometry (SIRE), in addition to other methods like AFM or sheet resistance measurement. The primary results are the ellipsometric parameters tan(Psi) and Delta. They were used to determine the refractive index n and the absorption index k. Electrical parameters can also be calculated. Depending on the optical, topographical and electrical properties the population of different layers can be divided into three parts: dielectric films with isolated gold islands (4 to 6 nm), layers in a transient area (8 to ca. 16 nm), metal films (ca. 16 to 60 nm). The optical properties shown by dielectric gold island films were never before described for other samples. The refractive index n is high (4 to 9 at 2400/cm) and the absorption index small (0 to 4 at 2400/cm). Both indices are nearly constant in the spectral range. Directly in contrast to the SEIRA-literature the island films show dielectric properties. The island structure of the dielectric films gives rise to an enhancement effect called surface-enhanced infrared absorption (SEIRA). It could be shown that the optical constants of the island films have a considerable influence on the enhancement factors. A lithographic method was developed in order to find a way for manufacturing island films with reproducible optical properties. Monodispers polystyrene nanoparticles were deposited in a monolayer on a dense gold layer on a dielectric substrate. The layer of nanoparticles was used as a mask for a dry etch process in a reactive Ar-plasma.