Voraussetzungen für kombinierte Konfokalmikroskopie- und TEM-

einem Ensemble nicht beobachtet werden können. Bei einer Vielzahl von Kristallen repräsentieren die beobachteten Eigenschaften ein Mittel aus allen vorhandenen Partikeln und lassen somit individuellen Eigenschaften nicht erkennen. Die Einteilchenspektroskopie hat Eigenschaften wie Blinkverhalten, spektrale Diffusion oder Polarisation ans Licht gebracht, was ihre Bedeutung hervorhebt.⁷²

Kombiniert man Fluoreszenzeigenschaften von einzelnen halbleitenden Nanopartikeln mit ihren strukturellen Eigenschaften, so eröffnet sich eine völlig neue Untersuchungsmethode, mit dessen Hilfe genaue Zusammenhänge zwischen Struktur und Fluoreszenz eines einzelnen Nanokristalls untersucht werden können. Genau dies war die Motivation des vorliegenden Abschnitts, in dem kombinierte Messungen an CdSe/CdS-Nanorods, CdSe/Nanoröhren-Hybridmaterialen und PbS-Nanoblättern diskutiert werden. Im Folgenden soll auf die Probleme und Herausforderungen eingegangen werden, die an die Korrelation von strukturellen Eigenschaften und Fluoreszenzeigenschaften gestellt werden.

4.3.1 Voraussetzungen für kombinierte Konfokalmikroskopie- und TEM-Untersuchungen

Bei der Kombination von Konfokalmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie an einzelnen Halbleiternanostrukturen wurden im Besondern hohe Anforderungen an das Substrat gestellt. Diese musste für beide Untersuchungen geeignet sein und daher zahleichen Ansprüchen genügen.

Damit Fluoreszenzeigenschaften einzelner Nanokristalle untersucht werden konnten, durfte die Fluoreszenz nicht vom Substrat gequencht werden. Des Weiteren musste es über eine geringe Autofluoreszenz verfügen, um ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Dies ist besonders für die Einteilchenspektroskopie relevant, da die Emission von einzelnen Kristallen, im Vergleich zu einem Ensemble, sehr gering ist. Vor allem bei Fluorophoren mit geringer Quantenausbeute oder kleinem Absorptionsquerschnitt führt eine niedrige Autofluoreszenz des Substrates zu einer besseren Detektierbarkeit. Bei der CLSM erfolgt die Anregung und Emissionsdetektion in einer Ebene, deren axiale Ausdehnung über

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die Größe einer Lochblende geregelt werden kann. Bei dieser Messanordnung werden von über und unter der Ebene stammende Signale unterdrückt, was das Signal-Rausch-Verhältnis vergrößert. Voraussetzung für solch eine Messtechnik ist jedoch, dass das Substrat planar ist und keine großen Höhenunterschiede im gerasterten Bereich (ca. 400 µm²) aufweist. Als zusätzliche Eigenschaft sei die Stabilität gegen Lösungsmittel, wie Chloroform oder Toluol genannt, da die Nanokristalle aus einer Chloroform- oder Toluolsuspension auf das Substrat aufgeschleudert wurden. Dieser Schritt war nötig, um eine homogene Verteilung von einzeln vorliegenden Nanokristallen zu erreichen.

Über die bereits genannten Substratanforderungen hinaus sollten TEM-Untersuchungen an derselben Probe durchgeführt werden. Diese mussten nach den Fluoreszenzmessungen erfolgen, da die Nanokristalle nach den TEM-Untersuchungen keine Fluoreszenz mehr aufwiesen. Dieser Sachverhalt wurde bereits in einer früheren Arbeit¹² festgestellt und ist auf die Wechselwirkung zwischen dem hochenergetischen Elektronenstrahl und den Kristallen zurück zu führen. Hierbei kann es zu einer elektrischen Aufladung oder gar strukturellen Beschädigung der Kristalle kommen. Des Weiteren ist damit zu rechnen, dass es durch den in der Probenkammer befindlichen Kohlenstoff zu einer Carbonisierung und folglich zum Quenchen der Probe kommt.

Für TEM-Messungen geeignete Substrate mussten eine hohe Transparenz und Stabilität gegenüber dem Elektronenstrahl aufweisen, damit hochauflösende Aufnahmen getätigt werden konnten. Zusätzlich musste die Probe frei von Kontamination sein, da diese sowohl die Bildgebung als auch analytische Untersuchungen (EELS, EDX) negativ beeinflussen. Zur Vollständigkeit sei auch auf die Dimension der Probe hingewiesen. Der Probenträger der verwendeten TEMs erlaubte lediglich die Verwendung von Proben mit einem Durchmesser 3.05 mm.

In dieser Arbeit wurden diverse Substrate auf ihre Tauglichkeit für kombinierte Konfokalmikroskopische- und TEM-Untersuchungen untersucht. Im Folgenden werden ihre Vor- und Nachteile diskutiert.

Kohlenstoff beschichtete Cu-Netzchen

Typischerweise werden Cu-Netzchen, die mit einem ca. 12 nm dicken amorphen Kohlenstofffilm belegt sind, für TEM-Untersuchungen verwendet. Dieses leitende Material ist für den Elektronenstrahl transparent und verhindert Aufladungseffekte der Probe. Des Weiteren ist dieses Substrat auch bei hohen Beschleunigungsspannungen (300 kV) stabil, was hochauflösende Strukturanalysen gewährleistet. Da neben den Nanokristallen keine weiteren

4. Ergebnisse und Diskussion ___________________________________________________________________________

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Materialien auf dem Kohlenstofffilm vorliegen, können auch analytische Messverfahren (EELS, EDX) genutzt werden. Die für die TEM vorteilhafte Leitfähigkeit des Substrates ist gleichzeitig der entscheidende Nachteil in Bezug auf Fluoreszenzuntersuchungen. Der leitende Kohlenstofffilm quencht die Fluoreszenz der Nanokristalle, was ihn für kombinierte Untersuchungen unbrauchbar macht.

Polymer beschichtete Kohlenstoff-Cu-Netzchen

Da die Fluoreszenz von Nanokristallen auf einen Kohlenstofffilm gequencht wird, wurde eine Polymerschicht (Polyvinylformal) zwischen Nanokristalle und Kohlenstoff gebracht, um den Energietransfer und somit das Quenchen zu verhindern. Detaillierte Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass selbst bei einer Polymerdicke von 25 nm noch 50 % der Energie auf den Kohlenstofffilm übertragen und nicht emittiert wurde (siehe 4.5). Eine so dicke organische Zwischenschicht erschwert zudem TEM-Untersuchungen. So konnten keine hochauflösenden Aufnahmen von Nanokristallen aufgenommen werden, da es durch die organische Zwischenschicht zur Bildung von schwarzen Bereichen auf der Probe kam. Außerdem traten Aufladungseffekte auf, die zu Schwingungen des Substrates führten.

MgO bedampfte Kohlenstoff-Cu-Netzchen

Ein weiterer Versuch zur Unterdrückung des Energietransfers zwischen Nanokristallen und dem Kohlenstofffilm bestand darin, eine Magnesiumoxidschicht auf das Substrat aufzudampfen. Mit Hilfe eines Hochvakuum Beschichtungssystem (Classic 250, Pfeiffer Vacuum) sollte eine 5 nm dicke MgO-Schicht aufgebracht werden. Eine genaue Untersuchung der Probe zeigte jedoch, dass es zur Bildung von MgO-Inseln gekommen war und nicht zur Ausbildung eines homogenen Films. Nanokristalle die auf dieses Substrat aufgebracht wurden, lagerten sich zwischen den Inseln an und wurden weiterhin gequencht.

SiO2 beschichtete Cu-Netzchen

Wurden halbleitende Nanokristalle auf Cu-Netzchen aufgebracht, die mit einem ca. 30 nm dicken Siliziumdioxidfilm beschichtet waren, so konnte ebenfalls ein Quenchen der Fluoreszenz beobachtet werden. Die Fluoreszenzverringerung war nicht so stark ausgeprägt, wie bei kohlenstoffbeschichten Cu-Netzchen, machte das Substrat aber dennoch ungeeignet für kombinierte Messungen. An der Oberfläche des Films befindliche, polare Hydroxylgruppen können ein möglicher Grund für das Quenchen der Fluoreszenz sein.

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Amorphe Siliziummembranen (ca. 9 nm dick) waren durch eine hohe Unebenheit, selbst in der Größenordnung von 10 µm, gekennzeichnet. Dies erschwerte die Aufnahme von geeigneten Fluoreszenzbildern, da nur ein Teil der gerasterten Fläche im Fokus des Objektivs lag. Zudem konnte ein ähnlich starkes Quenchen wie bei SiO2-Substraten beobachtet werden, was durch den halbleitenden Charakter des Substrates erklärt werden kann.

Polyimid Cu-Netzchen

Bei Arbeiten mit Polyimid beschichteten Cu-Netzchen wurde festgestellt werden, dass diese eine enorme Autofluoreszenz aufwiesen. Diese konnte auch nicht mit Hilfe einer Laserbestrahlung bei hohen Leistungen reduziert werden. Die relativ geringe Fluoreszenz einzelner Kristalle ging dabei im Untergrund des Substrates unter.

SiN-Membranen

SiN-Membranen stellen ein weiteres isolierendes Substrat dar, was für TEM-Untersuchungen geeignet ist. Diese Membranen sind zwar schwerer als Kohlenstoffsubstrate zu handhaben, da sie sich beim Einsatz des Elektronenstrahls leichter aufladen, können aber dennoch für hochauflösende Strukturanalysen genutzt werden. Dabei hat sich gezeigt das sowohl dünne (30 nm), als auch bis zu 50 nm dicke SiN-Membranen für hochauflösende TEM-Messungen geeignet sind. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass die Fluoreszenz von einzelnen Nanokristallen nicht durch das Substrat gequencht wird, was sie für den Einsatz von kombinierten Untersuchungen befähigt. Allerdings weisen SiN-Membranen einen hohe Autofluoreszenz auf, die zum Teil durch eine vorherige Laserbestrahlung bei hohen Leistungen (~100 kW/cm²) reduziert werden konnte, ihren Einsatz aber dennoch auf Proben mit hoher Quantenausbeute beschränkt. Zusätzliche Probleme entstehen durch das relativ große SiN-Fenster (500 µm x 500 µm), welches nicht wie bei Cu-Netzchen in viele einzelne Maschen unterteilt ist. Dies erschwert die Orientierung auf dem Substrat und erfordert eine zusätzliche Markierung z.B. mittels fokussiertem Galliuminonenstrahl (engl. focused ion beam: FIB).

Polyvinylformal beschichtet Cu-Netzchen

Für kombinierte Konfokalmikroskopische- und TEM-Untersuchen erwiesen sich Cu-Netzchen, die ausschließlich mit Polyvinylformal beschichtet waren, als am geeignetsten.

Dieses isolierende Material führte zu keinerlei Quenchen der Fluoreszenz, war zudem sehr

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planar und zeigte nur eine geringe Autofluoreszenz. Zusätzlich konnten hochauflösende TEM-Aufnahmen von Nanokristallen auf diesem Substrat erstellt werden, was den Einsatz für kombinierte Messungen rechtfertigte. Diese Polymerfilme sind jedoch nur bis zu Beschleunigungsspannungen von ca. 120 kV stabil, was den Einsatz des JEM-2200 FS TEMs erforderlich machte. Dieses TEM gewährleistet auch bei niedrigeren Beschleunigungsspannungen sehr gute Strukturaufklärung. Die Polyvinylformalfilme wurden auf 2000 mesh Cu-Netzchen aufgebracht (5 µm x 5 µm Maschengröße). Diese geringe Maschengröße machte zusätzliche Orientierungshilfen innerhalb einer Masche überflüssig und stellt einen weiteren Vorteil des Substrates dar.

4.3.2 Kombinierte Konfokalmikroskopie- und TEM-Untersuchungen an CdSe/CdS