Kombiniertes Ionenstrahl-/Elektronenstrahlmikroskop (FIB/SEM)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Am Focused Ion Beam Center UUlm des Institutes für Analytische und Bioanalytische Chemie der Universität Ulm wird Forschung auf dem Gebiet der Mikro- und Nanofabrikation, -strukturierung und -prototypisierung, der 3D-Tomographie, der Ionenstrahl-induzierten Abscheidung (IBID), sowie der Erzeugung von Querschnitten zur hochaufgelösten Abbildung (HR-SEM) und Charakterisierung mittels FIB/SEM Mikroskopie durchgeführt. Die Arbeiten am Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie fokussieren hierbei auf die Herstellung und Modifizierung von mikroskopischen und nanoskopischen Strukturen für die ortsaufgelöste Elektrochemie (Mikro- und Nanoelektroden), sowie für kombinierte Rastersondentechniken. Basierend auf unterschiedlichen Elektrodenmaterialien - unter anderem bordotiertem Diamant - werden beispielsweise in vitro Untersuchungen von spezifischer Kraftwechselwirkungen nanoskopischer Polymerelektroden an lebenden Zellen durchgeführt. Ein weiteres Forschungsgebiet, auf dem die FIB/SEM Mikroskopie wesentlich zu Forschungserfolgen beitrug, ist die Herstellung und Strukturierung von on-chip Lichtwellenleitern im mittleren Infrarot (3-15 µm). Hierbei konnten erstmals mittels FIB stukturierte GaAs/AlGaAs Dünnschicht-Lichtwellenleiter zur höchstsensitiven IR Sensorik etabliert werden. In enger Zusammenarbeit mit Prof. P. Walther, Leiter der Zentralen Einrichtung für Elektronenmikroskopie, wurde die Optimierung der Präparation und die Abbildung ("Slice&View") zur 3D-Darstellung von gefriersubstituierten, eingebetteten BON-Zellen durchgeführt. Die Optimierung der Schwermetalleinlagerung während der Gefriersubstitution resultierte in einer deutlich verbesserten Auflösung auch gegenüber der transmissions-elektronenmikroskopischen Darstellung. Aufgrund dieser äußerst erfolgreichen Arbeit werden derzeit Untersuchungen zur Verteilung von viralen Partikeln des humanen Zytomegalievirus in Fibroblasten (in Zusammenarbeit mit Prof. M. Mertens, Institut für Virologie, Universitätsklinikum Ulm) und die 3D Untersuchung von HIV-Viren-Vorstufen in Zellen in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern des Instituts für Virologie der Universität Heidelberg durchgeführt. Das effiziente Kopplung optischer Zentren in Diamant mit photonischen Strukturen für Anwendungen z.B. in Quantencomputern stellt eine besondere Herausforderung in der Nanotechnologie dar, insbesondere wenn individuelle Photonenzentren erzeugt werden sollen. Das Institut für Quantenoptik nutzt in diesem Zusammenhang die Möglichkeiten am Focused Ion Beam Center UUlm zur Herstellung von Festkörperimmersionslinsen (SIL) aus Diamant, welcher die entsprechenden SiV Zentren enthält. Das Institut für Mikro- und Nanomaterialien (Gruppen von Prof. C. Krill und Prof. U. Herr) nutzen das Focused Ion Beam Center UUlm beispielweise zur Kontaktierung von Nanodrähten mittels ionenstrahl-induzierter Abscheidung. Solche Si-Nanodrähte sind vielversprechende Bauelemente für flexible Solarzellen. Weiterhin werden mittels FIB nanoskalige Sensoren zur lokalen Detektion von Magnetfeldern hergestellt. Wie sich im Rahmen der Arbeiten herausgestellt hat, beeinflusst die Formgebung des Sensors dessen Signalcharakteristik, so dass FIB-basierte Prototypisierung aufgrund der schnellen Umsetzbarkeit neuer Sensorgeometrien eine ideale Methode darstellt. Nicht zuletzt ist die Charakterisierung von nanokristallinen Materialien ein wichtiges Thema, wobei mit Hilfe von FIB Querschnitten durch Ionenkanalisierungseffekte Korngrößen bestimmt werden können um deren Wachstum in Nanomaterialien zu untersuchen. Neben den hier beispielhaft aufgelisteten Anwendungen werden mittlerweile routinemäßig Querschnitte zur Materialcharakterisierung bzw. zur Fehlersuche angefertigt, sowie strukturierte Membranen hergestellt. Nicht zuletzt konnte eine Vielzahl biologisch relevanter Fragestellung bearbeitet werden, wie z.B. zur Untersuchung von Biofilmen und von Gammarideans.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Diamond-Modified AFM Probes: From Diamond Nanowires to Atomic Force Microscopy-Integrated Boron-Doped Diamond Electrodes, Anal. Chem., 83, 4936, 2011
W. Smirnov, A. Kriele, R. Hoffmann, E. Sillero, J. Hees, O. A. Williams, N. Yang, C. Kranz, C. E. Nebel
- Imaging and Documenting Gammarideans: Int. J. Zoology, 1-9, 2011
C. Haug, G. Mayer, V. Kutschera, D.Waloszek, A. Maas, J. T. Haug
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1155/2011/380829) - The role of conditioning film formation and surface chemical changes on Xylella fastidiosa adhesion and biofilm evolution: J. Colloid Int. Sci., 359, 289-295, 2011
G. S. Lorite, C. M. Rodrigues, A. A. de Souza, C. Kranz, B. Mizaikoff, M. A. Cotta
- Atomic Force Microscopy Probes with Integrated Boron Doped Diamond Electrodes: Fabrication and Application. Electrochem. Commun., 25, 2012.
A. Eifert, W. Smirnov, S. Frittmann, C. Nebel, B. Mizaikoff, C. Kranz
- FIB/SEM-tomography with TEM-like resolution for 3D imaging of high pressure frozen cells: Histochem. Cell Biology, 138, 549, 2012
C. Villinger, H. Gregorius, C. Kranz, K. Höhn, C. Münzberg, G. von Wiehert, B. Mizaikoff, G. Wanner, P.Walther
- Investigation of Si nanowires from VLS growth: Phys. Status Solidi C 9, 1912, 2012
U. Herr, B. Riedmueller, M: Haddad, K. AbuShgair, M. Madel, J. B. Jakob, K. Thonke
- Mikroskopie mit fokussierten Ionenstrahlen. GIT Labor-Fachzeitschrift, 11,787, 2012
C. Kranz, B. Mizaikoff
- Nano-fabricated solid immersion lenses registered to single emitters in diamond: Photon 12, the UK's premier conference on optic and photonics, Durham - UK. 3-6 September, 2012
L Marseglia, J Hadden, B Patton, Y-L D Ho, B Naydenov, J Meijer, P Dolan, J Smith, J Rarity, J O'Brien F. Jelezko
- Nano-Patterning of GMR Spin Valves by FIB Technique: IEEE Transactions on Magnetics, 48, 2012
B. Riedmüller; U. Herr
- Solute depletion and abnormal grain growth in segregation-stabilized nanocrystalline alloys: Proceedings of the Internat. Workshop on Interfaces at Bear Creek 2012, p. 42.
Jules M. Dake and Carl E. Krill III
- Sudden loss of thermal stability in Fe-based nanocrystalline alloys: Scripta Materialia 66 390, 2012
Jules M. Dake and Carl E. Krill III
- UltraSensitive Mid-Infrared Evanescent Field Sensors Combining Thin-Film Strip Waveguides with Quantum Cascade Lasers, Analyst, 137, 2322, 2012
X. Wang, S.-S. Kim, R. Roßbach, M. Jetter, P. Michler, B. Mizaikoff
- Abnormal grain growth in nanocrystalline materials: Materials Science Forum, 753 317, 2013
Jules M. Dake and Carl E. Krill III
- Focused ion beam/scanning electron microscopy (FIB/SEM) is a powerful method in virus research. Microscopy Conference MC 2013 Aug. 2013
C. Villinger C, G. Neusser, C. Kranz B. Mizaikoff, J. v. Einem, T. Mertens, P. Walther
- On the role of extracellular polymeric substances during early stages of Xylella fastidiosa biofilm formation: Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 102, 519-525, 2013
G. S. Lorite, A. A. de Souza, D. Neubauer, B. Mizaikoff, C. Kranz, M. A.
- On-Chip Integrated Mid-Infrared GaAs/AlGaAs Mach-Zehnder Interferometer. Anal. Chem., 85, 3050, 2013
M. Sieger, F. Balluff, X. Wang, S.-S. Kim, L. Leidner, G. Gauglitz, B. Mizaikoff
- Toward on-chip mid-infrared chem/bio sensors using quantum cascade lasers and substrate-integrated semiconductor waveguides. Proceedings SPIE 8631, 86312, 2013
X. Wang, M. Sieger, B. Mizaikoff
