나노 광학 컨베이어 벨트의 제작 및 운영

다음 실험의 전반적인 목표는 나노 광학 컨베이어 벨트라고도 하는 주소 지정 가능한 플라즈몬 공진기의 선형 어레이의 광학 근거리를 사용하여 서브미크론 유전체 입자를 운반하는 것입니다. 이는 먼저 원하는 경로를 따라 성공적인 운송을 보장하기 위해 소프트웨어로 컨베이어 벨트를 설계함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계로, 전자빔 리소그래피 공정과 템플릿 스트리핑 기술을 사용하여 컨베이어 벨트를 제작합니다.

다음으로, 레이저를 사용하여 컨베이어 벨트 끝에 샘플을 트랩하고 빔 경로에서 반파 플레이트를 회전시켜 입자의 이동을 유도합니다. 결과는 어떤 식으로든 빔 강도 프로파일을 변경하는 것이 아니라 편광 각도의 회전을 기반으로 레이저 빔의 너비를 가로지르는 선형 전송을 보여줍니다. 기존 광학 핀셋에 비해 이 기술의 주요 장점은 운송 동작과 해상도가 빔 스티어링이 아닌 리소그래피를 사용하여 제작된 구조에 따라 달라진다는 것입니다.

이 기술은 온칩 생물학적 분석 및 나노 단위 제조에 적용할 수 있습니다. 이 방법에 대한 아이디어는 바다 조리개에 의해 생성된 광학적 근거리장의 용도를 살펴보았을 때 처음 떠올랐으며, 이 절차를 시연하는 사람은 우리 연구실의 대학원생인 Tiffany Wong이 할 것입니다. 시작하려면 CAD 프로그램을 사용하여 선형 경로를 따라 CS 모양의 다각형의 이중 선형 배열을 생성합니다.

각 쌍의 다각형이 볼록 껍질을 기준으로 30도 플러스 또는 마이너스 90도 연속적으로 회전하도록 설계합니다. 연속적인 쌍을 분리하는 입자 직경을 두 개 이하로 남겨 두고, 한 쌍의 다각형 중심 사이에 이 거리의 90% 이하를 남겨 둡니다. 다음으로, 평면 패턴 치수를 수용하고 패턴 아래 최소 200나노미터, 위로 600나노미터 이상 확장되는 수치 방법 기하학을 작성합니다.

평면 아래의 평면에는 기판을 나타내는 도메인이 포함되고 평면 위의 영역에는 유체 챔버를 나타내는 도메인이 포함되며, 대패 CS 모양의 패턴을 기판 내부로 150나노미터 아래쪽으로 돌출시켜 판화의 내부를 나타내는 3D 도메인을 생성합니다. 그런 다음 원하는 모양의 입자 도메인을 도입합니다. 이 특정 예에서는 직경이 400나노미터인 구를 소개합니다.

다음으로, 최소 500나노미터 두께의 완벽하게 일치하는 레이어를 시뮬레이션의 열린 경계에 추가합니다. 외부 방사선을 흡수하려면 계면 위의 도메인의 전자기 재료 특성을 물의 특성으로, C-sharp 판화 내부의 특성을 수소 에스케 이네의 특성으로, 나머지 재료의 특성을 금의 특성으로 설정하십시오. 마지막으로 입자의 재료 특성을 폴리스티렌의 재료 특성으로 설정합니다.

다음으로 이산화됩니다. 적응형 사면체 메시가 벌크에서 100나노미터를 넘지 않는 시뮬레이션 볼륨입니다. 또한 메시 요소의 최대 크기를 구 표면에서 30나노미터, 조각 표면에서 30나노미터로 제한합니다.

광학 여기(optical excitation)를 위한 중요 구조에 대한 정확도를 높이려면 1064나노미터의 자유 공간 파장을 가진 배경 조화 평면파를 정의합니다. 전기장이 C-sharp 조각의 능선과 정렬되도록 이 파동의 편광을 선택하십시오. 일련의 시뮬레이션에서 산란된 전자기장을 해결하고, 입자의 위치 매개변수를 경로의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 스윕하는 동시에 입자의 고도를 표면에서 불과 몇 나노미터 떨어진 곳에서 일정하게 유지합니다.

다른 CS 형상 방향 각각과 정렬된 입사 편광에 대해 이 계산을 반복하고 해당 각도에서 산란된 전자기장에 대한 솔루션을 얻습니다. 편광과 정렬된 바다가 가장 밝게 빛나는지 확인합니다. 다음으로, 표면 위에 Maxwell 응력 텐서를 적분하고 입자를 닫아 각 위치에서 입자에 가해지는 전자기 알짜 힘을 계산합니다.

텍스트에 설명된 절차를 따라 입자가 안정적으로 포집되고 컨베이어를 따라 성공적으로 전달되도록 하십시오. 편광이 회전함에 따라. 깨끗하게 연마된 실리콘 웨이퍼로 시작합니다.

20-25 방울의 2 % 폴리 메틸 메타 크릴 레이트를 바르십시오. anol 해결책에서 저항하고 5, 40 초 동안 000 분당 회전수에 박막으로 그것을 회전시키십시오. PMMA 레지스트를 섭씨 200도의 핫 플레이트에서 2분 동안 굽습니다.

그런 다음 탈수 속도를 900RPM으로 변경하고 탈수 시간을 1분으로 변경합니다. 수소 스퀴 INE 네거티브 톤 20-25방울을 넣으십시오. 레지스트를 레지스트하고 150나노미터 두께의 필름으로 회전시킨 후 HSQ 레지스트를 섭씨 80도의 핫 플레이트에서 2분 동안 굽습니다.

다음으로, 웨이퍼 홀더에 웨이퍼를 장착하여 전자빔 리소그래피를 준비합니다. 웨이퍼 홀더를 전자빔 리소그래피 노광 도구의 로드 록에 로드하고 진공 펌프를 시작합니다.전자빔 매개변수를 100킬로볼트로 설정하여 800제곱센티미터당 800마이크로쿰의 전압 기반 용량을 가속합니다. 그리고 진공이 설정되고 빔 보정이 완료되면 설계된 어레이의 노출을 시작합니다.

노출된 네거티브 톤을 개발합니다. 웨이퍼를 2.2% 테트라에틸 수산화암모늄 현상액에 90초 동안 담그십시오. 개발하는 동안 개발 시간이 지난 후 10초마다 현상액 접시를 밀어 용액을 부드럽게 교반하고 60초 동안 표면을 물로 씻어내어 즉시 개발을 중단합니다.

그런 다음 마그나트론 스퍼터링을 사용하여 200나노미터 두께의 금 층을 추가한 다음 1000나노미터 두께의 구리 층을 추가합니다. 다음으로, 패턴 장치 영역을 덮는 1cm x 1cm 정사각형의 샘플의 구리 면에 UV 경화 에폭시 한 방울을 펼칩니다. 그런 다음 석영 유리 백플레이트를 구리 표면에 적용하여 패턴 장치 영역을 완전히 덮는지 확인합니다.

백플레이트와 웨이퍼를 평평한 표면에 놓고 UV 플러드 램프로 위에서 에폭시를 약 30분 동안 조명하여 샘플을 경화시킵니다. 그런 다음 석영 백플레이트 주위를 실리콘 웨이퍼까지 점수를 매겨 실리콘 기판에서 장치를 분리하고 기판을 아세톤 수조에 담그십시오. 6-8시간을 기다린 후 아세톤 수조에서 웨이퍼를 제거하고 면도기를 사용하여 조심스럽게 실리콘 기판에서 칩을 들어 올립니다.

이소프로필 알코올로 칩 표면을 청소합니다. 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 시스템을 보정한 후 2-4마이크로리터의 희석된 형광 입자를 깨끗한 덮개 슬립에 놓고 금 표면이 아래를 향하도록 용액 위에 장치를 조심스럽게 놓습니다. 어두운 정렬 표시에 초점을 맞춰 나노 구조에 초점을 맞춥니다.

그런 다음 수은 램프 앞에 좁은 대역 통과 필터를 삽입하여 형광 구슬 흡수 피크에 해당하는 색상 이외의 모든 색상을 차단합니다. 다음으로, 표본 이미징 카메라 앞에 narrow band pass filter를 삽입하여 fluorescent beads emission peak에 해당하는 색상 이외의 모든 색상을 차단합니다. 비드의 형광 이미지에 초점을 맞추고 비드의 평균 드리프트 속도가 초당 10마이크로미터 미만으로 느려질 때까지 기다립니다.

그런 다음 초점이 맞춰진 레이저 빔을 켜고 빔 초점에서 드리프트 비드를 안정적으로 캡처할 수 있을 때까지 레이저 출력을 점차적으로 높입니다. 현미경 스테이지를 스캔하면 중심에서 벗어난 비드를 가두는 데 도움이 될 수 있습니다. 다음으로, 시편 평면의 빔 스폿이 직경이 9미크론으로 확장될 때까지 빔 경로에 내장된 빔 컨트랙터를 조정합니다.

초점이 완전히 맞춰졌을 때, 느슨하게 초점이 맞춰진 빔에 갇힌 비드와 함께 빔 이미지의 빔 스폿 중심을 통과하는 직선 강도 단면으로 이를 측정합니다. microscope stage를 사용하여 기판 패턴을 이동하여 공진기 어레이의 끝이 갇힌 비드 바로 뒤에서 볼 수 있도록 합니다. 근거리 트래핑이 설정되면 레이저 스폿의 중심이 컨베이어 중앙에 더 가깝게 위치하도록 현미경 변환 스테이지를 약간 이동합니다.

빔을 변위시킨 후 레이저 빔 경로에 배치된 중간 플레이트를 약간 회전하여 선형 편광 각도를 회전합니다. 이것은 어레이 아래의 순서로 공진기를 활성화하고 형광 비드에서 제어된 선형 운동을 유도합니다. 입자가 레이저 빔의 가장자리에 도달하면 이전 위치로 다시 점프합니다.

여기에 표시된 것은 한 쌍의 간단한 C-sharp 조각의 주사 전자 현미경 이미지입니다. 후에 발달을 저항하십시오. PMMA를 용해시키고 실리콘 기판을 제거한 후 최종 패턴 전체가 드러납니다.

이 이미지의 라이트 서클은 390나노미터 직경의 폴리스티렌 비드가 5미크론 길이의 나노 광학 컨베이어 벨트를 가로질러 이동할 때의 위치를 보여줍니다. 비드는 광 편광의 회전에 의해 이동되어 나노 금속 CS 모양의 공진기가 컨베이어 벨트의 길이를 가로 질러 비드를 단계적으로 가두고, 위상 플레이트 또는 빔 스티어링과 같은 컨베이어 벨트 위의 오버 헤드 조명을 더 잘 형성하는 방법은 컨베이어 벨트 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 나노 광학 컨베이어 벨트를 설계, 제작 및 작동하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.

고출력 레이저로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으며 이 절차를 수행하는 동안 항상 레이저 안전 고글을 착용해야 한다는 것을 잊지 마십시오.