Produkcja i eksploatacja nanooptycznego przenośnika taśmowego

Podsumowanie

Skalowalność i rozdzielczość konwencjonalnych technik manipulacji optycznej są ograniczone przez dyfrakcję. Obchodzimy granicę dyfrakcji i opisujemy metodę optycznego transportu nanocząstek przez chip za pomocą złotej powierzchni z wzorem ścieżki blisko rozmieszczonych rezonatorów plazmonicznych w kształcie litery C.

Streszczenie

Technika wykorzystania skupionych wiązek laserowych do uwięzienia i wywierania sił na małe cząstki umożliwiła wiele kluczowych odkryć w nanoskalowych naukach biologicznych i fizycznych w ciągu ostatnich kilku dekad. Postęp poczyniony w tej dziedzinie zachęca do dalszych badań nad jeszcze mniejszymi systemami i na większą skalę, z wykorzystaniem narzędzi, które mogłyby być łatwiej dystrybuowane i szerzej dostępne. Niestety, podstawowe prawa dyfrakcji ograniczają minimalny rozmiar ogniska wiązki laserowej, co sprawia, że cząstki o średnicy mniejszej niż połowa długości fali są trudne do uchwycenia i generalnie uniemożliwiają operatorowi rozróżnienie cząstek, które są bliżej siebie niż połowa długości fali. Wyklucza to optyczną manipulację wieloma blisko rozmieszczonymi nanocząstkami i ogranicza rozdzielczość układów optyczno-mechanicznych. Ponadto manipulacja za pomocą skupionych wiązek wymaga układu optycznego kształtującego wiązkę lub sterującego, co może być bardzo nieporęczne i kosztowne. Aby rozwiązać te problemy związane ze skalowalnością systemu konwencjonalnego pułapkowania optycznego, nasze laboratorium opracowało alternatywną technikę, która wykorzystuje optykę bliskiego pola do przemieszczania cząstek po chipie. Zamiast skupiać wiązki laserowe w dalekim polu, bliskie pole optyczne rezonatorów plazmonicznych wytwarza niezbędne lokalne wzmocnienie intensywności optycznej, aby przezwyciężyć ograniczenia dyfrakcji i manipulować cząstkami w wyższej rozdzielczości. Blisko rozmieszczone rezonatory wytwarzają silne pułapki optyczne, które można zaadresować tak, aby pośredniczyły w przekazywaniu cząstek z jednego do drugiego w sposób podobny do przenośnika taśmowego. W tym miejscu opisujemy, jak zaprojektować i wyprodukować przenośnik taśmowy przy użyciu złotej powierzchni z plazmonicznymi rezonatorami w kształcie litery C oraz jak obsługiwać go za pomocą spolaryzowanego światła laserowego, aby uzyskać manipulację i transport nanocząstek o superrozdzielczości. Nanooptyczny chip przenośnika taśmowego może być wytwarzany przy użyciu technik litograficznych i łatwo pakowany i dystrybuowany.

Wprowadzenie

Wychwytywanie, przesłuchiwanie i manipulowanie pojedynczymi nanocząstkami nabiera coraz większego znaczenia w nanotechnologii. Pęseta optyczna stała się szczególnie skuteczną techniką manipulacji w eksperymentach z zakresu biologii molekularnej^1-4, chemii^5-7 i nanomontażu^7-10, gdzie umożliwiła przełomowe eksperymenty, takie jak pomiar właściwości mechanicznych pojedynczych cząsteczek^DNA4 i sortowanie komórek według ich właściwości optycznych11,12. Odkrycia na tych granicach otwierają badania nad jeszcze mniejszymi systemami i torują drogę do inżynierii nowych, praktycznie korzystnych produktów i technik. Z kolei ten trend napędza potrzebę nowych technik manipulowania mniejszymi, bardziej prymitywnymi cząstkami. Ponadto istnieje nacisk na tworzenie urządzeń typu "lab-on-a-chip", które będą wykonywać te funkcje taniej i w mniejszym opakowaniu, aby umożliwić przeprowadzanie testów chemicznych i biologicznych poza laboratorium i wprowadzanie ich w teren do celów medycznych i innych^13,14.

Niestety, konwencjonalne pułapkowanie optyczne (COT) nie jest w stanie sprostać wszystkim rosnącym wymaganiom nanotechnologii. COT działa w oparciu o mechanizm wykorzystujący soczewkę obiektywową o wysokiej aperturze numerycznej (NA) do skierowania światła laserowego do ciasnej ostrości, tworząc zlokalizowany szczyt intensywności optycznej i wysokie gradienty energii pola elektromagnetycznego. Te gradienty gęstości energii wywierają siłę wypadkową na cząstki rozpraszające światło, co na ogół przyciąga je w kierunku środka ogniska. Wychwytywanie mniejszych cząstek wymaga większej mocy optycznej lub ściślejszego skupienia. Jednak skupione wiązki światła są zgodne z zasadą dyfrakcji, która ogranicza minimalny rozmiar ogniska i wyznacza górną granicę gradientu gęstości energii. Ma to dwie bezpośrednie konsekwencje: COT nie jest w stanie skutecznie uwięzić małych obiektów, a COT ma problemy z rozróżnieniem blisko rozmieszczonych cząstek, co jest ograniczeniem rozdzielczości wychwytywania znanym jako problem "grubych palców". Ponadto implementacja wychwytywania wielu cząstek za pomocą COT wymaga systemów optyki sterujących wiązką lub przestrzennych modulatorów światła, komponentów, które drastycznie zwiększają koszt i złożoność systemu pułapki optycznej.

Jednym ze sposobów na obejście podstawowych ograniczeń konwencjonalnych skupionych wiązek światła, o których mówi się, że rozchodzą się w dalekim polu, jest wykorzystanie gradientów optycznej energii elektromagnetycznej w bliskim polu. Bliskie pole rozpada się wykładniczo z dala od źródeł pól elektromagnetycznych, co oznacza, że nie tylko jest silnie zlokalizowane w stosunku do tych źródeł, ale także wykazuje bardzo wysokie gradienty gęstości energii. Wykazano, że bliskie pola rezonatorów nanometalicznych, takich jak otwory w muszce, nano filary i grawerunki w kształcie litery C, wykazują niezwykłą koncentrację energii elektromagnetycznej, dodatkowo wzmocnioną przez plazmoniczne działanie złota i srebra w bliskiej podczerwieni i optyce. Rezonatory te zostały wykorzystane do wychwytywania bardzo małych cząstek z wysoką wydajnością i rozdzielczością^15-22. Chociaż technika ta okazała się skuteczna w wychwytywaniu małych cząstek, okazało się również, że jej zdolność do transportu cząstek na znaczne odległości, co jest konieczne, jeśli systemy bliskiego pola mają łączyć się z systemami dalekiego pola lub mikroprzepływami.

Ostatnio nasza grupa zaproponowała rozwiązanie tego problemu. Gdy rezonatory są umieszczone bardzo blisko siebie, cząstka może w zasadzie migrować z jednej pułapki optycznej bliskiego pola do drugiej, nie będąc uwalnianą z powierzchni. Kierunek transportu można określić, jeśli sąsiednie pułapki można włączać i wyłączać oddzielnie. Liniowy układ trzech lub więcej adresowalnych rezonatorów, w którym każdy rezonator jest wrażliwy na polaryzację lub długość fali światła inną niż jego sąsiedzi, działa jak optyczny przenośnik taśmowy, transportując nanocząstki na odległość kilku mikronów na chipie.

Tak zwany 'Nano-Optyczny Przenośnik Taśmowy' (NOCB) jest unikalny wśród schematów pułapkowania rezonatorów plazmonicznych, ponieważ nie tylko może utrzymywać cząstki w miejscu, ale może również przemieszczać je z dużą prędkością wzdłuż wzorzystych torów, zbierać lub rozpraszać cząstki, mieszać je i kolejkować, a nawet sortować według właściwości, takich jak ich mobilność²³. Wszystkie te funkcje są kontrolowane poprzez modulację polaryzacji lub długości fali oświetlenia, bez potrzeby stosowania optyki sterującej wiązką. Jako pułapka optyczna bliskiego pola, rozdzielczość pułapki NOCB jest wyższa niż w przypadku konwencjonalnych pułapek optycznych ze skupioną wiązką, dzięki czemu może rozróżniać cząstki znajdujące się w bliskiej odległości; ponieważ wykorzystuje metalową nanostrukturę do koncentracji światła w studni pułapkowej, jest energooszczędny i nie wymaga drogich komponentów optycznych, takich jak obiektyw o wysokim współczynniku nanoaści. Co więcej, wiele NOCB może pracować równolegle, przy dużej gęstości upakowania, na tym samym podłożu, a 1 W mocy może napędzać ponad 1200 otworów²³.

Niedawno zademonstrowaliśmy pierwszy sterowany polaryzacją NOCB, płynnie napędzający nanocząstkę tam i z powrotem wzdłuż ścieżki 4,5 μm²⁴. W tym artykule przedstawiamy kroki niezbędne do zaprojektowania i wytworzenia urządzenia, jego optycznej aktywacji oraz odtworzenia eksperymentu transportowego. Mamy nadzieję, że szersze udostępnienie tej techniki pomoże wypełnić lukę w rozmiarach między mikrofluidyką, optyką dalekiego pola oraz urządzeniami i eksperymentami w nanoskali.

Protokół

1. Projektowanie matrycy grawerowanej w kształcie litery C (CSE)

1. Zaprojektuj wzór macierzy.

Rysunek 1. Układ CSE. Przedstawienie powtarzalnego elementu taśmy przenośnika. Pomyślny transport osiągnięto przy d_y = 320 nm i d_x = 360 nm. Sąsiednie pary grawerunków mają względne przesunięcie obrotowe o 60º. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

1. Wyznacz pożądaną ścieżkę przemieszczania się cząstek na płaskim podłożu.
2. Za pomocą programu CAD wygeneruj podwójną liniową macierz wielokątów w kształcie litery C wzdłuż tej ścieżki, przy czym każdy wielokąt w każdej parze jest kolejno obrócony o 30 ± 90° wokół swojej wypukłej otoczki, jak pokazano na Rysunku 1. Ponieważ objętość cząstki w przybliżeniu określa jej zasięg przekazania²², zachowaj odstęp między kolejnymi parami nie większy niż średnica jednej cząstki, a odległość między środkami wielokątów w parze nie większa niż 90% tej wartości.
   Uwaga: Dla odniesienia, poprzednie badania wskazały, że sfery polistyrenowe o średnicy 390 nm i większej są najbardziej odpowiednie do transportu wzdłuż takiej macierzy CSE. Możliwe jest manipulowanie koralkami o rozmiarze nawet 200 nm, choć nie jest to proces niezawodny. Z kolei koralbeki o średnicy powyżej 500 nm wykazują silniejsze siły konkurencyjne pod wpływem skupionego wiązki światła.

2. Zweryfikuj siły przekazania wzdłuż wzoru macierzy, stosując metodę numeryczną do rozwiązania równań Maxwella. Chociaż opisana tutaj procedura odnosi się do metody elementów skończonych (FEM) zaimplementowanej w komercyjnym oprogramowaniu COMSOL, metodę tę można dostosować do innych metod numerycznych i implementacji.
   1. Szkic geometryjny dla metody numerycznej w taki sposób, aby pomieścił on wymiary wzoru planarnego i rozciągał się co najmniej 200 nm poniżej płaszczyzny wzoru oraz 600 nm powyżej płaszczyzny. Poniżej płaszczyzny wprowadź obszar reprezentujący podłoże, a powyżej płaszczyzny obszar reprezentujący komorę z cieczą. Wytłocz planarny wzór w kształcie litery C na głębokość 150 nm w dół do podłoża, tworząc obszary 3D reprezentujące wnętrza grawerunków. Wprowadź obszar cząstki o pożądanym kształcie.
      1. Upewnij się, że pomiędzy górną częścią cząstki a sufitem objętości symulacji znajduje się co najmniej 200 nm przestrzeni i w razie potrzeby dostosuj zakresy symulacji. Dodaj warstwy idealnie dopasowane (PML) o grubości co najmniej 500 nm do otwartych granic symulacji w celu pochłaniania promieniowania wychodzącego.
   2. Ustaw elektromagnetyczne właściwości materiałowe obszaru powyżej interfejsu zgodnie z właściwościami wody, właściwości środowiska wewnątrz grawerunków w kształcie litery C zgodnie z właściwościami silsesquioxanu wodoru (HSQ), a właściwości pozostałego materiału zgodnie z właściwościami złota. Ustaw właściwości materiałowe cząstki zgodnie z właściwościami polistyrenu lub innego wybranego materiału. Dla uproszczenia zastosuj liniowe modele materiałów elektromagnetycznych.
      Uwaga: Przykładowa kompletna geometria 3D przedstawiona jest na Rysunku 2. W tym przypadku obszary materiałowe PML na granicach Kartezjańskich ±x, ±y i +z pochłaniają pola, które powinny propagować do nieskończoności. Grubość PML zdefiniowano jako 5-krotność maksymalnego rozmiaru elementu siatki tetraedrycznej, co odpowiada 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Jeśli przenikalność elektryczna ɛ_r i przenikalność magnetyczna µ_r są wymagane jako dane wejściowe dla stosowanego solvera numerycznego, przyjmij względną przenikalność elektryczną 1,96 dla HSQ, 1,77 dla wody oraz -52,15 - 3,57i dla złota. Wszystkie względne przenikalności magnetyczne ustaw na 1. Jeśli wymagana jest inna elektromagnetyczna właściwość materiałowa niż przenikalność elektryczna i magnetyczna, wykorzystaj te wartości do wyprowadzenia wymaganych danych wejściowych zgodnie ze standardowymi tożsamościami elektromagnetycznymi. Zastosuj odpowiedni znak części urojonej złota zgodnie z konwencją znaku harmonicznego czasu dla solvera numerycznego (powinien być on ujemny przy konwencji exp(+iωt) i dodatni przy konwencji exp(-iωt)).

Rysunek 2. Geometria symulacji. Przykład geometrii symulacji numerycznej w komercyjnym oprogramowaniu do metody elementów skończonych COMSOL. Symulowane są dwa okresy taśmy transportowej z d_y = 320 nm i d_x = 360 nm oraz sfera o średnicy 500 nm. Zacieniowane obszary materiałowe to a) HSQ, b) polistyren, c) złoto i d) woda. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

4. Przeprowadź dyskretyzację objętości symulacji za pomocą adaptacyjnej siatki tetraedrycznej. Ogranicz maksymalny rozmiar elementów siatki w objętości głównej do wartości nieprzekraczającej 100 nm. Ponadto, aby zwiększyć dokładność odwzorowania struktur krytycznych, ogranicz maksymalny rozmiar elementów siatki do 30 nm na powierzchni sfery oraz 30 nm na powierzchniach grawerunków. Należy zastosować umiarkowaną stopę wzrostu siatki wynoszącą około 1,4, aby zachować jakość elementów siatki w tych obszarach; można również zdefiniować minimalny rozmiar siatki w objętości, aby ograniczyć nieprzewidywalne zachowanie adaptacyjnej siatki.
5. W celu wzbudzenia optycznego zdefiniuj tło w postaci harmonicznej fali płaskiej o długości fali w próżni 1 064 nm, która pada prostopadle i odbija się od płaskiego podłoża złotego, tak jak gdyby grawerunki i cząstka były nieobecne. Do obliczenia współczynników odbicia i transmisji fali płaskiej wykorzystaj równania Fresnela obliczone dla kąta padania prostopadłego. Wybierz polaryzację tej fali tak, aby pole elektryczne było wyrównane z grzbietem grawerunku w kształcie litery C. Znormalizuj natężenie fali płaskiej do wartości 1 mW/µm².
6. Oblicz rozproszone pola elektromagnetyczne w serii symulacji, zmieniając parametr pozycji cząstki od jednego końca ścieżki do drugiego, utrzymując stałą wysokość cząstki na poziomie zaledwie kilku nanometrów nad powierzchnią. Wysokości rzędu 5 nm mają tendencję do przewidywania bardzo silnych potencjałów pułapkowania, podczas gdy większe wysokości wskazują na gładsze potencjały pułapkowania. W rzeczywistości ruchy Browna zapewnią, że rzeczywista cząstka będzie przemieszczać się na różnych wysokościach nad powierzchnią.
   Uwaga: Zasoby obliczeniowe i czas będą się różnić w zależności od rozmiaru systemu numerycznego, zastosowanej metody numerycznej oraz sprzętu komputerowego.
7. Powtórz kroki 1.2.5 i 1.2.6 dla polaryzacji wyrównanej z każdą z dwóch pozostałych, odmiennych polaryzacyjnie orientacji kształtu C, ponieważ kąt polaryzacji jest brany modulo 180°.
8. Dla każdej symulacji w trzech seriach oblicz wypadkową siłę działającą na cząstkę poprzez całkowanie strumienia tensora naprężeń Maxwella-Minkowskiego przez powierzchnię, która całkowicie otacza cząstkę, ale nie przecina żadnych granic między materiałami.
9. Dla każdej polaryzacji oblicz pracę wykonaną przeciwko siłom optycznym, wykonując całkę po ścieżce z ujemnej wypadkowej siły optycznej wzdłuż drogi, którą porusza się cząstka w każdej serii, jak pokazano na Rysunku 3.

Rycina 3. Weryfikacja pułapkowania. Stabilne pułapkowanie można wykazać poprzez wykreślenie potencjału optycznego stanów aktywacji. Dla uproszczenia przeanalizowano pojedynczy okres składający się z zaledwie trzech CSE. Rzeczywiście, całkowita głębokość pułapki jest wystarczająca (> 10 k_BT) do stabilnego pułapkowania w grawerowaniu aktywowanym dla każdego stanu A, B i C. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 4. Weryfikacja przekazywania. Przekazywanie można zademonstrować, wykreślając sekwencyjnie potencjał optyczny starych (jasnoczerwonych) i nowych (intensywnie czerwonych) stanów aktywacji. Dla uproszczenia przeanalizowano pojedynczy okres składający się z zaledwie trzech CSE. Podczas przekazywania z A do B oraz z B do C bariera potencjału w kierunku pożądanego ruchu między tymi dwiema pozycjami jest zarówno mała (1 k_BT), jak i mniejsza niż w kierunku przeciwnym, co wskazuje na prawdopodobieństwo kontrolowanego przekazywania. Przekazywanie z C do A jest najtrudniejsze, ponieważ bariera między pułapkami pozostaje znaczna przy wszystkich polaryzacjach. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

10. Zweryfikuj dla każdej polaryzacji A, B i C, czy po obu stronach minimum potencjału w każdym okresie trzech elementów C znajduje się bariera energetyczna o wysokości co najmniej 10 k_BT. Wizualną identyfikację minimów potencjału i barier przedstawiono na Rysunku 3.
    Uwaga: Ten krok pozwala określić, czy cząstka zostanie stabilnie uwięziona na zaproponowanym przenośniku bez przeskakiwania w przód i w tył. Ze względu na liniowość fal elektromagnetycznych i zastosowanie liniowych modeli materiałowych, bariera energetyczna jest proporcjonalna do natężenia wzbudzającej płaskiej fali.
11. Zweryfikuj, czy bariery energetyczne między sąsiednimi pułapkami A i B spadają poniżej 1 k_BT, gdy polaryzacja jest płynnie obracana z A na B podczas przekazywania cząstki. Powtórz to dla obrotu polaryzacji z B na C oraz z C na A. Wizualną identyfikację tych minimów i barier potencjału w przejściach przekazywania przedstawiono na Rysunku 4.
    Uwaga: Ten krok pozwala określić, czy cząstka zostanie niezawodnie przeniesiona z pułapki A do pułapki B podczas obrotu polaryzacji. Cząstka z łatwością pokona barierę o wysokości 1 k_BT, aby przejść do głębszej studni potencjału.
12. Jeśli w kroku 1.2.10 stwierdzono zbyt niską barierę energetyczną lub w kroku 1.2.11 zbyt wysoką, należy skorygować projekt. Generalnie, aby podwyższyć bariery energetyczne, należy zwiększyć odstępy oddzielające grawerunki w kształcie litery C. Aby obniżyć bariery energetyczne, należy zmniejszyć odległość między grawerunkami. Należy unikać zbliżania ich do siebie bardziej niż na dwie głębokości wnikania (40 nm), ponieważ zbyt blisko położone grawerunki mogą zakłócać wzajemnie swoje prądy rezonansowe, co obniża ogólną skuteczność pułapkowania. Powtórz krok 1.2, aby ponownie zweryfikować potencjał optyczny.

2. Wykonanie macierzy CSE

Uwaga: Schemat procesu przedstawiono na Rysunku 5. Proces ten został zainspirowany pracami opisanymi w ref. 25 i 26.

Rysunek 5. Proces CSE. Schemat przepływu procesu dwuwarstwowego oddzielania szablonu (template-stripping). Litografia wiązką elektronową z energią 100 keV jest wykorzystywana do naświetlania wzoru przenośnika na rezyst HSQ. Cienka warstwa PMMA pod HSQ ma na celu ułatwienie końcowego oddzielenia (uwolnienia) urządzenia od podłoża krzemowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

1. Należy pozyskać czysty, polerowany wafer krzemowy i przetransportować go do pomieszczenia czystego przystosowanego do procesów litografii krzemowej.
2. Oczyścić wafer krzemowy w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych i tlenków z powierzchni.
   1. Zanurzyć wafer w roztworze H₂SO₄:H₂O₂ w proporcji 9:1 w temperaturze 100 °C przez 10 min. Kąpiel o objętości co najmniej 1 L zapewnia skuteczne czyszczenie, choć mniejsza ilość odczynników może pozwolić na bezpieczniejsze i łatwiejsze przetwarzanie wafera, zależnie od wymogów danej placówki.
   2. Zanurzyć wafer w roztworze HF w proporcji 50:1 na 30 s. Kąpiel o objętości co najmniej 1 L zapewnia skuteczne czyszczenie, choć mniejsza ilość odczynników może pozwolić na bezpieczniejsze i łatwiejsze przetwarzanie wafera, zależnie od wymogów danej placówki.
   3. Dokładnie wypłukać wafer wodą DI i osuszyć go za pomocą wirówki.
3. Nanieść warstwę 50 nm PMMA metodą spin-coatingu (grubość nie jest krytyczna).
   1. Przeprowadzić wstępne wygrzewanie (singe bake) wafera w temperaturze 150 °C przez 30 min.
   2. Nanieść na polerowany, czysty wafer krzemowy 2% PMMA (poli(metakrylanu metylu)) o masie cząsteczkowej 950k metodą spin-coatingu przy 5 000 rpm przez 40 s. Nanieść PMMA za pomocą pipety, aplikując 20-25 kropli resistu na środek wafera przed rozpoczęciem wirowania.
   3. Przeprowadzić wygrzewanie końcowe (post bake) resistu PMMA na płycie grzejnej w temperaturze 200 °C przez 2 min.
4. Nanieść warstwę 150 nm HSQ metodą spin-coatingu (tego samego dnia co krok następny).
   1. Nanieść negatywny resist HSQ metodą spin-coatingu przy 900 rpm przez 1 min. Nanieść HSQ za pomocą plastikowej pipety, aplikując ponownie 20-25 krople resistu na środek wafera przed rozpoczęciem wirowania.
   2. Przeprowadzić wygrzewanie końcowe (post bake) resistu HSQ na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C przez 2 min.
5. Naświetlić i wywołać wzór, wykorzystując techniki litografii wiązką elektronów (tego samego dnia co krok poprzedni). Proces przebiega zgodnie z demonstracją dwuwarstwową PMMA/HSQ w odniesieniu 27.
   1. Przenieść projekt sylwetki do formatu GDSII w celu naniesienia wzoru wiązką elektronów w matrycy dawek. Uwzględnić znaki wyrównawcze i adnotacje o rozmiarze co najmniej 5 µm, aby umożliwić identyfikację nanostruktur pod mikroskopem optycznym. Matryca dawek powinna obejmować zakres od 800-4 000 µC/cm².
   2. Użyć urządzenia do litografii wiązką elektronów, aby naświetlić matrycę przy napięciu przyspieszającym 100 kV i aperturze 60 µm, co generuje prąd 500 pA. Naświetlanie wiązką elektronów jest możliwe również przy niższych napięciach przyspieszających, pod warunkiem odpowiedniego dostosowania prądu wiązki, dawki oraz korekcji bliskości wzoru (proximity pattern correction).
   3. Wywołać naświetlony HSQ, zanurzając wafer w 2,2% roztworze wywoływacza wodorotlenku tetrametylammonium (TMAH) przez 90 s. Delikatnie mieszać roztwór, potrząsając naczyniem z wywoływaczem co 10 s. Po upływie czasu wywoływania natychmiast przerwać proces, płucząc powierzchnię wodą przez 60 s.
6. Nanieść warstwę złota o grubości 200 nm, a następnie warstwę miedzi o grubości 1 000 nm, metodą rozpylania magnetronowego. Należy użyć urządzenia do rozpylania, którego szybkość rozpylania złota została skalibrowana tak, aby docelowa grubość została osiągnięta z dokładnością do 20%. Szybkości rozpylania różnią się w zależności od urządzenia. Przekroczenie grubości złota oraz miedzi jest dopuszczalne.
7. Przykleić kwarcową płytkę tylną o wymiarach 1 cm x 1 cm do wzorowanego podłoża za pomocą epoksydu utwardzanego UV.
   1. Nanieść jedną kroplę epoksydu utwardzanego UV na stronę miedzianą próbki w kwadracie o wymiarach 1 cm x 1 cm, pokrywając obszar wzorowanego urządzenia.
   2. Przyłłożyć kwarcową/szklaną płytkę tylną do powierzchni miedzianej, upewniając się, że całkowicie zakrywa ona obszar wzorowanego urządzenia.
   3. Założyć ochronne gogle UV.
   4. Położyć płytkę tylną i wafer na płaskiej powierzchni i naświetlać epoksyd od góry lampą UV przez około 30 min.
   5. Wyłączyć lampę UV i wyjąć utwardzoną próbkę.
8. Uwolnić urządzenie z podłoża krzemowego w kąpieli acetonowej.
   1. Używając ostrego noża, naciąć gładką, zamkniętą ścieżkę wokół kwarcowej płytki tylnej, upewniając się, że nacięcie jest wystarczająco głębokie, aby przebić obie warstwy metalu oraz warstwę PMMA nad waferem krzemowym.
   2. Zanurzyć podłoże w kąpieli acetonowej na 6-8 h.
   3. Jeśli po 8 h próbka urządzenia nie oddzieliła się naturalnie od wafera krzemowego, ostrożnie oddzielić urządzenie (wraz z kwarcową płytką tylną i obiema warstwami metalu) od wafera krzemowego za pomocą cienkiego klina lub noża.
   4. Wypłukać otrzymaną próbkę acetonem przez około 1 min i osuszyć ją za pomocą N₂  lub czystego powietrza.
   5. Jeśli wokół płytki tylnej pozostały nierówne krawędzie metalu lub kleju, ostrożnie je usunąć za pomocą żyletki lub nożyczek laboratoryjnych. Poprawi to dynamikę płynów podczas eksperymentu pułapkującego poprzez zapewnienie jednorodnego parowania na krawędziach chipa.
   6. Przechowywać próbkę w czystym, pyłoszczelnym pojemniku do transportu do laboratorium optycznego.

3. Przygotowanie próbki okazu

1. Przygotuj roztwór fluorescencyjnych kulek polistyrenowych.
   1. Rozcieńcz roztwór fluorescencyjnych kulek polistyrenowych z koncentracji producenta do 1x10⁹/ml– 1x10¹⁰/ml, dodając odpowiednią objętość do 1 ml wody.
   2. Dodaj 0,05 ml surfaktanta (oktylofenoleksylanu) do próbki preparatu. Surfaktant zmniejsza tendencję kulek koloidalnych do przywierania do powierzchni, a także nieznacznie zwiększa lepkość cieczy nośnej.

4. Kalibracja ostrości kolumn optycznych

Uwaga: Schemat aparatury znajduje się w Rysunku 8.

1. Skalibruj ostrość kamery obrazującej preparat.
   1. Przygotuj zapasową, wzorcowaną i płaską powierzchnię refleksyjną do testów i kalibracji. Dobrze sprawdza się próbka pomocnicza z markami wyrównawczymi.
   2. Włącz lampę rtęciową mikroskopu i poczekaj, aż poziom światła się ustabilizuje, a następnie otwórz migawkę lampy.
   3. Umieść wzorcowaną powierzchnię testową w polu widzenia mikroskopu i przesuń jej krawędź do centrum pola widzenia. Dostosuj tłumiki światła, aby upewnić się, że światło nie jest zbyt jasne do obserwacji przez okular, następnie spójrz przez okular i ustaw ostrość na krawędzi.
   4. Przesuń stolik mikroskopu tak, aby wzór znalazł się w centrum pola widzenia, a następnie wyreguluj pokrętło ostrości, aby zmaksymalizować wyrazistość wzoru.
   5. Włącz kamerę obrazującą preparat i dostosuj jasność oraz kontrast do poziomu oświetlenia mikroskopu.
   6. Reguluj ostrość kamery obrazującej preparat, aż wzór będzie również ostry dla kamery. Wzór powinien być ostry zarówno w widoku kamery, jak i w okularze, bez konieczności wprowadzania jakichkolwiek korekt ogniskowych podczas przełączania się między nimi.
2. Skalibruj kolumnę obrazowania wiązki, aby upewnić się, że kamera obrazująca wiązkę laserową ustawia ostrość na podłożu.
   Uwaga: Przyjmuje się, że laser bliskiej podczerwieni (near-IR) został już wstępnie skolimowany i wyrównany z kolumnami obrazującymi mikroskopu. Karta czujnika IR jest przydatnym narzędziem do wykonania tego wyrównania. Zaleca się budowę całego systemu na uprzednio wyrównanym wsporniku, takim jak system klatekowy (cage system), aby cała optyka mogła być automatycznie scentrowana na tej samej osi. Lustra dichroiczne wstawiane w celu oddzielenia długości fal wiązki i obrazowania są standardem, ale ze względów bezpieczeństwa nie powinny przepuszczać więcej niż 1% długości fali lasera.
   1. Upewnij się, że każdy badacz w pomieszczeniu założy okulary ochronne do laserów o tłumieniu co najmniej 10⁷ dla długości fali pracy lasera (1,064 nm) i upewnij się, że migawka wiązki lasera jest zamknięta.
   2. Włącz zasilacz lasera i system chłodzenia, ale pozostaw wiązkę zasłoniętą migawką. Rozgrzej ośrodek wzmocnienia lasera.
   3. Po założeniu okularów i potwierdzeniu zamknięcia migawki włącz laser. Umieść blokadę wiązki przed laserem i otwórz migawkę, aby zmierzyć wyjście wiązki lasera i zweryfikować za pomocą watomierza, czy moc wyjściowa lasera się ustabilizowała. Pozostaw blokadę wiązki na miejscu.
   4. Aby chronić kamerę obrazującą preparat przed niszczącymi poziomami światła laserowego, upewnij się, że przed kamerą obrazującą preparat znajdują się tłumiki wiązki, a także lustro dichroiczne kierujące pozostałą energię wiązki do oddzielnej kamery obrazującej wiązkę. Ponadto moduluj moc lasera za pomocą tłumików lub polaryzacyjnego dzielnika wiązki, tak aby do aparatury docierała tylko umiarkowana moc (10 mW).
   5. Usuń blokadę wiązki i pozwól wiązce przejść przez aparat i spaść na detektor kamery obrazującej wiązkę.
   6. Włącz kamerę obrazującą wiązkę i dostosuj jasność oraz kontrast do poziomu światła laserowego.
   7. Rozogniskuj wiązkę lasera tak, aby światło laserowe oświetlało szeroki obszar wzorcowanego reflektora.
   8. Reguluj ostrość kamery obrazującej wiązkę, aż elementy wzoru będą ostre jednocześnie z obrazem w świetle białym z kamery obrazującej preparat, a następnie przesuń kamerę tak, aby jej pole widzenia było wycentrowane względem pola widzenia kamery obrazującej preparat. Efektywne przesunięcie ogniskowe między obrazem w świetle białym a obrazem wiązki przeciwdziała rozbieżności ogniskowej optyki między długościami fal laserowymi a widzialnymi.
3. Ustaw laser w ostrości za pomocą kamery obrazującej wiązkę.
   1. Korzystając z wyskalibowanej ostrości w kamerze obrazującej wiązkę, reguluj ostrość wiązki lasera, aż skupi się ona w ciasny punkt, i dostosuj pozycję ogniskową wiązki tak, aby znajdowała się w centrum pola widzenia. Używając oprogramowania do adnotacji lub innej wybranej metody, zaznacz położenie wiązki w polu widzenia kamery obrazującej preparat.
   2. Zamknij migawkę wiązki lasera.

5. Pułapkowanie i manipulacja preparatem za pomocą energii optycznej

Uwaga: Schemat aparatury znajduje się na Rysunku 8.

1. Obrazowanie fluorescencyjnych kulek polistyrenowych.
   1. Zastąp próbkę zastępczą i szkiełko nakrywowe czystym szkiełkiem nakrywkowym w uchwycie na próbki mikroskopu.
   2. Załóż końcówkę na wylot mikropipety i pobierz za pomocą pipety 2-4 µl rozcieńczonego roztworu cząstek fluorescencyjnych.
   3. Powoli nanieś roztwór na szkiełko nakrywowe. Jeśli pojawią się pęcherzyki powietrza, usuń je, delikatnie dmuchając czystym powietrzem w kroplę roztworu.
   4. Ostrożnie umieść urządzenie na wierzchu kropli roztworu, powierzchnią złotą skierowaną w dół. Roztwór powinien rozprzestrzenić się na cały obszar pod urządzeniem.
   5. Przesuń stolik mikroskopu tak, aby krawędź chipu z matrycą rezonatorów znajdowała się w pobliżu centrum pola widzenia. Ustaw ostrość na krawędzi chipu.
   6. Przesuń stolik mikroskopu tak, aby wzór rezonatorów znajdował się w pobliżu centrum pola widzenia. Ustaw ostrość na nanostruktury, dopasowując ostrość ciemnych znaczników wyrównawczych; należy pamiętać, że same rezonatory jawią się jako ciemne punkty na jasnym tle reflektora.
   7. Wstaw przed lampą rtęciową wąskopasmowy filtr interferencyjny, który blokuje wszystkie kolory poza tym odpowiadającym piku absorpcji kulek fluorescencyjnych.
   8. Wstaw przed kamerą obrazującą próbkę wąskopasmowy filtr interferencyjny, który blokuje wszystkie kolory poza tym odpowiadającym piku emisji kulek fluorescencyjnych.
   9. Ustaw ostrość obrazu fluorescencyjnego kulek, zwracając uwagę na ich zbiorową średnią prędkość dryfu w stosunku do indywidualnego, losowego ruchu Browna. Czekaj, aż średnia prędkość dryfu kulek spadnie poniżej 10 µm/sec.
      Uwaga: Ze względu na odparowywanie na krawędziach chipu oraz dynamiczne siły osadzania płynu pod ciężarem chipu, w płynie próbkowym mogą występować widoczne prądy (rzędu dziesiątek µm/s lub więcej). Jeśli odparowywanie nie jest zbyt asymetryczne wzdłuż krawędzi chipu, prądy te z czasem zmniejszą się do poziomów akceptowalnych do przeprowadzenia eksperymentu.
2. Użycie skupionej wiązki laserowej do przechwycenia kulki polistyrenowej.
   1. Upewnij się, że wszyscy badacze założyli odpowiednie okulary ochronne przed laserem, a następnie włącz laser, trzymając zamkniętą migawkę wiązki lasera. Upewnij się, że moc wyjściowa lasera jest mniejsza niż 10 mW. Potwierdź stabilizację mocy lasera, testując wyjście wiązki z zastosowaniem blokady wiązki, która zapobiega wnikaniu promieniowania laserowego do mikroskopu.
   2. Po ustabilizowaniu się mocy lasera usuń blokadę wiązki i zlokalizuj plamkę lasera na obrazie wiązki. Jeśli plamka jest poza ogniskową, reguluj ostrość lasera, aż osiągnięto minimalny rozmiar plamki.
   3. Upewniając się, że przed obrazem wiązki umieszczono odpowiednie tłumiki, aby zapobiec nasyceniu detektora wiązki, stopniowo zwiększaj moc wyjściową lasera, aż dryfująca kulka zostanie stabilnie przechwycona w ogniskowej wiązki. Skanowanie stolika mikroskopu może pomóc w przechwyceniu kulki znajdującej się poza centrum.
   4. Zweryfikuj, czy przechwycona kulka znajduje się na lub w pobliżu znacznika wykonanego wcześniej w celu śledzenia pozycji ogniskowej lasera na obrazie próbki. Jeśli istnieje różnica między pozycją kulki a znacznikiem ogniskowym lasera, skoryguj znacznik, aby odpowiadał nowej pozycji kulki.
   5. Teraz dostrój wbudowany w ścieżkę wiązki kontraktor wiązki, aż plamka wiązki zostanie rozszerzona do średnicy 9 µm FWHM przy pełnej ostrości. Zmierz to jako liniowy przekrój natężenia przez centrum plamki wiązki na obrazie wiązki.
   6. Jeśli pierwotnie przechwycona kulka została utracona podczas tej regulacji, użyj stolika translacyjnego, aby wyszukać i przechwycić inną kulkę.
      1. Jeśli rozszerzenie plamki wiązki zdestabilizowało pułapkę optyczną (ze względu na zmniejszenie gradientu natężenia), zwiększ moc wiązki w razie potrzeby, aby osiągnąć stabilne chwytanie optyczne. Jeśli zwiększenie rozmiaru plamki ogniskowej przesunęło centrum wiązki z jego pierwotnej pozycji, ponownie wyznacz średnią pozycję przechwyconej kulki na obrazie próbki jako centrum wiązki.
3. Ustanowienie chwytania w polu bliskim i manipulacja kulką polistyrenową na matrycy grawerunków w kształcie litery C.
   1. Włącz lampę oświetlenia tła i zwiększ jej moc, aż wzór podłoża stanie się widoczny w tle za obrazami kulek fluorescencyjnych.
   2. Mając kulkę przechwyconą przez słabo skupioną wiązkę, użyj stolika mikroskopu, aby przesunąć wzór podłoża tak, by koniec matrycy rezonatorów był widoczny bezpośrednio za przechwyconą kulką. Jeśli losowy ruch Browna kulki zostanie znacząco ograniczony, oznacza to, że kulka została przechwycona przez pole bliskie wzbudzonego rezonatora.
      Uwaga: Jeśli kulka nie została jeszcze przechwycona przez optyczne pole bliskie, dostosuj pozycję plazmonicznej matrycy rezonatorów pod kulką. Ta regulacja może zbliżyć kulkę do rezonatora, który jest lepiej dopasowany do obecnej polaryzacji światła laserowego. Jeśli ten proces nie wywoła chwytania w polu bliskim, ognisko wiązki może znajdować się nieco powyżej płaszczyzny podłoża. W takim przypadku lekko dostosuj ostrość lasera, tak aby plamka ogniskowa zbliżyła się do powierzchni podłoża.
   3. Jeśli po niewielkich korektach stolika i ostrości lasera kulka nadal nie została przechwycona przez optyczne pole bliskie, znajdź inną matrycę na podłożu i powtórz proces chwytania w polu bliskim, zaczynając od kroku 5.3.2.
      Uwaga: Defekty wykonawcze powodują zarówno systematyczne, jak i losowe różnice w wydajności rezonatorów. Niedziałające matryce rezonatorów są powszechne, dopóki wyniki produkcji nie zostaną w pełni scharakteryzowane i nie staną się powtarzalne.
   4. Po ustanowieniu chwytania w polu bliskim przesuń translacyjny stolik mikroskopu tak, aby centrum plamki lasera znajdowało się bliżej centrum przenośnika. Działanie to będzie miało tendencję do wciągania kulki wraz z centrum skupionego lasera, dlatego w ten sposób można wprowadzać tylko niewielkie korekty. Jeśli kulka zostanie wyrwana, ogranicz ruch. Jest to zakres przemieszczenia wiązki tolerowany przez pułapki pola bliskiego.
   5. Po lekkim przesunięciu wiązki w poprzednim kroku, obróć płytkę półfalową umieszczoną na drodze wiązki lasera, aby zmienić kąt polaryzacji liniowej. Aktywuje to rezonatory sekwencyjnie wzdłuż matrycy i indukuje kontrolowany, liniowy ruch fluorescencyjnej kulki. Zmotoryzowany stolik obrotowy może pomóc uzyskać stabilniejszy obrót płytki półfalowej, a tym samym stabilniejszy ruch kulki.
   6. Aby śledzić postępy kulki i rejestrować dane o jej pozycji, wyłącz lampę oświetlenia tła i użyj narzędzia do przechwytywania wideo, aby zarejestrować klatki ruchu kulki. Post-processing ruchu cząstki można przeprowadzić za pomocą dostarczonego skryptu MATLAB.

Wyniki

Rysunek 7 przedstawia gotowe urządzenie. W centrum złotej powierzchni o wymiarach 1 cm x 1 cm znajduje się matryca wzorów CSE i transportowych, która jest ledwo widoczna pod kątem. Rysunek 6 przedstawia obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego przykładu wzoru CSE na gotowym urządzeniu.

Ruch cząsteczki polistyrenowego koralika o średnicy 390 nm przemieszczającego się wzdłuż nanooptycznego przenośnika o długości 5 µm przedstawiono na Rysunku 9

Dyskusja

NOCB łączy w sobie silne siły pułapki i małe rozmiary pułapek stosowane w podejściach plazmonicznych ze zdolnością do transportu cząstek, która od dawna jest dostępna tylko w konwencjonalnych technikach skupionej wiązki. Unikalne dla NOCB właściwości systemu w zakresie wychwytywania i transportu wynikają z kształtowania powierzchni, a nie z kształtowania wiązki świetlnej. Pod warunkiem, że oświetlenie jest wystarczająco jasne, a jego polaryzacja lub długość fali mogą być modulowane, cząstki mogą być zatrzymywane lub prze...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Odporność na wiązkę elektroniczną HSQ	Dow Corning	XR-1541-006
PMMA	MicroChem	950A2 M230002
Szybkoutwardzalny klej optyczny	Norland Klej optyczny	NOA 81
Fluorescencyjne mikrosfery karboksylowe	Bangs Laboratories	FC02F, FC03F
Fluorescencyjne mikrosfery modyfikowane karboksylanem Sondy	molekularne	F-8888
Zjeżdżalnia kwarcowa	SPI Supplies	1020-AB
Odwrócony mikroskop fluorescencyjny	Nikon	ECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG laser	Lightwave Electronics	221-HD-V04
kamera sCMOS	Kamera CCD PCO	EDGE55
Watec		WAT-120N
Płyta półfalowa zerowego rzędu	Thorlabs	WPH05M-1064
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T8787
Woda destylowana	Invitrogen	10977-023
Si Wafer	Silicon Quest International	708069
Soczewki optyczne	Thorlabs