ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

次の実験の全体的な目標は、ナノ光学コンベヤーベルトとしても知られる、アドレス指定可能なプラズモニック共振器の線形アレイの光学的近接場を使用して、サブミクロンの誘電体粒子を輸送することです。これは、最初にソフトウェアを使用してコンベアベルトを設計し、目的の経路に沿って輸送を成功させることによって達成されます。第2のステップとして、電子ビームリソグラフィープロセスとテンプレートストリッピング技術を使用してコンベヤーベルトを製造します。

次に、レーザーを使用してコンベヤーベルトの端にサンプルをトラップし、ビーム経路内で半波長板を回転させて粒子の輸送を誘導します。結果は、ビーム強度プロファイルを変更するのではなく、偏光角度の回転に基づいて、レーザービームの幅を横切る線形輸送を示しています。この手法が従来の光ピンセットと比較した場合の主な利点は、輸送挙動と分解能がビームステアリングではなく、リソグラフィーを使用して作製された構造に依存することです。

この手法は、オンチップの生物学的分析やナノスケール製造に適用できます。この方法のアイデアを最初に思いついたのは、海の開口部によって生成される光学的近接場の使用法を調べたときで、その手順を実証するのは、私たちの研究室の大学院生であるティファニー・ウォンです。まず、CADプログラムを使用して、線形パスに沿ってCS形状のポリゴンの二重線形配列を生成します。

各ペアの多角形を、凸包を中心に 30 度プラスマイナス 90 度連続して回転するように設計します。連続するペアを分離するパーティクル直径は 1 つまで、ペアのポリゴン中心間の距離は 90% を超えないようにします。次に、平面パターンの寸法に対応し、パターンの下200ナノメートル以上600ナノメートル上に少なくとも伸びる数値法幾何学を作成します。

平面の下の平面には、基板を表すドメインが含まれ、平面の上の領域には、流体チャンバーを表すドメインがあり、平面のCS形状パターンを基板に150ナノメートル下向きに押し出し、彫刻の内部を表す3Dドメインを作成します。次に、目的の形状の粒子領域を導入します。この例では、直径400ナノメートルの球体を導入します。

次に、シミュレーションの開いた境界に、厚さが少なくとも500ナノメートルの完全に一致した層を追加します。外向きの放射線を吸収するには、界面の上のドメインの電磁材料特性を水の電磁材料特性に、Cシャープ彫刻の内部特性を水素エスクインの特性に、残りの材料の特性を金の特性に設定します。最後に、パーティクルの材料特性をポリスチレンの材料特性に設定します。

次に離散化します。適応四面体メッシュがバルク内で 100 ナノメートル以下のシミュレーション ボリューム。さらに、メッシュ要素の最大サイズを球面で30ナノメートル、彫刻面で30ナノメートルに制限します。

光励起の重要な構造の精度を向上させるには、自由空間波長が 1064 ナノメートルのバックグラウンド高調波平面波を定義します。電界がCシャープ彫刻の隆起部と整列するように、この波の偏光を選択します。散乱した電磁場を一連のシミュレーションで解析し、粒子の位置パラメータをパスの一方の端からもう一方の端までスイープしながら、粒子の高度を表面からわずか数ナノメートルの位置に一定に保ちます。

他の各CS形状の向きに整列した入射偏波についてこの計算を繰り返し、それらの角度で散乱された電磁場の解を求めます。偏光に整列した海が最も明るく照らしていることを確認します。次に、表面上のマクスウェル応力テンソルを積分し、粒子を閉じることにより、各位置での粒子にかかる電磁界の正味の力を計算します。

本文に記載されている手順に従って、パーティクルが安定してトラップされ、コンベヤに沿って正常にハンドオフされることを確認します。偏光が回転するにつれて。きれいに研磨されたシリコンウェーハから始めます。

2%ポリメチルメタクリレートを20〜25滴塗布します。.アノール溶液にレジストし、5, 000 RPMで40秒間薄膜に回転させます。PMMAレジストを200°Cのホットプレートで2分間ポストベークします。

次に、スピン速度を 900 RPM に変更し、スピン時間を 1 分に変更します。水素スクイINEネガティブトーンを20〜25滴加えます。HSQレジストを80°Cのホットプレート上で2分間ベークした後、レジストを150ナノメートルの厚さのフィルムに回転させます。

次に、ウェーハホルダーにウェーハを実装して電子ビームリソグラフィーの準備をします。ウェーハホルダーを電子ビームリソグラフィー露光ツールのロードロックにロードし、真空ポンプを起動します電子ビームパラメータを100キロボルトの加速電圧ベースの線量を800マイクロクーム/センチメートルの二乗に設定します。そして、真空が確立され、ビームキャリブレーションが完了したら、設計されたアレイの露光を開始します。

露出したネガティブトーンを現像します。ウェーハを2.2%テトラエチルアンモニウム水酸化現像液に90秒間浸漬してレジストします。開発中は、現像時間が経過した後、10秒ごとに現像皿を揺さぶって溶液を静かに攪拌し、表面を60秒間水で洗い流して直ちに現像を停止します。

次に、マグナトロンスパッタリングを使用して、厚さ200ナノメートルの金の層を追加し、続いて厚さ1000ナノメートルの銅の層を追加します。次に、UV硬化型エポキシを1滴、サンプルの銅側に1cm×1cm四方でパターンデバイス領域を覆うように広げます。次に、石英ガラスのバックプレートを銅の表面に貼り付け、パターンデバイス領域を完全に覆うことを確認します。

バックプレートとウェーハを平らな面に置き、UVフラッドランプでエポキシを上から約30分間照らしてサンプルを硬化させます。次に、石英バックプレートの周りをシリコンウェーハまでスコアリングしてシリコン基板からデバイスを離し、基板をアセトン浴に浸します。6〜8時間待った後、ウェーハをアセトン浴から取り出し、かみそりを使用してチップをシリコン基板から慎重にこじ開けます。

チップの表面をイソプロピルアルコールで洗浄します。添付のテキストプロトコルに記載されているようにシステムをキャリブレーションした後、2〜4マイクロリットルの希釈した蛍光粒子を清潔なカバースリップに置き、金の表面を下に向けて溶液の上にデバイスを慎重に置きます。暗いアライメントマークに焦点を合わせることで、ナノ構造に焦点を合わせます。

次に、水銀ランプの前にナローバンドパスフィルターを挿入し、蛍光ビーズの吸収ピークに対応する色以外のすべての色を遮断します。次に、試料イメージングカメラの前にナローバンドパスフィルターを挿入し、蛍光ビーズ発光ピークに対応する色以外のすべての色を遮断します。ビーズの蛍光像にピントを合わせ、ビーズの平均ドリフト速度が毎秒10マイクロメートル未満に減速するまで待ちます。

次に、集束したレーザービームをオンにし、ドリフトするビーズがビームの焦点で安定して捕捉できるようになるまで、レーザー出力を徐々に増やします。顕微鏡ステージをスキャンすると、中心から外れたビーズを捕捉するのに役立ちます。次に、ビーム経路に組み込まれたビームコントラクターを調整して、試料面のビームスポットが直径9ミクロンに拡大するまで

完全に焦点が合っているときは、緩く焦点が合ったビームに捕捉されたビードを使用して、ビーム画像のビームスポットの中心を通る直線強度断面としてこれを測定します。顕微鏡ステージを使用して基板パターンを移動させ、共振器の配列の端がトラップされたビーズの真後ろに見えるようにします。近接場トラッピングが確立されたら、レーザースポットの中心がコンベアの中心により近くなるように、顕微鏡の並進ステージをわずかに動かします。

ビームを変位させた後、レーザービーム経路に配置されたハーフウェイプレートをわずかに回転させて、直線偏光の角度を回転させます。これにより、アレイの順番に共振器が活性化され、蛍光ビーズに制御された直線運動が誘導されます。粒子がレーザービームの端に到達すると、粒子は元の位置にジャンプして戻ります。

ここに示されているのは、単純な C シャープの彫刻のペアの走査型電子顕微鏡画像です。レジスト開発後。PMMAを溶解し、シリコン基板を除去した後、最終パターンの全体が明らかになります。

この画像の光の円は、直径390ナノメートルのポリスチレンビーズが、長さ5ミクロンのナノ光学コンベアベルト上を移動する位置を示しています。ビードは、光偏光の回転によって移動され、ナノ金属CS形状共振器がコンベアベルトの長さを横切って段階的にビーズをトラップする方法は、コンベアベルト上のオーバーヘッド照明をより良く形成する方法、例えば、位相プレートまたはビームステアリングを用いて、コンベアベルトの性能を向上させることができる。このビデオを見れば、ナノ光学コンベヤベルトの設計、製造、操作方法について十分に理解できるはずです。

高出力レーザーでの作業は非常に危険である可能性があるため、この手順を実行するときは常にレーザー安全ゴーグルを着用する必要があることを忘れないでください。