Optische Trap-Laden von Dielectric Mikroteilchen in der Luft

Das Ziel dieses Videoprotokolls ist es, zu demonstrieren, wie ein piezoelektrischer Launcher konstruiert und verwendet wird, um die Partikeladhäsion zu überwinden und die Partikelfreisetzung aus dem Substrat zu erleichtern, um eine Mikropartikellevitation in der Luft zu erreichen. Der Vorteil des Abschusses von einer Oberfläche besteht darin, dass das Partikel basierend auf Größe, Form, optischen Eigenschaften oder Ausrichtung ausgewählt werden kann. Letzteres kann nützlich sein, um asymmetrische Partikel einzufangen.

Das wiederholte Einfangen und Landen von Teilchen kann ein neues Werkzeug zur Untersuchung von Fragen der Oberflächenchemie darstellen, wie z. B. der Ladungstransfer während der wiederholten Wechselwirkung des Teilchens. Die Rückkehr des Partikels auf die Oberfläche ermöglicht auch nachfolgende Messungen desselben Partikels mit anderen Methoden, wie z. B. der Rasterelektronenmikroskopie, und ermöglicht auch wiederholte Zyklen des Einfangens und Landens. Zuerst wird ein rechteckiger Rahmen in einer Halterung für einen piezoelektrischen Wandler in 3D gedruckt.

Montieren Sie die schmalen Seiten des Rahmens mit Indiumzinnoxid-beschichtetem Glas und die breiten Seiten und die Oberseite mit herkömmlichem Glas, um das transparente Probengehäuse zu konstruieren. Gießen Sie anschließend eine kleine Portion dielektrischer Mikropartikel mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern auf einen Objektträger. Stellen Sie den Behälter sofort wieder in einen Exsikkator.

Nehmen Sie mit einem Glaskapillarrohr einige der Mikropartikel vom Objektträger auf. Verteilen Sie die Partikel auf einem Deckglas, indem Sie vorsichtig auf das Kapillarrohr klopfen. Verwenden Sie ein Mikroskop, um die Menge und Verteilung der dispergierten Mikropartikel auf dem Substrat zu überprüfen.

Beginnen Sie als Nächstes mit der Montage des Piezo-Launchers, indem Sie eine Isolierfolie auf eine Aluminiumplatte aufbringen. Zentrieren Sie einen piezoelektrischen Ringwandler auf der Platte und stellen Sie sicher, dass er durch die Isolierfolie von der Platte getrennt ist. Setzen Sie den mit Mikropartikeln dispergierten Deckzettel auf den Wandler und lassen Sie einen Kupferring in den 3D-gedruckten Halter einrasten.

Befestigen Sie den Schallkopf mit dem 3D-gedruckten Halter und zwei M6-Schrauben auf der Platte. Kleben Sie das Probengehäuse leicht mit Sekundenkleber auf die Halterung. Montieren Sie die fertige Trägerbaugruppe auf einem XYZ-Translationstisch eines inversen optischen Mikroskops.

Verbinden Sie die piezoelektrischen Wandlerkabel mit dem Spannungsverstärker und den Verstärker mit dem Funktionsgenerator und stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen sicher und ordnungsgemäß geerdet sind. Verbinden Sie den Ausgang der Verstärkerüberwachung mit einem Oszilloskop, um das Spannungssignal des Wandlers zu überwachen. Konfigurieren Sie den Funktionsgenerator so, dass er eine kontinuierliche Rechteckwelle von null bis eins Volt an den Verstärker sendet.

Stellen Sie die Verstärkung des Verstärkers auf 200 Volt pro Volt ein. Richten Sie das Mikroskop so ein, dass es die Mikropartikel in Echtzeit abbildet. Scannen Sie dann manuell die Modulationsfrequenz des Antriebssignals von 0 bis 150 Kilohertz, während Sie die Bewegung der Mikropartikel überwachen.

Die piezoelektrische Baugruppe ist so konzipiert, dass sie eine mechanische Vorspannung auf den Wandler ausübt, um die Resonanzamplitude zu verstärken und Ausfälle zu reduzieren. Frequenzen können helfen, die Resonanzfrequenz des Wandlers zu bestimmen, indem sie das Partikel auf der Oberfläche überwachen. Die Frequenz, bei der die Bewegung der Mikropartikel maximiert wird, ohne dass Teilchen anhaften, ist die Resonanzfrequenz der Trägerrakete.

Wiederholen Sie den Scan bei Bedarf bei niedrigeren Spannungen, um die Resonanzfrequenz genau zu bestimmen. Stellen Sie die Wellenform so ein, dass ein Spannungssignal bei der Resonanzfrequenz mit einer Amplitude von 600 Volt erzeugt wird. Konfigurieren Sie den Funktionsgenerator für eine Rechteckwelle mit 10 bis 20 Zyklen im Burst-Modus.

Prüfen Sie, ob die Partikel nach jedem Impuls freigesetzt werden. Wenn die Partikel nicht freigesetzt werden, erhöhen Sie die Amplitude oder die Anzahl der Zyklen. Entfernen Sie den mit Laser ausgekleideten Filter aus dem Mikroskop, um den Fokus des Fangstrahls auf dem CCD zu lokalisieren.

Optimieren Sie den Fokus, indem Sie die vertikale Position des motorisierten Fokussierblocks anpassen. Tauschen Sie den Filter aus und verschieben Sie die Probe so, dass sich ein ausgewähltes Partikel an der Fokusposition des Überfüllungslasers befindet. Fokussieren Sie auf das Partikel, um das Partikelzentrum abzubilden.

Betätigen Sie den piezoelektrischen Launcher mit mehreren Spannungsimpulsen, um das Teilchen zu starten, und passen Sie die Stromversorgung des Elektroobjektmodulators nach Bedarf an. Wenn das Partikel leicht verschwommen wird und eine Brownsche Bewegung beginnt, ist eine Überfüllung aufgetreten. Der Fokus des Trapping-Balkens ist entscheidend für eine erfolgreiche Trap-Belastung.

Die Platzierung des Pin-Fokus nur wenige Mikrometer unterhalb der Probenebene trägt dazu bei, die Einfangeffizienz zu erhöhen. Wenn sich das Partikel nur geringfügig bewegt und auf dem Substrat scharf bleibt, erhöhen Sie die Einfangleistung. Wenn das Partikel an eine neue Position auf der Oberfläche fliegt, verringern Sie die Leistung.

Sobald das Partikel erfolgreich geladen wurde, bewegen Sie die Objektivlinse nach oben, um das schwebende Partikel etwa einen Millimeter über den Glasdeckglas zu verschieben und Oberflächenwechselwirkungen zu vermeiden. Reduzieren Sie dann die optische Leistung, um das schwebende Teilchen in die stabilere nominale Fangposition zu bringen. Bewegen Sie den Launcher so, dass der Wandlerhalter auf der optischen Achse zentriert ist.

Bewegen Sie die Objektivlinse, um das Partikel vertikal höher in das Probengehäuse zu verschieben. Um mit den Messungen zu beginnen, stellen Sie den Kondensor und die Fokussierlinse ein, bis die Dichtediagramme des Leistungsspektrums der X- und Y-Kanäle gut aufeinander abgestimmt sind. Schließen Sie dann eine Hochspannungsquelle an das Probengehäuse an.

Um die Falleneigenschaften und die Partikelladung zu messen, legen Sie ein elektrostatisches Feld an, um die ballistische Bewegung des Partikels zu erzeugen. Zeichnen Sie das Schrittanregungssignal in der induzierten Teilchenbahn auf. Mittelung der Daten für mehrere Perioden nach Bedarf, um die Auswirkungen der Brownschen Bewegung zu reduzieren.

Bewegen Sie nach der Messung die Objektivlinse nach unten, um das Partikel in der Mitte des Glasabdeckglases zu positionieren und es von den anderen Partikeln getrennt zu halten. Die piezoelektrische Trägeranordnung besteht aus einem transparenten Gehäuse, um das schwebende Teilchen vor Luftströmungen zu schützen, und einem piezoelektrischen Wandler, der das Substrat vibriert, um das Teilchen freizusetzen. Der Gehäuseboden ist offen, so dass das Substrat direkt auf den Schallkopf aufgesetzt werden kann.

Die Mikropartikel können entweder in der Schwebeposition über dem Fokus oder in der Fangposition in der Nähe des Fokus gefangen werden, wo optische Kräfte das Partikel in alle Richtungen stabilisieren. In der Schwebestellung wirkt die Schwerkraft dem nach oben gerichteten Strahlungsdruck entgegen, so dass optische Kräfte das Teilchen nur quer stabilisieren. Bei kleinen Verschiebungen, wie z. B. der Brownschen Bewegung, kann die optische Kraft wie eine lineare Feder behandelt werden.

Die Resonanzfrequenz kann aus dem spektralen Dichtediagramm der Leistung bestimmt werden. Die Steifigkeit und optische Kraft der Falle im linearen Bereich kann dann aus der Resonanzfrequenz, der bekannten Masse und der gemessenen Verschiebung berechnet werden. Kräfte über größere Verdrängungsbereiche können aus der induzierten ballistischen Bewegung im angelegten elektrischen Feld bestimmt werden.

Die Analyse der ballistischen Verschiebung mit der Einschwingverhaltensmethode ergibt die Resonanzfrequenz, die Dämpfung und die stationäre Verschiebung. Nichtlineare Kräfte können mit der parametrischen Kraftmethode ermittelt werden. Dieser Ansatz, Mikropartikel schweben zu lassen, ermöglicht Präzisionsmessungen mit Partikeln, die nach Größe, Form oder Materialeigenschaften ausgewählt wurden, und ermöglicht auch nachfolgende Messungen an denselben Partikeln.

Mit dieser Methode kann das Starten und Landen eines Teilchens über Hunderte von Zyklen wiederholt werden. Dies wird auch empfindliche Untersuchungen der Wechselwirkung von Teilchenoberflächen ermöglichen, wie z. B. die Kontaktelektrifizierung mit Einzelelektronenempfindlichkeit.