Optical characterisation of DNA bases on silicon surfaces [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Simona Dorina Silaghi

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• Publié par: technische_universitat_chemnitz
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 28
• Langue: Deutsch
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Extrait

Optical Characterisation of DNA Bases
on Silicon Surfaces



von der Fakultät für Naturwissenschaften der Technischen Universität Chemnitz
genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades




doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)




vorgelegt von M. Sc. Phys. Simona Dorina Silaghi
geboren am 14 Februar 1977 in Gherla


eingereicht am 02 März 2005



Gutachter: Prof. Dr. Dietrich R.T. Zahn
Prof. Dr. Michael Hietschold
Dr. Uwe Rossow






Tag der Verteidigung: 17 Juni 2005
Bibliografische Beschreibung 2
Bibliografische Beschreibung
M. Sc. Phys. Simona Dorina Silaghi
Optical Characterisation of DNA Bases on Silicon Surfaces
Technische Universität Chemnitz
Dissertation (in englischer Sprache), 2005

Im Rahmen dieser Arbeit werden DNA-Basen-Moleküle (Thymin, Cytosin, Adenin und
Guanin) auf H-passivierten Si(111)-Substraten mittels theoretischer Berechnungen und
optischen Spektroskopien charakterisiert. Für ein einzelnes DNA-Basen-Molekül wurden
quantenchemische Berechnungen von Elektronenübergängen und vibronischen Moden
durchgeführt. Zusätzlich wurden die vibronischen Eigenschaften von
Metall(Ag,In)/CytosinKomplexen sowie die Adsorption von einzelnen Cytosin-Molekülen auf
H:Si(111)Oberflächen studiert.
Die biomolekularen Schichten von DNA-Basen wurden durch organische
Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf flachen und vicinalen
H:Si(111)Oberflächen hergestellt. Die Morphologie, Struktur und Kristallinität von
DNA-BasenSchichten wurden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenbeugung (XRD) und
Röntgenreflektometrie (XRR) charakterisiert. Die Vibrationseigenschaften von
biomolekularen Schichten wurden experimentell durch Infrarotspektrokopie untersucht.
Metall(Ag,In)/Cytosin/H:Si(111)-Heterostrukturen wurden mittels oberflächenverstärkter
Ramanstreuung (SERS) charakterisiert. In dieser Arbeit wurden erstmals die optischen
Konstanten und die dielektrischen Funktionen von dicken DNA-Basen-Schichten auf ebenen
H:Si(111)-Oberflächen mittels spektroskopischer Ellipsometrie (SE) bestimmt. Ebenfalls zum
ersten Mal wurden dünne biomolekulare Schichten auf vicinalen H:Si(111)-Oberflächen
durch Reflektionsanisotropiespektroskopie (RAS) charakterisiert.

Schlagwörter

Biomoleküle, flaches und vicinales Si(111), Organische Molekularstrahldeposition, Ag, In,
Grenzfläche, Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenbeugung (XRD), Röntgenreflektometrie
(XRR), Infrarotspektrokopie, oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS), spektroskopische
Ellipsometrie (SE), Reflektionsanisotropiespektroskopie (RAS).
Table of Contents 3
Table of Contents

Bibliografische Beschreibung ..............................................................................................2
Table of Contents...................................................................................................................3
List of Abbreviations..............................................................................................................6

1 Introduction.....................................................................................................................7

2 ab initio Calculations of DNA Base Molecules ............................................................9
2.1 Density Functional Theory ..................................................................................................... 9
2.1.1 Computation objectives ............................................................................................... 10
2.1.1.1 Geometry optimisation........................................................................................ 10
2.1.1.2 Electronic transitions........................................................................................... 10
2.1.1.3 Vibrational properties.......................................................................................... 10
2.2 Calculated optical properties of single DNA bases.............................................................. 11
2.2.1 Thymine....................................................................................................................... 11
2.2.1.1 Geometry optimisation 11
2.2.1.2 Molecular orbitals. Electronic transitions ............................................................ 12
2.2.1.3 Vibrational properties 16
2.2.2 Cytosine 17
2.2.2.1 Geometry optimisation 17
2.2.2.2 Molecular orbitals. Electronic transitions 19
2.2.2.3 Vibrational properties.......................................................................................... 22
2.2.2.4 Cytosine/metal complexes.................................................................................. 23
2.2.2.5 Cytosine/Silicon .................................................................................................. 25
2.2.3 Adenine 26
2.2.3.1 Geometry optimisation........................................................................................ 26
2.2.3.2 Molecular orbitals. Electronic transitions ............................................................ 27
2.2.3.3 Vibrational properties 31
2.2.4 Guanine ....................................................................................................................... 32
2.2.4.1 Geometry optimisation 32
2.2.4.2 Molecular orbitals. Electronic transitions 33
2.2.4.3 Vibrational properties 36
2.3 Summary.............................................................................................................................. 37

3 Structural Properties of DNA Base Films...................................................................38
3.1 Sample preparation.............................................................................................................. 38
3.1.1 Silicon substrates. Low Energy Electron Diffraction.................................................... 38
3.1.2 Biomolecular and metal films ...................................................................................... 41
3.2 Morphology and Structure.................................................................................................... 41
3.2.1 Atomic force microscopy (AFM) characterisation of DNA base films.......................... 41
3.2.2 X-ray diffraction (XRD) characterisation of DNA base films........................................ 43
3.2.3 X-ray reflectivity (XRR) of guanine films...................................................................... 45

4 Vibrational Spectroscopy: Infrared and Raman Spectroscopies ............................46
4.1 Theoretical background........................................................................................................ 46
4.1.1 Infrared absorption ...................................................................................................... 47
4.1.2 Raman scattering 48
4.1.2.1 Surface-enhanced Raman scattering ................................................................. 48
4.1.2.1.1 Electromagnetic enhancement ....................................................................... 49
4.1.2.1.2 Charge transfer enhancement ........................................................................ 49
4.1.3 Molecular vibrations..................................................................................................... 50 Table of Contents 4
4.2 Experimental details............................................................................................................. 51
4.2.1 FTIR experimental set-up............................................................................................ 51
4.2.2 Raman experimental set-up ........................................................................................ 51
4.3 Infrared results ..................................................................................................................... 52
4.3.1 Thymine....................................................................................................................... 53
4.3.2 Cytosine 54
4.3.3 Adenine 55
4.3.4 Guanine 56
4.4 Surface-enhanced Raman spectroscopy results ................................................................. 57
4.4.1 Interaction of cytosine with metals .............................................................................. 57
4.4.2 SER spectra of cytosine films on flat H:Si(111) surfaces............................................ 61
4.4.3 ctra ms on vicinal H:Si(111)-6° surfaces.................................. 64
4.5 Summary.............................................................................................................................. 65

5 Spectroscopic Ellipsometry ........................................................................................67
5.1 Theoretical background........................................................................................................ 67
5.1.1 Light polarisation using different formalisms ............................................................... 68
5.1.1.1 The Jones formalism. Jones vectors and