Fabbricazione e funzionamento di un nano-ottica Nastro trasportatore

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di trasportare particelle dielettriche submicroniche utilizzando il campo ottico vicino di un array lineare di risonatori plasmonici indirizzabili, noto anche come nastro trasportatore nano ottico. Ciò si ottiene progettando prima il nastro trasportatore con il software per garantire il successo del trasporto lungo il percorso desiderato. Come seconda fase, fabbricare il nastro trasportatore utilizzando un processo di litografia a fascio di elettroni e una tecnica di stripping del modello.

Quindi, intrappolare un campione all'estremità del nastro trasportatore utilizzando un laser e ruotare una piastra a semionda nel percorso del raggio per indurre il trasporto della particella. I risultati mostrano un trasporto lineare attraverso l'ampiezza del raggio laser basato sulla rotazione dell'angolo di polarizzazione e non sulla modifica del profilo di intensità del fascio in alcun modo. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto alle pinzette ottiche convenzionali è che il comportamento di trasporto e la risoluzione dipendono da strutture fabbricate utilizzando la litografia e non dall'orientamento del raggio.

Questa tecnica può essere applicata all'analisi biologica su chip e alla produzione su scala nanometrica. Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta quando abbiamo esaminato gli usi del campo vicino ottico prodotto da un'apertura del mare. A dimostrare la procedura sarà Tiffany Wong, una studentessa laureata nel nostro laboratorio. Per iniziare, utilizza un programma CAD per generare una doppia matrice lineare di poligoni a forma di CS lungo un percorso lineare.

Progetta il poligono in ogni coppia in modo che vengano ruotati consecutivamente di 30 gradi più o meno 90 attorno al suo guscio convesso. Non lasciare più di un diametro di particella che separa le coppie consecutive e non lasciare più del 90% di questa distanza tra i centri dei poligoni in una coppia. Successivamente, elabora una geometria del metodo numerico, che si adatti alle dimensioni del modello planare e si estenda almeno 200 nanometri sotto e 600 nanometri sopra il modello.

Il piano sotto il piano include un dominio per rappresentare il substrato e sopra il piano, un dominio per rappresentare la camera del fluido, estrudere il modello a forma di pialla CS a 150 nanometri verso il basso nel substrato, creando domini 3D per rappresentare l'interno delle incisioni. Quindi introdurre un dominio di particelle con la forma desiderata. In questo particolare esempio, introduciamo una sfera con un diametro di 400 nanometri.

Successivamente, aggiungi strati perfettamente abbinati di almeno 500 nanometri di spessore ai confini aperti della simulazione. Per assorbire la radiazione esterna, impostare le proprietà elettromagnetiche del materiale del dominio sopra l'interfaccia a quelle dell'acqua, le proprietà dell'interno delle incisioni C-sharp a quelle dell'idrogeno e le proprietà del materiale rimanente a quelle dell'oro. Infine impostare le proprietà del materiale della particella su quelle del polistirene.

Successivamente discretizzato. Il volume di simulazione con una maglia tetraedrica adattiva non più grande di 100 nanometri nella massa. Inoltre, vincolare la dimensione massima degli elementi della mesh a 30 nanometri sulla superficie della sfera e 30 nanometri sulle superfici di incisione.

Per aumentare la precisione sulle strutture critiche per l'eccitazione ottica, definire un'onda piana armonica di fondo con una lunghezza d'onda nello spazio libero di 1064 nanometri. Scegliere la polarizzazione di quest'onda in modo tale che il campo elettrico sia allineato con la cresta di un'incisione C-sharp. Risolvi i campi elettromagnetici diffusi in una serie di simulazioni, spazzando il parametro di posizione della particella da un'estremità all'altra del percorso mantenendo costante l'altitudine della particella a pochi nanometri dalla superficie.

Ripetere questo calcolo per la polarizzazione incidente allineata con ciascuno degli altri orientamenti della forma CS e ottenere soluzioni per i campi elettromagnetici diffusi a quegli angoli. Verificare che i mari allineati con la polarizzazione si illuminino più intensamente. Quindi, calcola la forza netta elettromagnetica sulla particella in ogni posizione integrando il tensore di sollecitazione di Maxwell su una superficie e chiudendo la particella.

Seguire la procedura descritta nel testo per assicurarsi che la particella venga intrappolata in modo stabile e consegnata con successo lungo il nastro trasportatore. Mentre la polarizzazione ruota. Inizia con un wafer di silicone pulito e lucidato.

Applicare da 20 a 25 gocce di polimetilmetacrilato al 2%. Resist in soluzione di anolo e centrifugarlo in un film sottile a 5.000 RPM per 40 secondi. Post-cottura del resist in PMMA su una piastra calda a 200 gradi Celsius per due minuti.

Quindi modifica la velocità di centrifuga a 900 RPM e la durata della centrifuga a un minuto. Aggiungere da 20 a 25 gocce di idrogeno squi INE tono negativo. Resistere e ruotare il resist in una pellicola di 150 nanometri di spessore dopo aver cotto il resist HSQ su una piastra calda a 80 gradi Celsius per due minuti.

Successivamente, prepararsi per la litografia a fascio di elettroni montando il wafer sul supporto del wafer. Caricare il supporto del wafer nel blocco del carico dello strumento di esposizione per litografia a fascio di elettroni e avviare la pompa a vuoto: impostare i parametri del fascio di elettroni su una dose basata sulla tensione di accelerazione di 100 kilovolt di 800 micro coomes per centimetro quadrato. E una volta stabilito il vuoto e completate le calibrazioni del fascio, iniziare l'esposizione dell'array progettato.

Sviluppa il tono negativo esposto. Resistere immergendo il wafer in una soluzione di sviluppo di idrossido di ammonio tetraetilico al 2,2% per 90 secondi. Durante lo sviluppo, agitare delicatamente la soluzione spingendo il piatto di sviluppo ogni 10 secondi dopo che è trascorso il tempo di posa, interrompere immediatamente lo sviluppo sciacquando la superficie con acqua per 60 secondi.

Quindi utilizzare lo sputtering magnatron per aggiungere uno strato d'oro, spesso 200 nanometri, seguito da uno strato di rame spesso 1000 nanometri. Quindi, stendere una singola goccia di resina epossidica polimerizzabile UV sul lato di rame del campione in un quadrato di un centimetro per un centimetro che copre l'area del dispositivo del modello. Quindi applicare una piastra posteriore in vetro di quarzo sulla superficie del rame, assicurandosi che copra completamente l'area del dispositivo del modello.

Appoggiare la piastra posteriore e il wafer su una superficie piana e illuminare la resina epossidica dall'alto con una lampada UV per circa 30 minuti per polimerizzare il campione. Quindi rilasciare il dispositivo dal substrato di silicio incidendo attorno alla piastra posteriore in quarzo fino al wafer di silicio e immergere il substrato in un bagno di acetone. Dopo aver atteso da sei a otto ore, rimuovi il wafer dal bagno di acetone e usa con cautela un rasoio per staccare il chip dal substrato di silicone.

Pulisci la superficie del chip con alcol isopropilico. Dopo aver calibrato il sistema come descritto nel protocollo di testo allegato, posizionare da due a quattro microlitri di particelle fluorescenti diluite su un vetrino coprioggetti pulito e posizionare con cura il dispositivo sopra la soluzione con la superficie dorata rivolta verso il basso. Concentrati sulle nanostrutture mettendo a fuoco i segni di allineamento scuri.

Inserire quindi un filtro passa banda stretto davanti alla lampada al mercurio, che blocca tutti i colori diversi da quello corrispondente al picco di assorbimento delle perle fluorescenti. Quindi, inserire un filtro passa-banda stretto davanti alla telecamera per l'imaging del campione, che blocca tutti i colori diversi da quello corrispondente al picco di emissione delle perle fluorescenti. Metti a fuoco l'immagine fluorescente delle perle e attendi che la velocità di deriva media delle perle rallenti a meno di 10 micrometri al secondo.

Quindi accendere il raggio laser focalizzato e aumentare gradualmente la potenza di uscita del laser fino a quando non è possibile catturare stabilmente un cordone alla deriva al fuoco del raggio. La scansione del tavolino del microscopio può aiutare a intrappolare una perlina, che è decentrata. Quindi, regolare l'appaltatore del fascio integrato nel percorso del fascio fino a quando il punto del fascio nel piano del campione non si è espanso a nove micron di diametro.

Quando è completamente a fuoco, misurarlo come una sezione trasversale di intensità diritta attraverso il centro del punto del raggio nell'immagine del raggio con un cordone intrappolato dal raggio debolmente focalizzato. Utilizzare il tavolino del microscopio per spostare il modello del substrato in modo che l'estremità di una serie di risonatori possa essere vista direttamente dietro il cordone intrappolato. Una volta stabilito l'intrappolamento in campo vicino, spostare leggermente il tavolino di traslazione del microscopio in modo che il centro dello spot laser risieda più vicino al centro del trasportatore.

Dopo aver spostato il raggio, ruotare leggermente una piastra a metà strada posizionata nel percorso del raggio laser per ruotare l'angolo di polarizzazione lineare. Questo attiverà i risonatori in una sequenza lungo l'array e indurrà un movimento lineare controllato nel cordone fluorescente. Quando una particella raggiunge il bordo del raggio laser, tornerà a una posizione precedente.

Qui è mostrata un'immagine al microscopio elettronico a scansione di una semplice coppia di incisioni C-sharp. Dopo resistere allo sviluppo. Dopo aver sciolto il PMMA e rimosso il substrato di silicio, viene rivelato l'intero modello finale.

Il cerchio di luce in questa immagine mostra la posizione di una perlina di polistirene di 390 nanometri di diametro mentre viaggia attraverso un nastro trasportatore nano ottico lungo cinque micron. Il cordone viene spostato dalla rotazione della polarizzazione della luce, facendo sì che i risonatori nanometallici a forma di CS intrappolino il cordone in modo graduale lungo la lunghezza del nastro trasportatore I metodi per modellare meglio l'illuminazione dall'alto sul nastro trasportatore, ad esempio con piastre di fase o orientamento del fascio, possono migliorare le prestazioni del nastro trasportatore. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come progettare, fabbricare e far funzionare un nastro trasportatore nano ottico.

Non dimenticare che lavorare con laser ad alta potenza può essere estremamente pericoloso e gli occhiali di sicurezza laser devono essere sempre indossati durante l'esecuzione di questa procedura.