Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

Die Skalierbarkeit und Auflösung herkömmlicher optischer Manipulationstechniken sind durch Beugung begrenzt. Wir umgehen die Beugungsgrenze und beschreiben eine Methode zum optischen Transport von Nanopartikeln über einen Chip unter Verwendung einer Goldoberfläche, die mit einem Pfad aus eng beieinander liegenden C-förmigen plasmonischen Resonatoren strukturiert ist.

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, dielektrische Teilchen im Submikrometerbereich unter Verwendung des optischen Nahfelds eines linearen Arrays von adressierbaren plasmonischen Resonatoren zu transportieren, das auch als nanooptisches Förderband bezeichnet wird. Dies wird erreicht, indem das Förderband zunächst mit einer Software konstruiert wird, um einen erfolgreichen Transport auf dem gewünschten Weg zu gewährleisten. In einem zweiten Schritt wird das Förderband mit einem Elektronenstrahllithographie-Verfahren und einer Template-Stripping-Technik hergestellt.

Als nächstes fangen Sie eine Probe mit einem Laser am Ende des Förderbandes ein und drehen eine Halbwellenplatte im Strahlengang, um den Transport des Partikels zu induzieren. Die Ergebnisse zeigen einen linearen Transport über die Breite des Laserstrahls, der auf der Drehung des Polarisationswinkels beruht und nicht auf einer Veränderung des Strahlintensitätsprofils. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber herkömmlichen optischen Pinzetten besteht darin, dass das Transportverhalten und die Auflösung von lithographisch hergestellten Strukturen und nicht von der Strahllenkung abhängen.

Diese Technik kann auf die biologische On-Chip-Analyse und die Herstellung im Nanomaßstab angewendet werden. Wir hatten die Idee zu dieser Methode, als wir uns mit der Verwendung des optischen Nahfelds befassten, das von einer Meeresblende erzeugt wird. Tiffany Wong, eine Doktorandin in unserem Labor, wird das Verfahren demonstrieren. Verwenden Sie zunächst ein CAD-Programm, um ein doppeltes lineares Array von CS-förmigen Polygonen entlang eines linearen Pfads zu generieren.

Gestalten Sie die Polygone in jedem Paar so, dass sie nacheinander um 30 plus oder minus 90 Grad um die konvexe Hülle gedreht werden. Lassen Sie nicht mehr als einen Partikeldurchmesser zwischen aufeinanderfolgenden Paaren und nicht mehr als 90 % dieses Abstands zwischen den Polygonmittelpunkten in einem Paar. Als nächstes erstellen Sie eine numerische Methodengeometrie, die die Abmessungen des planaren Musters berücksichtigt und sich mindestens 200 Nanometer unter und 600 Nanometer über das Muster erstreckt.

Die Ebene unterhalb der Ebene enthält eine Domäne, um das Substrat darzustellen, und über der Ebene, eine Domäne, um die Flüssigkeitskammer darzustellen, extrudieren Sie das Hobel-CS-förmige Muster 150 Nanometer nach unten in das Substrat, wodurch 3D-Domänen erstellt werden, um das Innere der Gravuren darzustellen. Führen Sie dann eine Partikeldomäne mit der gewünschten Form ein. In diesem speziellen Beispiel stellen wir eine Kugel mit einem Durchmesser von 400 Nanometern vor.

Fügen Sie als Nächstes perfekt aufeinander abgestimmte Schichten mit einer Dicke von mindestens 500 Nanometern zu den offenen Grenzen der Simulation hinzu. Um die nach außen gerichtete Strahlung zu absorbieren, stellt man die elektromagnetischen Materialeigenschaften des Bereichs oberhalb der Grenzfläche auf die des Wassers, die Eigenschaften des Inneren der cis-Gravuren auf die des Wasserstoffs und die Eigenschaften des restlichen Materials auf die des Goldes ein. Stellen Sie abschließend die Materialeigenschaften des Partikels auf die von Polystyrol ein.

Als nächstes diskretisiert. Das Simulationsvolumen mit einem adaptiven Tetraedernetz ist nicht größer als 100 Nanometer im Volumen. Beschränken Sie außerdem die maximale Größe der Netzelemente auf 30 Nanometer auf der Kugeloberfläche und 30 Nanometer auf den Gravuroberflächen.

Um die Genauigkeit kritischer Strukturen für die optische Anregung zu erhöhen, definieren Sie eine Hintergrundwelle der harmonischen Ebene mit einer Freiraumwellenlänge von 1064 Nanometern. Wählen Sie die Polarisation dieser Welle so, dass das elektrische Feld mit dem Grat einer Cis-Gravur ausgerichtet ist. Lösen Sie die gestreuten elektromagnetischen Felder in einer Reihe von Simulationen auf, indem Sie den Positionsparameter des Teilchens von einem Ende des Pfades zum anderen ziehen, während die Höhe des Teilchens in nur wenigen Nanometern über der Oberfläche konstant bleibt.

Wiederholen Sie diese Berechnung für die einfallende Polarisation, die mit jeder der anderen CS-Formorientierungen ausgerichtet ist, und erhalten Sie Lösungen für die gestreuten elektromagnetischen Felder in diesen Winkeln. Vergewissern Sie sich, dass die Meere, die auf die Polarisation ausgerichtet sind, am hellsten leuchten. Berechnen Sie als Nächstes die elektromagnetische Nettokraft auf das Partikel an jeder Position, indem Sie den Maxwell-Spannungstensor über eine Oberfläche integrieren und das Partikel schließen.

Befolgen Sie das im Text beschriebene Verfahren, um sicherzustellen, dass das Partikel sowohl stabil eingefangen als auch erfolgreich über das Förderband übergeben wird. Wenn sich die Polarisation dreht. Beginnen Sie mit einem sauberen, polierten Siliziumwafer.

Tragen Sie 20 bis 25 Tropfen eines 2%igen Polymethylmethacrylats auf. Widerstehen Sie in einer Anol-Lösung und schleudern Sie sie 40 Sekunden lang bei 5.000 U/min zu einem dünnen Film. Nach dem Backen des PMMA-Resists auf einer heißen Platte bei 200 Grad Celsius für zwei Minuten.

Ändern Sie dann die Schleuderdrehzahl auf 900 U/min und die Schleuderdauer auf eine Minute. Fügen Sie 20 bis 25 Tropfen Wasserstoff squi INE negativen Ton hinzu. Resistieren und schleudern Sie den Resist zu einem 150 Nanometer dicken Film, nachdem Sie den HSQ-Resist zwei Minuten lang auf einer heißen Platte bei 80 Grad Celsius gebacken haben.

Bereiten Sie sich anschließend auf die Elektronenstrahllithographie vor, indem Sie den Wafer auf den Waferhalter montieren. Laden Sie den Waferhalter in die Lastschleuse des Elektronenstrahllithographie-Belichtungswerkzeugs und starten Sie die Vakuumpumpe. Stellen Sie die Elektronenstrahlparameter auf 100 Kilovolt ein, um die spannungsbasierte Dosis von 800 Mikrokoomen pro Quadratzentimeter zu beschleunigen. Sobald ein Vakuum aufgebaut und die Strahlkalibrierung abgeschlossen ist, beginnen Sie mit der Belichtung des entworfenen Arrays.

Entwickeln Sie den exponierten negativen Ton. Tauchen Sie den Wafer 90 Sekunden lang in eine Entwicklerlösung mit 2,2 % Tetraethylammoniumhydroxid. Rühren Sie die Lösung während der Entwicklung vorsichtig um, indem Sie die Entwicklerschale alle 10 Sekunden nach Ablauf der Entwicklungszeit anstoßen, und stoppen Sie die Entwicklung sofort, indem Sie die Oberfläche 60 Sekunden lang mit Wasser spülen.

Verwenden Sie dann das Magnatron-Sputtern, um eine 200 Nanometer dicke Goldschicht hinzuzufügen, gefolgt von einer 1000 Nanometer dicken Kupferschicht. Verteilen Sie anschließend einen einzelnen Tropfen UV-härtendes Epoxidharz auf der Kupferseite der Probe in einem Quadrat von einem Zentimeter x einem Zentimeter, das den Bereich des Mustergeräts bedeckt. Bringen Sie dann eine Quarzglas-Rückplatte auf die Kupferoberfläche an und stellen Sie sicher, dass sie den Bereich des Mustergeräts vollständig abdeckt.

Legen Sie die Backplate und den Wafer auf eine ebene Fläche und beleuchten Sie das Epoxidharz von oben mit einer UV-Flutlampe für ca. 30 Minuten, um die Probe auszuhärten. Lösen Sie dann das Gerät vom Siliziumsubstrat, indem Sie um die Quarz-Backplate herum bis zum Siliziumwafer ritzen und das Substrat in ein Acetonbad tauchen. Nachdem Sie sechs bis acht Stunden gewartet haben, nehmen Sie den Wafer aus dem Acetonbad und hebeln Sie den Chip vorsichtig mit einem Rasierer vom Silikonsubstrat ab.

Reinigen Sie die Oberfläche des Chips mit Isopropylalkohol. Nachdem Sie das System wie im Begleittextprotokoll beschrieben kalibriert haben, geben Sie zwei bis vier Mikroliter verdünnte fluoreszierende Partikel auf einen sauberen Deckglas und legen Sie das Gerät vorsichtig mit der Goldoberfläche nach unten auf die Lösung. Fokussieren Sie sich auf die Nanostrukturen, indem Sie die dunklen Ausrichtungsmarkierungen in den Fokus rücken.

Setzen Sie dann einen schmalen Bandpassfilter vor die Quecksilberlampe ein, der alle Farben außer denen, die der Absorptionsspitze der Leuchtstoffkügelchen entsprechen, blockiert. Setzen Sie anschließend einen Schmalbandpassfilter vor der Probenbildkamera ein, der alle Farben außer denen, die dem Emissionsmaximum der Fluoreszenzkügelchen entsprechen, blockiert. Bringen Sie das Fluoreszenzbild der Kügelchen in den Fokus und warten Sie, bis sich die durchschnittliche Driftgeschwindigkeit der Kügelchen auf weniger als 10 Mikrometer pro Sekunde verlangsamt

Schalten Sie dann den fokussierten Laserstrahl ein und erhöhen Sie allmählich die Ausgangsleistung des Lasers, bis eine driftende Perle stabil am Strahlfokus erfasst werden kann. Das Scannen des Mikroskoptisches kann helfen, eine Perle einzufangen, die nicht mittig ist. Stellen Sie als Nächstes den in den Strahlengang eingebauten Strahlkontraktor ein, bis sich der Strahlfleck in der Probenebene auf einen Durchmesser von neun Mikrometern ausgedehnt hat.

Wenn es vollständig scharf ist, messen Sie dies als geraden Intensitätsquerschnitt durch die Mitte des Strahlpunkts im Strahlbild, wobei eine Perle vom lose fokussierten Strahl eingefangen wird. Verwenden Sie den Mikroskoptisch, um das Substratmuster so zu bewegen, dass das Ende eines Arrays von Resonatoren direkt hinter der gefangenen Perle zu sehen ist. Nachdem die Nahfeldfänge eingerichtet wurden, bewegen Sie den Mikroskop-Translationstisch leicht, so dass sich die Mitte des Laserspots näher an der Mitte des Förderbandes befindet.

Drehen Sie nach dem Verschieben des Strahls eine halbe Platte, die sich im Laserstrahlengang befindet, leicht, um den linearen Polarisationswinkel zu drehen. Dadurch werden Resonatoren in einer Sequenz entlang des Arrays aktiviert und eine kontrollierte lineare Bewegung in der Fluoreszenzperle induziert. Wenn ein Partikel den Rand des Laserstrahls erreicht, springt es an eine vorherige Position zurück.

Hier ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines einfachen Paares von Cis-Gravuren zu sehen. Nach der Entwicklung des Resists. Nach dem Auflösen des PMMA und dem Entfernen des Silikonsubstrats wird das gesamte endgültige Muster freigelegt.

Der Lichtkreis in diesem Bild zeigt die Position einer Polystyrolkugel mit einem Durchmesser von 390 Nanometern, die sich über ein nanooptisches Förderband mit einer Länge von fünf Mikrometern bewegt. Die Perle wird durch die Rotation der Lichtpolarisation bewegt, wodurch die nanometallischen CS-förmigen Resonatoren die Perle schrittweise über die Länge des Förderbandes einfangen. Methoden, um die Überkopfbeleuchtung über dem Förderband besser zu formen, wie z. B. mit Phasenplatten oder Strahllenkung, können die Leistung des Förderbandes verbessern. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein nanooptisches Förderband entwirft, herstellt und bedient.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Hochleistungslasern extrem gefährlich sein kann und bei diesem Verfahren immer eine Laserschutzbrille getragen werden sollte.