Bir Nano-Optik Konveyör Bant imalatı ve İşletilmesi

Abstract

Küçük parçacıklar üzerindeki kuvvetleri yakalamak için odaklanmış lazer ışınları kullanılarak ve sarf tekniği son birkaç on yılda nano ölçekli biyolojik ve fiziksel bilimlerde pek çok önemli keşifler sağladı. Bu alanda kaydedilen ilerleme daha kolay dağıtılan ve daha yaygın olarak kullanılabilir yapılabilir araçları, daha küçük sistemler ve daha büyük bir ölçekte daha fazla çalışma davet ediyor. Ne yazık ki, kırınım temel yasaları tuzak sabit çaplı bir yarım dalga boyundan daha küçük parçacıklar yapan bir lazer ışınının odak noktasının en az boyutunu sınırlamak ve genel olarak bir yarısından daha yakın olan parçacıklar arasındaki ayrım bir operatöre önler -wavelength. Bu, birçok yakın aralıklı nanopartiküller optik manipülasyon engeller ve optik-mekanik sistemlerin çözünürlüğü sınırlar. Ayrıca, odaklanmış ışınlar kullanarak manipülasyon çok hantal ve pahalı olabilir ışın şekillendirme veya direksiyon optik gerektirir. Adresegeleneksel optik yakalama laboratuarımızda sistem ölçeklenebilirlik bu sınırlamalar bir çip üzerinde partikülleri taşımak için yakın alan optik kullanan alternatif bir teknik tasarladı. Bunun yerine uzak alanda lazer ışınlarını odaklama, plasmonik rezonatörlerin optik yakın alan kırınım kısıtlamaları aşmak ve daha yüksek çözünürlükte parçacıkları işlemek için gerekli yerel optik yoğunluk artışı üretir. Yakından aralıklı rezonatörler bir konveyör bant-benzeri bir şekilde birinden diğerine parçacıkların el bırakma aracılık hitap edilebilir güçlü optik tuzakları üretir. Burada, biz tasarım ve plasmonik C-şekilli rezonatörlerin ve nasıl süper çözünürlük nanoparçacık manipülasyon ve taşıma ulaşmak için polarize lazer ışığı ile çalıştırmak için desenli altın yüzey kullanarak bir konveyör kayışı üretmek için nasıl açıklar. Nano-optik taşıyıcı bant çip litografi teknikleri kullanılarak üretilmektedir ve kolay bir şekilde paketlenebilir ve dağıtılabilir.

Introduction

Yakalama, sorgulama ve tek nanopartiküllerin manipülasyon nanoteknoloji önemi artan vardır. Optik cımbız böyle tek DNA moleküllerinin ^{4 ve} mekanik özelliklerinin ölçümü gibi atılım deneyleri sağladı moleküler biyoloji ^1-4, kimya ^5-7 ve nano-montaj ^7-10, deneyler için özellikle başarılı manipülasyon tekniği haline gelmiştir optik özelliklerinin ^11,12 ile hücrelerin sıralama. Bu sınırlara Keşifler daha küçük sistemlerin çalışma açmak ve yeni pratik yararlı ürün ve teknikleri mühendisliği için yol yapmak. Buna karşılık, bu eğilimin yeni teknikler daha küçük, daha ilkel parçacıkların işlemek için ihtiyaç sürücüler. Buna ek olarak, dışarı kimyasal ve biyolojik testler getirmek için daha ucuza ve daha küçük bir paket içinde bu işlevleri gerçekleştirmek için 'lab-on-a-chip' cihazlar oluşturmak için bir itme varlaboratuar ve tıbbi ve diğer amaçlar için ^13,14 alana.

Ne yazık ki, geleneksel optik yakalama (COT) nanoteknolojinin artan talepleri karşılamak mümkün değil. COT optik yoğunluk ve elektromanyetik alan enerjisi yüksek geçişlerini yerelleştirilmiş bir zirve oluşturarak, sıkı bir odak lazer ışığı getirmek için bir yüksek sayısal açıklık (NA) objektif lens kullanarak mekanizması çalışır. Bu enerji yoğunluğu gradyanlar genellikle odak merkezine doğru onları çekiyor ışık saçılma parçacıklar üzerinde net kuvvet uygularlar. Daha küçük parçacıklar Yakalama yüksek optik güç ya da sıkı bir odaklanmayı gerektirir. Ancak, ışık odaklanmış ışınlar odak noktasının minimum boyutunu sınırlar ve enerji yoğunluğu degrade bir üst sınır koyar saptırma prensibi, itaat edin. Verimli COT olamaz tuzak küçük nesneleri ve COT, bir yakalama çözünürlüğü sorun birbirine yakın parçacıklar arasında ayrım vardır: Bu iki anlık sonuçları yoktursınırlama 'şişman parmak' sorunu olarak bilinir. Buna ek olarak, COT ile birden parçacık yakalama uygulanması büyük ölçüde bir optik yakalama sisteminin maliyet ve karmaşıklığını artırmak ışın direksiyon optik veya uzaysal ışık modülatörlerinin, bileşenlerin sistemlerini gerektirir.

Işığın geleneksel odaklı ışınlarının temel sınırlamaları aşmak için bir yolu, uzak alanda yerine yakın alanda optik elektromanyetik enerji geçişlerini istismar olduğunu yaymak dedi. Yakın alan katlanarak uzak elektromanyetik alanların, kaynaklarından oldukça bu kaynaklardan lokalize değil sadece anlamına gelir çürür, ama aynı zamanda, enerji yoğunluğu çok yüksek eğimler sergiler. Bu tür fiyonk deliklerin, nano sütunlar ve C-şekilli gravürler gibi nano-metalik rezonatörler, yakın alan, yakın infr daha ileri altın ve gümüş plasmonik etkisi ile geliştirilmiş elektromanyetik enerji, olağanüstü konsantrasyonlarını sergiledikleri gösterilmiştirared ve optik dalga boylarında. Bu rezonatörler yüksek verim ve çözünürlük ^15-22 kapanı, son derece küçük parçacıkların için kullanılmıştır. Bu tekniğin küçük parçacıkların yakalama de etkili olduğu kanıtlanmıştır, aynı zamanda yakın alan sistemler uzak alan sistemleri veya Mikroakiskan ile arayüz eğer gerekli kayda değer aralığı üzerinde partikülleri taşımak kabiliyeti sınırlı olduğu kanıtlanmıştır.

Son zamanlarda, bizim grup bu soruna bir çözüm önerdi. Rezonatörler birbirine çok yakın yerleştirildiğinde, bir tanecik prensipte yüzeyinden salınan olmadan sonraki bir yakın alan optik tuzaktan geçirebilirsiniz. Bitişik tuzakları kapalı ayrı açık ve olabilir eğer taşıma yönü belirlenebilir. Her rezonatör komşularının bu bir kutuplaşma ya da hafif farklı dalga boyu duyarlı olduğu üç veya daha fazla adreslenebilir rezonatörlerin, bir doğrusal dizi, nanoparti taşınması, optik konveyör bant gibi çalışırbir çip üzerinde birkaç mikronluk bir mesafe boyunca ması durumunda.

Yerine parçacıkları tutabilir, ama aynı zamanda desenli yolları boyunca yüksek hızda taşıyabilirsiniz, toplamak veya parçacıkların dağıtmak değil, sadece sözde 'Nano-Optik Konveyör Bant' (NOCB), plasmonik rezonatör yakalama planları arasında benzersizdir mix ve onları sıraya ve hatta onların hareketlilik ²³ olarak özelliklerine göre bunları sıralamak. Bu işlevlerin tümü ışını direksiyon optik için bir gerek olmadan, aydınlatma polarizasyon veya dalga boyu tarafından kontrol edilmektedir. Yakın bir alan optik tuzak olarak çözünürlük yakalama NOCB geleneksel odaklanmış ışın optik tuzakları daha yüksek olduğu, bu nedenle yakın parçacıklar ayırt edebilir; bir de yakalama içine ışık konsantre metal nano yapısını kullandığı için, güç-verimli ve böyle bir yüksek NA objektif olarak pahalı optik bileşenleri gerektirmez. Ayrıca, birçok NOCBs yüksek paketleme den de paralel olarak çalıştırılabilir1200 ²³ delikleri üzerinde versitesi, aynı alt tabaka üzerine ve güç 1 W sürebilirim.

Son zamanlarda düzgün bir şekilde geri ve ileri 4,5 um iz ²⁴ boyunca bir nanoparçacık itilmesi ilk polarizasyon odaklı NOCB göstermiştir. Bu yazıda optik cihazı tasarlamak ve imal etmek gerekli adımları sunuyoruz etkinleştirmek ve ulaşım deney yeniden. Biz bu tekniğin daha yaygın olarak kullanılabilir hale mikroakışkanlar, uzak alan optik ve nano ölçekli cihazlar ve deneyler arasındaki boyut köprü yardımcı olacağını umuyoruz.

Protocol

1. Tasarım C şeklindeki Gravür (CSE) Dizi

1. Dizi desen tasarlayın.

Konveyör bant yinelenen elemanının Şekil 1. CSE Düzeni. Tasvir. Başarılı taşıma _{d, y =} 320 nm ve _{d, x =} 360 nm kullanılarak elde edilmiştir. Gravürler Bitişik çiftleri ofset bir 60º görece dönme var. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

1. Düzlemsel bir alt-tabaka üzerinde, parçacıkların istenen yolunu belirler.
2. Şekil 1 'de gösterildiği gibi bir paket program kullanılarak, yol boyunca C-şekilli çokgen bir çift lineer dizi oluşturmak, her çiftteki her çokgen arka arkaya. Dışbükey gövde yaklaşık ± 90 ° 30 döndürülen bir parçacığın kendi v Çünküolume yaklaşık olarak, atlatma aralığı ²² üst üste belirler çiftleri ayıran en fazla bir parçacık çapı bırakın ve bir çift çokgen merkezleri arasında bu mesafenin en fazla% 90 bırakın.
   Not: referans için, daha önceki çalışmalar, 390 nm polistiren küre çapı yukarıdaki gibi CSE dizisi boyunca nakil için en uygun olduğunu göstermiştir. 200 nm kadar küçük boncuklar olmasa da güvenilir bir şekilde, manipüle edilebilir. Ancak, 500 nm daha büyük boncuk odaklanmış aydınlatma ışınının daha güçlü rekabet güçlerini hissediyorum.

2. Maxwell denklemlerini çözmek için sayısal bir yöntem kullanılarak dizi desen boyunca atlatma güçleri doğrulayın. Burada açıklanan prosedür ticari yazılım Comsol tarafından uygulanan Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) ile ilgilidir iken, diğer sayısal yöntemler ve uygulamaları için bu yöntemi uyarlamak mümkündür.
   1. Düzlemsel model boyutları ve ext barındıran bir sayısal yöntem geometrisini çizindesen düzleminin altında en az 200 nm ve 600 nm düzleminin üzerinde sona erer. Düzleminin altında, sıvı odasını temsil eden bir etki substrat temsil ve düzlemin üzerinde bir etki bulunmaktadır. Gravürler iç temsil 3D etki yaratarak, alt tabaka içine aşağı düzlemsel C-şekilli desen 150 nm a'ya. Istenen şekle sahip bir parçacık etki tanıtılması.
      1. Parçacığın üst ve simülasyon hacminin tavan arasındaki boşluk en az 200 nm olduğundan emin olun ve gerekli simülasyon kapsamlarını ayarlayın. Dışarı doğru ışınımı emmek üzere simülasyon açık sınırları mükemmel olarak eşleştirilmiş tabakalar kalınlığı en az 500 nm ekleyin.
   2. Su kişilerce arabirimi üzerinde etki elektromanyetik malzeme özelliklerini alan, hidrojen silseskioksan (HSQ) ve gol kişilerce kalan malzemenin malzeme özellikleri kişilerce C-şekilli gravürler iç malzeme özelliklerid. Polistiren olanlar veya dilediğiniz başka bir malzemeye parçacığın malzeme özelliklerini ayarlayın. Kolaylık olması açısından, doğrusal elektromanyetik malzeme modellerini kullanabilirsiniz.
      Not:. Bir numune tam bir 3D geometrisi Şekil 2 'de gösterilmiştir, bu durumda, kartezyen ± x PML malzeme alanları, y ± ve + z sınırları alanları sonsuza yayılmasına anlamına emer. PML kalınlığı 5 x 100 nm = 500 nm eşittir 5 kat fazla tetrahedral kafes öğesi boyutu olarak tanımlanır.
   3. Geçirgenli ɛ _r ve geçirgenlik μ _r eldeki sayısal çözücü için girdi gerekiyorsa, HSQ, su 1.77 ve -52.15 için 1.96 nispi geçirgenlik kullanın - 3.57i altın. Geçirgenlik ve geçirgenlik dışında bir elektromanyetik malzeme özelliği gerekiyorsa standart elektromanyetik kimliklere göre gerekli girdileri elde etmek için bu değerleri kullanmak, 1'e tüm göreceli geçirgenliklere ayarlayın. Uygun işareti o kullanınf Sayısal çözücü kompleks zaman harmonik işaret kuralına göre altın hayali kısmı (- ı t co) kongre bu exp (+ exp altında iωt) kongre ve pozitif (negatif altında olmalıdır).

Ticari Sonlu Elemanlar Yöntemi yazılım Comsol sayısal simülasyon geometri Şekil 2. Simülasyon Geometri. Örnek. İki konveyör bant dönemleri d _y 320 nm ve _{d, x =} 360 nm ve 500 nm çapında küre = simüle edilmektedir. Gölgeli malzeme bölgeleridir a) HSQ, b) polistiren, c) altın ve d) su. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

4. Uyarlanabilir bir tetrahedral m simülasyon hacmi ayrıklaştırılabiliresh. Toplu olarak büyük olmayan 100'den nm örgü elemanlarının maksimum boyutu kısıtlayın. Ayrıca, kritik yapılarda doğruluğunu artırmak için gravür yüzeylerine küre yüzeyinde 30 nm ve 30 nm örgü elemanlarının maksimum boyutu sınırlamak. Yaklaşık 1.4 arasında bir orta gözenekli büyüme oranı, bu bölgelerde kafes öğesi kalitesini korumak için kullanılmalıdır ve en az ağ boyutu da tahmin edilemez uyarlanabilir ağ sınırlarını da hacim olarak tanımlanabilir.
5. Optik uyarma, normalde olay ve gravür ve partikül yok sanki düzlemsel altın substrat yansıyan 1064 nm dalga boyu boş alan ile arka plan harmonik düzlem dalga tanımlar. Düzlem dalga yansıma ve iletim katsayıları hesaplamak için geliş normal açıyla değerlendirilen Fresnel denklemleri kullanın. Elektrik alanı, bir C-şekilli gravürün sırt ile aynı hizada, öyle ki, bu dalga polarizasyonunu seçin. Düzlem dalganın şiddeti Normale1 mW / um ^2.
6. Yüzeyden sadece birkaç nanometre de parçacığın irtifa sabit tutarken diğer yolu bir ucundan partikül pozisyon parametresini süpürme, simülasyonlar bir toplu dağınık elektromanyetik alanlar için çözün. 5 nm gibi düşük Altitudes büyük Denizden yumuşak yakalama potansiyelleri tahmin ederken, çok güçlü yakalama potansiyelleri tahmin eğilimindedir. Aslında, Brown hareketi gerçek bir parçacık yüzeyinin üzerindeki yüksekliklerde çeşitli keşfetmek sağlayacaktır.
   Not: Hesaplamalı kaynaklar ve zaman sayısal sistem boyutu, nümerik ve bilgisayar donanımı ile değişecektir.
7. Tekrarlayın polarizasyon açısı modulo 180 ° alınır gibi diğer iki polarizasyon-ayrı C-şekil yönelimleri her biriyle uyumlu polarizasyon için 1.2.5 ve 1.2.6 numaralı adımları.
8. Üç grup halinde her simülasyon için, Maxwell-Minkowski Stres Tensörünün akı entegre ederek parçacık net kuvvet hesaplamak Tamamen parçacık kapsayan ancak herhangi bir malzeme arabirimleri çapraz olmayan bir yüzeyden geçen.
9. Her polarizasyon için, Şekil 3'te gösterildiği gibi parçacık, her partideki aşağıdaki yolu üzerinden negatif net optik kuvvet integrali bir yol performans optik kuvvetlerine karşı yapılan iş hesaplar.

Şekil 3. Yakalama Doğrulama. Kararlı yakalama aktivasyon devletlerin optik potansiyelini komplo ile ortaya konabilir. Sadece üç ÖAM'ler tek bir dönem basitlik için analiz edilir. Nitekim, genel tuzak derinliği yeterli (> 10 k _B T) her devlet için aktif gravür stabil yakalama için A, B, ve C bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

> "ove_content
Şekil 4. yayınım Doğrulama. Yayınım sırayla eski (açık kırmızı) optik potansiyelini ve yeni (parlak kırmızı) aktivasyon durumlarını komplo ile ortaya konabilir. Sadece üç ÖAM'ler tek bir dönem basitlik için analiz edilir. C B ve A ile B arasındaki geçirme sırasında, bu iki konum arasında istenen hareket yönünde potansiyel engel kontrollü geçirme olasılığı olduğunu gösteren, ters yönde daha hem küçük (1 _k B T) ve daha küçüktür. A C atlatma arası tuzak bariyer tüm kutuplaşmalar da oldukça büyük kalır çünkü çoğu zordur. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

10. Her polarizasyon A doğrulama, B ve C, en az 10, k bir enerji bariyeri olduğuÜç Cs her dönemde potansiyel minimum her iki tarafında yüksekliği B-T. Potansiyel minimum ve engellerin bir görsel kimlik için Şekil 3'e bakınız.
    Not: Bu adım parçacık stabil ileri geri atlamadan önerilen konveyör bant üzerinde kalmış olacak belirler. Elektromanyetik dalgaların doğrusal ve doğrusal malzeme modellerinin kullanımı nedeniyle, enerji bariyeri heyecanlı düzlem dalga yoğunluğu ile doğru orantılıdır.
11. Polarizasyon sürekli A döndürülür komşu A tuzakları ve 1 k _B T altındaki B tuzakları dip arasındaki enerji bariyerleri parçacık Aktarım esnasında B'ye doğrulayın. C B'den polarizasyon rotasyonu için tekrarlayın ve C A. bu atlatma geçiş potansiyeli minimum ve engellerin bir görsel kimlik için Şekil 4'e bakınız.
    Not: parçacık güvenilir polarizasyon dönüşü sırasında bir tuzak B bir tuzak A transfer olacak Bu adım belirler. Bir parçacıkKolayca derin bir potansiyel kuyu taşımak için yüksekliği 1 _k B T bir engeli aşmak olacaktır.
12. Aşama 1.2.10 veya adım 1.2.11 çok güçlü bir enerji bariyeri herhangi bir yetersiz enerji bariyeri varsa, tasarım ayarlayın. Genel olarak, enerji engelleri yükseltmek C-şekilli gravürleri bölen alanı artırmak için. Birbirine yakın gravürleri getirmek, enerji engelleri azaltmak için. Birbirine çok yakın olan gravürler genel yakalama etkinliğini düşürür birbirlerinin rezonans akımları, bozabilir olarak, iki cilt derinliklerinde (40 nm) daha yakın bir araya getirerek kaçının. Adımı yineleyin 1.2 optik potansiyelini yeniden doğrulamak için.

2. CSE Array Üretiyor

Not:. Proses şeması Şekil 5'te gösterilen bu süreç ref çalışma esinlenmiştir. 25 ve 26.

Şekil 5. CSE işlem. İşlem akış diyagramıdır. 100 keV enerji ile e-ışın litografi karşı HSQ konveyör desen ortaya çıkarmak için kullanılır. HSQ altında ince PMMA tabaka Si substrat cihazın nihai şerit-off (ayırma) kolaylaştırmak için tasarlanmıştır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

1. Temiz, cilalı silikon gofret Edinme ve silikon litografi işlemleri için donatılmış bir temiz oda getirmek.
2. Yüzeyde organik kontaminasyonu ve oksitleri gidermek için silikon gofret temizleyin.
   1. 1 H ₂ SO _4: 9: gofret daldırın H, 100 ° C'de ₂ O ₂ solüsyon 10 dakika karıştırıldı. Tesisler gerektiren daha az kimyasal güvenli ve kolay gofret işleme izin verebilir ama en az 1 L A hamamı, sağlam temizlik sağlar.
   2. WAFE Dip30 sn 1 HF çözeltisi: 50 r. Tesisler gerektiren daha az kimyasal güvenli ve kolay gofret işleme izin verebilir ama en az 1 L A hamamı, sağlam temizlik sağlar.
   3. İyice DI su ile durulayın gofret ve spin-kurutun.
3. Spin kat 50 nm PMMA (kalınlık önemli değildir).
   1. Singe 30 dakika boyunca 150 ° C 'de fırında gofret.
   2. Spin kat% 2 950K poli-metil metakrilat (PMMA), bir perdahlı temiz silikon yonga 40 saniye boyunca 5000 rpm'de. Falso başlamadan önce gofret ortasına karşı 20-25 damla iniş, bir pipet ile PMMA uygulayın.
   3. Mesaj fırında PMMA 2 dakika süreyle 200 ° C de ocak karşı.
4. Spin kat 150 nm HSQ (aşağıdaki adımda aynı gün).
   1. HSQ negatif sesi Spin 1 dakika için 900 rpm'de karşı. Tekrar falso başlamadan önce gofret ortasına karşı 20-25 damla iniş, plastik bir pipet ile HSQ uygulayın.
   2. Mesaj fırında HSQ hotpl üzerinde direnmek2 dakika boyunca 80 ° C'de yedi.
5. Açığa ve elektron demeti litografi teknikleri (önceki adımda aynı gün) kullanarak desen geliştirmek. Süreç ref PMMA / HSQ çift katmanlı gösteri izler. 27.
   1. Bir doz dizide elektron demeti desenlendirme için GDSII formatına siluet tasarım Çevir. Bir optik mikroskop altında nano belirlemek için büyüklüğü en az 5 mikron olan hizalama işaretlerini ve açıklamaları yer alır. Doz dizisi 800-4,000 MCU / cm ² aralığında olmalıdır.
   2. 100 kV hızlandırma gerilimi dizi ve 500 pA bir akım üreten 60 um bir açıklık, açığa bir elektron demeti poz aracını kullanın. Alt hızlanan gerilimler buna göre ayarlanır demet akımı, dozu ve yakınlık desen düzeltme sağlanan altında Elektron ışın maruziyeti de mümkündür.
   3. % 2.2 tetrametilamonyumhidroksit gofret daldırarak maruz HSQ geliştirin (TMAH) de90 sn için veloper çözeltisi. Yavaşça geliştirici çanak her 10 saniyede bir jostling ile çözüm ajitasyon. Geliştirme zamanı geçtikten sonra, hemen 60 saniye su ile yüzey yıkanarak gelişimini durdurmak.
6. Kaplama magnetron püskürtme ile kalınlığında bakır 1000 nm'lik bir katman ile takip kalınlıkta altın 200 nm'lik bir tabaka. Kimin altın püskürtme hızı hedef kalınlığı% 20 içinde ulaşılır, böylece kalibre edilmiş bir püskürtme aracı kullanmak emin olun. Püskürtme oranları araçlar arasında değişecektir. Bakır aşılmasına olduğu gibi altın kalınlığı aşım, kabul edilebilir.
7. UV-kurutmalı epoksi ile desenli alt tabaka üzerine 1 cm x 1 cm geri kuvars plaka Tutkal.
   1. Desenli cihaz alanı kapsayan bir 1 cm x 1 cm meydanında numunenin bakır tarafı üzerine UV-kurutmalı epoksi tek bir damla sürün.
   2. Tamamen desenli cihaz alanı kaplamaktadır emin, bakır yüzeyine bir kuvars / cam arka plakayı sürün.
   3. O koyn UV koruyucu gözlük.
   4. Düz bir yüzeyde arka plaka ve gofret Dinlenme ve yaklaşık 30 dakika boyunca UV sel lamba ile yukarıdan epoksi aydınlatır.
   5. UV sel lambasını kapatın ve terbiyeli örneği kaldırmak.
8. Aseton banyosu içinde silikon yüzeye cihazı bırakın.
   1. Keskin bir bıçak kullanarak, kesik iki metal katmanları ve silikon yonga üzerinde PMMA katmanı üzerinden tüm yol nüfuz yeterince derin olduğundan emin olarak geri kuvars plaka etrafında düzgün, kapalı yol skor.
   2. 6-8 saat için bir aseton banyosu içinde alt-tabakanın daldırın.
   3. 8 saat sonra cihaz örneği henüz doğal silikon gofret serbest değilse, dikkatli ince kama veya bıçak kullanarak uzak silikon gofret (kuvars arka plaka ve hem metal katmanlar dahil) cihazı kaldırın.
   4. Yaklaşık 1 dakika boyunca aseton ile elde edilen bir örnek durulayın ve _N2 ya da temiz hava ile kurutulur.
   5. Orada ar varsametal veya arka plaka etrafında kalan tutkal e pürüzlü kenarları, dikkatli bir ustura veya laboratuar makası ile onları uzağa kırpın. Bu çip kenarlarda homojen buharlaşmayı sağlayarak bir yakalama deney sırasında sıvı dinamikleri artıracaktır.
   6. Optik laboratuara taşınması için temiz, toz geçirmez kapta saklayın örneği.

3. Numune Numune Hazırlama

1. Bir floresan polistiren boncuk çözüm hazırlayın.
   1. 1 ml su uygun hacmi eklenerek 1x10 ⁹ / ml-1x10 ^{10 ug / ml} için üreticinin konsantrasyondan bir flüoresan polistiren boncuk çözeltisi ile seyreltilir.
   2. Numune numune yüzey aktif madde 0,05 ml (oktil fenol etoksilat) ekleme. Sürfaktan her hangi bir yüzeylerine yapıştığı kolloidal taneciklerin eğilimini azaltır, ve aynı zamanda hafif bir ev sahibi akışkanının viskozitesini arttırmaktadır.

4. Optik Odağı kalibreSütunlar

Not: düzeneğin şematik Şekil 8'de başvurulabilir.

1. Numune görüntüleme kameranın odağını ayarlayın.
   1. Test ve kalibrasyon için desenli, yedek ve düz yansıtıcı yüzey edinin. Hizalama işaretleri ile kukla örnek iyi çalışır.
   2. Mikroskop cıva lambası açın ve ışık seviyesi stabilize kadar, daha sonra lamba deklanşör açın bekleyin.
   3. Görüş mikroskop alanına desenli deney yüzeyi yerleştirin ve görünümü merkezi alana kenarını taşıyın. Işık daha sonra, mercek aracılığıyla gözlemlemek mercek aracılığıyla bakmak ve odak noktası haline kenarı getirmek için çok parlak olmadığından emin olmak için ışık susturucuları ayarlayın.
   4. Bir desen görüş alanının merkezinde şimdi böylece mikroskop sahne taşıyın ve desen netlik elde etmek amacıyla odak düğmesini ayarlayın.
   5. Numune görüntüleme Kamerayı açın ve parlaklık ve kontrast ayarımikroskop aydınlatma seviyesi.
   6. Desen kamera odak da kadar numune kamera odağı ayarlayın. Desen ikisi arasında geçiş yaparken herhangi bir odak ayarlamalar yapmak zorunda kalmadan, hem kameranın görünümünde ve mercek odak olmalıdır.
2. Lazer ışını görüntüleme kamerası madde üzerinde duruluyor sağlamak için ışın görüntüleme sütununu ayarlayın.
   Not: yakın-kızılötesi lazer zaten kabaca collimated olmuştur varsayılır ve mikroskop görüntüleme sütunları uyumludur. Bir IR sensörü kartı bu uyumun gerçekleştirmek için bir araçtır. Bu tür optik tüm otomatik olarak aynı eksen üzerinde merkezlenmiş şekilde kafes sistemi olarak önceden hizalanmış destek üzerinde bütün sistemi inşa etmek için önerilmektedir. Ayrı kiriş ve görüntüleme dalga boylarına takılı Dikroik aynalar standart, ama güvenliği için lazer dalga boyunun% 1'den fazla sızıntı olmamalıdır.
   1. Odada her araştırmacı lazer Safet koyar emin olunLazer işlemi (1064 nm) dalga boyunda en az 10, ⁷ bir yok olma y gözlük ve lazer ışını obtüratör kapalı olduğundan emin olun.
   2. Lazer güç kaynağı ve soğutma sistemi açın, ancak kepenkli ışın bırakın. Lazer kazanç ortamı ısıtın.
   3. Gözlük yerinde ve deklanşör kapalı onaylandıktan sonra, lazeri açın. Lazer çıkış gücü stabilize ettiği, lazer önünde bir ışın blok yerleştirin ve bir güç ölçer kullanılarak, lazer ışınının çıkış ölçmek ve doğrulamak için deklanşöre açın. Yerde ışın bloğu tutun.
   4. Lazer ışığının zararlı seviyelerine numune görüntüleme kamerasını korumak için emin ışın susturucular ayrı bir ışın görüntüleme kamerasına kalan ışın enerjisini yönlendirmek için yanı sıra dikroik ayna, numune görüntüleme kamera önünde yerinde olduğundan emin olun. Gücün sadece bir orta miktarda (10 mW) geçer, böylece aynı zamanda, zayıflatıcı veya bir polarize edici ışın ayırıcı kullanarak lazer gücü modüleaparat ile ilgilidir.
   5. Kiriş bloğunu çıkarın ve ışın aparatı yoluyla seyahat ve kiriş kamera dedektörü üzerine düşmesine izin.
   6. Işın görüntüleme Kamerayı açın ve parlaklık ayarını ve lazer ışık seviyesine kontrast.
   7. Desenli reflektörün bir geniş alan lazer ışığı ile aydınlatılmış şekilde lazer ışınının odak dışı.
   8. Desen özellikleri numune görüntüleme Kameranın beyaz ışık görüntüsü ile aynı anda odakta kadar ışın görüntüleme kameranın odağını ayarlamak ve görüş saha örneği görüntüleme görüş alanı merkezli olduğu, kamerayı çevirmek Kamera. Beyaz ışık görüntü ve ışın görüntü arasında ofset etkili odak lazer ve görünür dalga boylarında arasındaki optik odak uzunluk eşitsizliği dengeler.
3. Işın görüntüleme kamerasıyla odak noktası haline lazer getirin.
   1. Işın görüntüleme kamerasına kalibre odak kullanarak, lazer ayarlamakışın odak sıkı bir noktaya odaklanır ve görüş alanının merkezinde düşer, böylece ışının odak konumunu ayarlamak kadar. Açıklama yazılımı veya dilediğiniz başka bir yöntemi kullanarak, görüş numune kameranın alanındaki ışının konumunu işaretleyin.
   2. Lazer ışını deklanşör kapatın.

5. Trap ve Optik Enerji ile Numune işleyin

Not: düzeneğin şematik Şekil 8'de başvurulabilir.

1. Görüntü floresan polistiren boncuklar.
   1. Mikroskop numune tutucu temiz bir lamel ile kukla örneği ve kapak kayma değiştirin.
   2. Mikro-pipet deşarj ucunda bir ucu yerleştirin ve pipet ile seyreltildi flüoresan partikül çözeltisi 2-4 ul ekstrakte edin.
   3. Yavaş yavaş lamel üzerine çözüm boşaltın. Kabarcıkları varsa, yavaşça solüsyonu damlasına üzerine temiz hava üfleyerek bunları kaldırın.
   4. Carefully altın yüzeyi aşağı bakacak şekilde çözüm damla üstüne yerleştirmeyin. Çözelti cihazına altında tüm alana yayılmış olmalıdır.
   5. Rezonatör dizi çip bir kenar görüş alanının merkezine yakın olacak şekilde mikroskop sahne taşıyın. Çipin kenarında odağı kurun.
   6. Rezonatör desen görüş alanının merkezine yakın olacak şekilde mikroskop sahne çevirir. Odak haline karanlık hizalama işaretlerini getirerek nanoyapılar odaklanın ve rezonatörler kendilerini parlak reflektör arka planda karanlık noktalar göründüğüne dikkat edin.
   7. Hangi floresan boncuk 'emilim zirveye gelen daha tüm renkler diğer bloklar cıva lambası önünde dar bir bant geçiren filtre takın.
   8. Hangi floresan boncuk 'emisyon tepe karşılık daha tüm renkler diğer bloklar örnek görüntüleme kamera önünde dar bir bant geçiren filtre takın.
   9. Th floresan görüntü getirinOnların tek tek rastgele Brown hareketi karşı kolektif ortalama sürüklenme hızı belirterek odağa e boncuklar. Tanelerin ortalama sürüklenme hızı en az 10 mm / sn yavaşlatır kadar bekleyin.
      Not: çipin ağırlığının altında sıvı dinamik yerleşim kuvvetlerine, gözle görünen akımlar olabilir nedeniyle çipin kenarlarında buharlaşmaya ve bağlı numune sıvısında (mm / s ya da daha onlarca). Buharlaşma çipin kenarında çok asimetrik değilse, bu akımlar, sonunda bir deneyi gerçekleştirmek için kabul edilebilir seviyelere azalacaktır.
2. Yakalamak için odaklanmış bir lazer ışını bir polistiren boncuk kullanın.
   1. Tüm araştırmacılar, uygun lazer güvenlik gözlüğü koymak emin olun, ve lazer ışını çekim tutarak kapalı iken daha sonra lazer açın. Lazer çıkışı 10 mW daha az olduğundan emin olun. Lazer radyasyonu engelleyen yerde bir ışın bloğu ile ışın çıkışını test ederek lazer güç stabilize olduğundan emin olunmikroskop girmesini.
   2. Lazer gücü stabilize edildikten sonra, ışın bloğu kaldırmak ve kiriş görüntüde lazer nokta dikkat. Spot odak dışında ise en az nokta odak elde edilene kadar, lazer odağı ayarlayın.
   3. Yeterli susturucular ışın dedektörü doygunluk önlemek için kiriş görüntünün önüne yerleştirilir sağlarken bir sürüklenen boncuk ışın odağında stabil yakalanabilir kadar kademeli olarak lazer çıkış gücünü artırmak. Mikroskop sahne Tarama merkez dışı bir boncuk yakalama yardımcı olabilir.
   4. Tuzağa boncuk veya numune görüntüde lazer odak konumunu izlemek için daha önce yapılmış işareti yakınında yer olduğundan emin olun. Boncuk konumu ve lazer odak işareti arasında bir fark varsa, yeni boncuk konumunu maç için lazer odak işareti düzeltin.
   5. O odak tamamen olduğunda ışın nokta çapı FWHM 9 um genişletilmiş kadar şimdi, ışın yoluna yerleşik ışın yüklenici ayarlayın. Bir şekilde bu Tedbirkiriş görüntüde ışın nokta ortasından düz yoğunluk kesiti.
   6. Orijinal tuzağa boncuk bu ayarı sırasında kaybolan, başka boncuk ve tuzak aramak için çeviri aşamasında kullanın.
      1. Işın nokta genişletme (nedeniyle bir azalma yoğunluk gradyanı) optik tuzak de-stabilize varsa, istikrarlı optik yakalama ulaşmak için gerekli ışın gücünü artırmak. Odak nokta boyutunu artırarak uzakta orijinal konumuna gelen ışının merkezini taşınmış ise, ışın merkezi olarak numune görüntüde tuzağa boncuk ortalama konumunu yeniden işaretleyin.
3. Yakın-alan yakalama oluşturulması ve bir C-şekilli gravür dizisinde bir polistiren boncuk işlemek.
   1. Arka plan aydınlatma lambası açın ve alt tabaka desen floresan boncuk resimlerin arkasında arka planda görülebilir yılına kadar gücünü artırmak.
   2. Gevşek-odaklı ışını tarafından tuzağa bir boncuk ile mikroskop sahne t kullanıno rezonatörlerin bir dizinin sonuna tuzağa boncuk arkasında görülebilir, böylece alt tabaka desenleri taşımak. Boncuk rastgele Brown hareketi önemli ölçüde azaltılmış olur, bu boncuk bir heyecanlı rezonatör yakın alanda tarafından yakalanan demektir.
      Not: boncuk henüz optik yakın alanda tarafından tuzağa değilse, boncuk altında plasmonik rezonatör dizinin konumunu ayarlamak. Bu ayarlama, daha lazer ışığının mevcut kutuplaşma ile hizalanmış bir rezonatör ile daha yakın temas içine boncuk getirebilir. Bu işlem, yakın alan yakalama neden olmayan takdirde ışın odak biraz alt-tabaka düzlemi üzerinde olabilir. Odak nokta substrat yüzeyine yaklaştığında, böylece bu durumda, biraz lazer odağı ayarlayın.
   3. Küçük sahne ve lazer odak ayarlamaları sonra boncuk hâlâ optik yakın alanda tarafından tuzağa değilse, başlangıç, alt tabaka üzerinde başka dizi bulmak ve yakın alan yakalama işlemini tekrarlayınadım 5.3.2 ile.
      Not: Fabrikasyon kusurları rezonatör performans hem sistematik ve rasgele varyasyonlar neden olur. Çalışmayan rezonatör dizileri fabrikasyon sonuçları tam olarak karakterize edilmiştir kadar yaygın ve tekrarlanabilir.
   4. Lazer nokta merkezi konveyör merkezine yakın daha bulunduğu, böylece bir kez hapsi kurulduktan yakın alan, mikroskop çeviri aşamasında taşıyın. Bu işlem, sadece küçük ayarlamalar bu şekilde yapılabilir, böylece, odaklanmış lazer merkezi ile birlikte boncuk doğru hareket etme eğilimindedir. Bir boncuk yerinden olursa, hareketi azaltmak. Bu yakın alan tuzakları ile tolere ışın deplasman miktarıdır.
   5. Önceki adımda hafif ışın yerinden sonra lineer polarizasyon açısını döndürmek için bir lazer ışını yolu üzerine yerleştirilmiş bir yarım dalga plakası döndürün. Bu floresan boncuk dizisi ve indükler kontrollü, düzgün doğrusal hareket aşağı sırayla rezonatörler harekete geçirir. Bir motorlu döner sahne o olabilirlp yarım dalga plakası daha istikrarlı rotasyon ve bu nedenle daha istikrarlı boncuk hareket üretmek.
   6. Kendi pozisyonuna boncuk ve yakalama verilerin ilerlemeyi izlemek arka plan aydınlatma lambasını kapatmak ve boncuk hareket kareleri yakalamak için bir video yakalama yardımcı programını kullanın. Parçacık hareketi post-processing sağlanan MATLAB komut dosyası kullanılarak elde edilebilir.

Representative Results

Şekil 7 Final aygıtın bir resmi vardır. 1 cm x 1 cm altın yüzey merkezinde ancak açılı bir görünümde görülebileceği CSE ve taşıyıcı desenleri matriksidir. 6 son cihazın bir örneği, CSE modeli bir tarama elektron mikroskobu görüntüsüdür Şekil.

Uzunluğunda bir nano-optik taşıyıcı bant 5 um arasında seyahat eden bir 390 nm polistiren boncuk parçacık hareketi, Şekil 9'da gösterilmiştir. Eğrisi lazer polarizasyon açısının bir fonksiyonu olarak parçacığın konumunu göstermektedir. Protokolde belirtildiği gibi, taşıma başarılı olmaz veya yakın alan yakalama başlatmak değil durumlar olabilir. Eylem en iyi ders daha iyi durumda olabilir, farklı bir desen, çalışmaktır.

CSE Ar Şekil 6. SEM görüntüsüray. CSE desen taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri. (a) karşı geliştirme sonra HSQ mesas resmini gösterir. Örnek SEM muayene için bir iletken tabaka olarak 5 nm altınla püskürtülür. (b) -. numune silikon substrat yayımlandıktan sonra (c) Nihai desenleri göstermek, bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Nihai cihazın Şekil 7. CSE Dizi Chip. Resim, boyut yaklaşık 10 mm x 10 mm. Resim cihazın ön altın yüzeyini göstermektedir. Kimlik işaretleri gıcırdamalarını Kırınım çip merkezine yakın çok renkli kareler olarak görünür. Cl LütfenBu rakamın büyük halini görmek için buraya ick.

8. Deneysel aparatı Şekil. Deney düzeneğinin şematik. Bindirme ve görüntüleme iki yansıtma modunda gerçekleştirilir. Farklı ışık yolları farklı renkler kullanarak ayırt edilir. Kırmızı kesik, yeşil, kırmızı, mavi ve sarı çizgiler optik yakalama (konveyör tahrik), floresan görüntüleme, lazer görüntüleme, floresan uyarma ve sırasıyla aydınlık alan aydınlatma ışık yolları gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 9. Boncuk Yörünge Üzeri Çift Raylı Konveyör. Bir 4,5 mikron uzunluğunda çift raylı konveyör bandı üzerinde hareket eden bir 390 nm boncuk için polarizasyon açısına karşı pozisyonu. Her konveyör döneminden sonra kürenin sol gösterisi anlık görüntüler. Sağdaki eğri boncuk merkezlerinin hesaplanan konumunu izler. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Discussion

NOCB sadece geleneksel odaklanmış ışın teknikleri için uzun müsait parçacıklar, taşıma güçlü yakalama kuvvetleri ve yeteneği ile plasmonik yaklaşımların küçük tuzak boyutunu birleştirir. NOCB Benzersiz, sistemin yakalama ve taşıma özellikleri yüzey şekillendirilmesinin bir sonucu olan ve olmayan aydınlatma ışını şekillendirme. Sağlanan aydınlatma yeterince parlak ve onun polarizasyon veya dalga boyu, modüle edilebilir parçacıklar tutulan ya da yüzeyde karmaşık protokoller hareket ettirilebilir. Biz NOCB de hızla sıralamak onların hareketlilik ²³ dayalı parçacıklarını olabilir simülasyon yoluyla göstermiştir. Yakın-alan tuzakları tek-molekül kimya gibi küçük reaksiyon hacimleri hizmet edebilir, ve NOCB doğasında parallelizability o kurmak gerçekleştirmek ve bir çip üzerine paketlenmiş ve ışıklı olabilir gibi birçok eşzamanlı deneyler yıkmak için kullanılabilir anlamına gelir bir Zamanlar.

Yakın alan o işe NOCB almak içintutun ve nanopartiküller kapalı teslim ptical güçler, diğer parçacıklar ve alt tabaka kendisi viskoz drag, geleneksel optik yakalama (aydınlatma kiriş kuvvet), Termoforosis ve iletişim güçlerin rekabet güçlerini aşmak gerekir. Yakın alan optik kuvvet belirli bir aydınlatma gücü için mümkün olduğunca güçlü olmalıdır; Bu dikkatli nanoyapı tasarımı ve imalatı gerektirir, ancak pratikte biz verilen aydınlatma dalga boyu için en uygun olanı seçmek için farklı karakteristik boyutları ile yapıların bir dizi üretmek gerekir. Viskoz sürükle ve Termoforosis de bastırılmış olmalıdır: Onlar yakın alan optik tuzakları dışarı parçacıkları çekmek mümkün olmayabilir iken, onlar kesinlikle zor ilk etapta NOCB dizisi üzerine bir parçacık olsun yapabilirsiniz.

Numune ilk mikroskop altında yerleştirildiğinde, parçacıklar hacmi boyunca eşit dağıtmak ve çok nadiren CSE dizi yakın gelecektir. (Calcusaplamalar bir partikül yüzey temas nanometre tuzağa edilecek birkaç on içinde hareket gerektiğini belirtir.) aydınlatma ilk açıldığında, CSE dizisi hemen ısınır ve bir mesafe üzerinden parçacıklar repels suda bir termal gradyan yaratacak birkaç yüz nanometrelik. Bu bariyer ÖAM'nin hapsi alanına termal bariyer sayesinde parçacık sürükleyerek elle odaklanmış aydınlatma ışını ile bir mesafede bir parçacık yakalama ve üstesinden edilir. Isıl gradyanlı çok yüksek ise, ancak bu da bu metodun başarısız olur. Bizim tecrübelerimize göre, bakır ısı alıcı katmanının eklenmesi termal güçleri sudan uzak ısıyı çekme ve zayıflaması için çok önemli oldu. Bakır ısı emici aynı zamanda su, normal aydınlatma yoğunluğu altında kaynatın olacağını daha az olası hale getirir.

Çok küçük bir parçacık optik degrade kuvvet parçacık çapının küp olarak ölçekler. Bu tuzak bir 100 çok daha zor hale getirirBir 200 nm boncuk nm'nin boncuk sonra elektrik sekiz kez artan aynı miktarda substrat ısıtma arttırılmalıdır. Pratik bir mesele olarak ilk büyük boncuk yakalama tavsiye (400 nm ya da 500 nm çapında), tuzak mukavemetinin optimize edilmesi ve rakip kuvvetlerini en aza indirmek ve yakalanması ve küçük parçacıkların, denemeden.

Örnek hazırlandığı zaman, tanecikler serbestçe suda yüzen olarak, deneyler sürece gerçekleştirilebilir. Su kenarları boyunca buharlaştırma ile örnek çıkar. Bizim laboratuvarda bu deneyler üzerinde yaklaşık 20 dakika zaman sınırı koyar. Su, numunenin kenarlarına çekilirken buharlaştırılması bir rakip yapışkan bir sürtünme kuvveti ile sonuçlanabilir. Örnekte, bükülmüş-up metal kenarlar veya cam slayt düz yalan önlemek sivri gibi kaba özelliklere sahipse, su daha maruz yüzey alanı buharlaşma hızlandıracaktır. Bir tarafı diğer daha yüksek ise, buharlaşma doğru eğimli olacakzor, bkz yakalama ve partikülleri tutmak için yapım, büyük örneklem slayt boşluğu ve nano üzerinde hızla hareket edecek sıvıyla tarafı bu.

Tek bir NOCB başka aydınlatma kirişin genişliği boyunca partiküllerin taşıma ancak. Işın yoğunluğu devre dışı bırakır gibi, odaklanmış ışın demeti geri yükleme kuvveti güçleniyor ve polarizasyon rotasyonu ileri taşımak daha parçacık serbest bırakmak için daha olasıdır kadar NOCB atlatma kuvveti, zayıf yetişir. Uzun konveyör veya daha fazla paralel taşıyıcılar uzantısı için, aydınlatma alanı arttırılmalıdır. Güçlü, defokus lazer diyot Bu deneylerde kullanılan lazer çok daha geniş bir alanı güç olabilir. Seçenek olarak aydınlatma alanı hızlı bir akusto-optik bir deflektör ile ışın tarama artırılabilir.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
HSQ e-beam resist	Dow Corning	XR-1541-006
PMMA	MicroChem	950A2 M230002
Fast curing optical adhesive	Norland Optical Adhesive	NOA 81
Fluorescent carboxyl microspheres	Bangs Laboratories	FC02F, FC03F
Fluorescent carboxylate-modified microspheres	Molecular Probes	F-8888
Quartz slide	SPI Supplies	1020-AB
Inverted fluorescent microscope	Nikon	ECLIPSE TE2000-U
Nd:YAG laser	Lightwave Electronics	221-HD-V04
sCMOS camera	PCO	EDGE55
CCD camera	Watec	WAT-120N
Zero-order half-wave plate	Thorlabs	WPH05M-1064
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T8787
Distilled water	Invitrogen	10977-023
Si Wafer	Silicon Quest International	708069
Optical lenses	Thorlabs