Fabricage en exploitatie van een Nano-Optical transportband

Abstract

De techniek van het gebruik van geconcentreerde laserstralen te vangen en uit te oefenen krachten op kleine deeltjes heeft vele cruciale ontdekkingen in de nanoschaal biologische en fysische wetenschappen ingeschakeld in de afgelopen decennia. De vooruitgang op dit gebied nodigt verdere studie van nog kleinere systemen en op een grotere schaal, met gereedschappen die gemakkelijker kunnen worden verspreid en meer op grote schaal beschikbaar gesteld. Helaas is de fundamentele wetten van diffractiegrens de minimumgrootte van de focale vlek van een laserbundel, welke deeltjes kleiner zijn dan een halve golflengte maakt diameter moeilijk te vangen en verhindert in het algemeen een operator discrimineren tussen deeltjes die dichter bij elkaar zijn dan de helft -wavelength. Dit verzet tegen de optische manipulatie van vele hechte nanodeeltjes en beperkt de resolutie van optische-mechanische systemen. Bovendien manipulatie met behulp van gerichte balken vereist-bundel vormen of stuur optica, die zeer omvangrijk en duur kan zijn. Aan te pakkendeze beperkingen in het systeem schaalbaarheid van conventionele optische trapping ons lab heeft een alternatieve techniek die near-field optics gebruikt om deeltjes bewegen over een chip bedacht. In plaats van zich te concentreren laserstralen in het verre veld, de optische nabije veld van plasmonische resonatoren produceert de nodige lokale optische intensiteit verhoging van de beperkingen van de diffractie te overwinnen en te manipuleren deeltjes met een hogere resolutie. Dicht bij elkaar gelegen resonatoren produceren sterke optische vallen die kunnen worden aangepakt om de hand-off van de deeltjes van de ene bemiddelen naar de volgende in een lopende-band-achtige manier. Hier beschrijven we hoe het ontwerpen en produceren van een transportband met een gouden oppervlak patroon met plasmonische C-vormige resonatoren en hoe te werken met gepolariseerd laserlicht om super-resolutie nanodeeltjes manipulatie en het vervoer te bereiken. De nano-optische transportband chip kan worden geproduceerd met behulp van lithografie technieken en gemakkelijk verpakt en gedistribueerd.

Introduction

Vastleggen, ondervraging en manipulatie van enkele nanodeeltjes zijn van toenemend belang in de nanotechnologie. Optische pincetten hebben een bijzonder succesvolle manipulatie techniek voor experimenten in de moleculaire biologie ^{1-4, 5-7} chemie en nano-assemblage ^7-10, waar ze baanbrekende experimenten mogelijk, zoals het meten van de mechanische eigenschappen van afzonderlijke DNA-moleculen en ⁴ worden het sorteren van cellen door hun optische eigenschappen ^11,12. Ontdekkingen in de volgende grenzen openstellen van de studie van nog kleinere systemen, en ze maken voor de engineering van nieuwe vrijwel heilzame producten en technieken. Op zijn beurt, deze trend drijft de behoefte aan nieuwe technieken om kleinere, meer rudimentair deeltjes manipuleren. Daarnaast is er een druk om "lab-on-a-chip" inrichtingen bouwen om deze functies goedkoper en dan kleiner uitvoeren om chemische en biologische proeven uit de bringlab en in het veld voor medische en andere doeleinden ^13,14.

Helaas kan conventionele optische trapping (COT) niet alle nanotechnologie groeiende vraag te voldoen. COT werkt op het mechanisme van het gebruik van een hoge numerieke apertuur (NA) objectieflens laserlicht een scherpe focus te brengen, waardoor een plaatselijke piek in optische intensiteit en hoge gradiënten in het elektromagnetisch veld. Deze energiedichtheid gradiënten oefenen een netto kracht licht-verstrooiende deeltjes die in het algemeen trekt deze in de richting van het midden van de focus. Trapping kleinere deeltjes vereist hogere optische macht of een strakkere focus. Echter, gerichte lichtstralen gehoorzamen het principe van diffractie, waarbij de minimale grootte van het brandpunt beperkt en plaatst een bovengrens voor het verloop energiedichtheid. Dit heeft twee onmiddellijke gevolgen: COT kan niet val kleine objecten efficiënt en COT heeft moeite onderscheid tussen dicht bij elkaar gelegen deeltjes, een trapping resolutiebeperking bekend als het probleem van de 'dikke vingers'. Bovendien uitvoering van meervoudige deeltjes vangen met COT vereist systemen beam-steering optics of spatial light modulators, componenten drastisch verhogen de kosten en complexiteit van een optisch opvangsysteem.

Een manier om de fundamentele beperkingen van conventionele gerichte lichtstralen te omzeilen, welke propageren in het verre veld, is de gradiënten van optische elektromagnetische energie in het nabije veld plaats benutten. Het nabije veld vervalt exponentieel uit de buurt van elektromagnetische velden, wat betekent dat niet alleen het sterk gelokaliseerd deze bronnen, maar vertoont ook zeer hoog gradiënten in de energiedichtheid. De nabije velden van nano-metalen resonatoren, zoals bowtie openingen nano pilaren en C-vormige gravures, bleken buitengewoon concentraties van elektromagnetische energie, verder versterkt door de plasmonische werking van goud en zilver vertonen met nagenoeg infrared en optische golflengten. De resonatoren werden gebruikt te controleren uiterst kleine deeltjes bij hoge efficiëntie en resolutie ^15-22. Hoewel deze techniek effectief in het vangen van kleine deeltjes is gebleken, heeft ook bewezen in zijn vermogen om deeltjes op merkbare bereik, die nodig is om nabije-veld systemen interface met verre-veld systemen of microfluidics transporteren beperkt.

Recent is de groep een oplossing voor dit probleem voorgesteld. Wanneer resonatoren worden geplaatst dicht bij elkaar, kan een deeltje in principe migreren van een nabije-veld optische val naar de volgende, zonder vrijkomen van het oppervlak. De richting van het vervoer kan worden bepaald als aangrenzende vallen kan worden in- en uitgeschakeld. Een lineaire serie van drie of meer adresseerbare resonatoren, waarbij elke resonator gevoelig is voor een polarisatie of golflengte van licht dan die van zijn buren, werkt als een optische transportband, transporteren nanoparticles over een afstand van enkele microns op een chip.

De zogenaamde 'Nano-Optical Conveyor Belt' (NOCB) is uniek onder de plasmonische resonator trapping regelingen, aangezien niet alleen kan het deeltjes zijn plaats te houden, maar het kan ze ook bewegen op hoge snelheid langs patroon sporen, te verzamelen of te verspreiden deeltjes, mixen en wachtrij hen, en ze zelfs door eigenschappen te sorteren, zoals hun mobiliteit ^23. Al deze functies worden geregeld door het moduleren van de polarisatie of golflengte van belichting, zonder de noodzaak van beam-steering optiek. Als een nabij-veld optische val, de NOCB vangen resolutie hoger is dan die van conventionele gefocusseerde bundel optische vallen, zodat onderscheid kan worden gemaakt tussen deeltjes dicht; omdat het gebruik maakt van een metalen nanostructuur aan het licht te concentreren in een trapping goed, het is energie-efficiënt, en geen dure optische componenten zoals een hoge NA doel nodig. Bovendien kunnen veel NOCBs parallel worden gebruikt, bij hoge verpakking dendiversiteit, op hetzelfde substraat en 1 W vermogen kunnen rijden over 1200 openingen ^23.

We hebben onlangs aangetoond dat de eerste polarisatie-driven NOCB, soepel voortbewegen van een nanodeeltje heen en weer over een 4,5 pm nummer ^24. In dit artikel presenteren we de stappen die nodig zijn om het apparaat te ontwerpen en te fabriceren, optisch activeren en te reproduceren het transport experiment. We hopen dat het maken van deze techniek op grotere schaal beschikbaar zal helpen bij het overbruggen van de kloof tussen de grootte van microfluidics, ver-veld optica en nanoschaal apparaten en experimenten.

Protocol

1. Ontwerp van de C-vormige Gravure (CSE) Array

1. Het ontwerp van de array patroon.

Figuur 1. CSE Layout. Afbeelding van transportband herhalen element. Succesvolle vervoer is bereikt met behulp van d _y = 320 nm en d _x = 360 nm. Aangrenzende paren gravures hebben een 60º relatieve rotatie-offset. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

1. Bepaal de gewenste pad van de deeltjes over een vlakke ondergrond.
2. Met behulp van een CAD ​​programma, genereren double-lineaire array van C-vormige polygonen langs de weg, elke veelhoek in elk paar achtereenvolgens gedraaid 30 ± 90 ° rond zijn convex omhulsel zoals weergegeven in figuur 1. Omdat zelf tegen een deeltjeolume ruwweg bepaalt haar handoff range ^22, laat niet meer dan één deeltje diameter scheiden opeenvolgende paren, en laat niet meer dan 90% van de afstand tussen de polygoon centra in een paar.
   Opmerking: Voor verwijzing, hebben eerdere studies aangetoond dat polystyreen bolletjes van 390 nm in diameter en hierboven zijn zeer geschikt voor transport over dergelijke CSE array. Beads van slechts 200 nm kan worden gemanipuleerd, maar niet betrouwbaar. Echter, parels groter dan 500 nm voel me sterker concurrerende krachten van een gerichte verlichting balk.

2. Controleer overdracht krachten langs de array patroon met een numerieke methode om de vergelijkingen van Maxwell op te lossen. Hoewel de hierin beschreven werkwijze heeft betrekking op de Finite Element Method (FEM) die door het commerciële software COMSOL, is het mogelijk om deze methode van andere numerieke methoden en implementaties passen.
   1. Het opstellen van een numerieke methode geometrie die het vlakke patroon afmetingen en ext herbergteindigt ten minste 200 nm onder het patroonvlak en 600 nm boven het vlak. Onder het vlak, onder een domein op het substraat vertegenwoordigen en boven het vlak van een domein de fluïdumkamer vertegenwoordigen. Extrusie van de planaire C-vormig patroon 150 nm beneden in het substraat, waardoor 3D domeinen naar het inwendige van de gravures vertegenwoordigen. Introduceer een deeltje domein met de gewenste vorm.
      1. Zorg ervoor dat er ten minste 200 nm ruimte tussen de bovenkant van het deeltje en het plafond van de simulatie volume en de simulatie extents passen als nodig. Add perfect afgestemd lagen ten minste 500 nm dikte op de open grenzen van de simulatie om uitwendige straling absorberen.
   2. Stel het elektromagnetische materiaaleigenschappen van het gebied boven de interface die van water, de materiaaleigenschappen van het inwendige van de C-vormige gravures aan die van waterstof silsesquioxaan (HSQ) en de materiaaleigenschappen van het resterende materiaal aan die van gold. Stel de materiaaleigenschappen van het deeltje met die van polystyreen of ander materiaal van keuze. Voor de eenvoud gebruiken lineaire elektromagnetisch materiaal modellen.
      Opmerking:. Een monster volledige 3D geometrie is weergegeven in figuur 2 in dit geval, PML materiaal domeinen Cartesiaanse ± x, ± y en z + grenzen vangen gebieden bedoeld doorgeven aan oneindig. PML dikte wordt gedefinieerd als 5 maal de maximale tetraëdrische grijpelement grootte, gelijk aan 5 x 100 nm = 500 nm.
   3. Als permittiviteit ɛ _r en permeabiliteit μ _r nodig ingangen voor de numerieke solver bij de hand, gebruik dan een relatieve diëlektrische constante van 1,96 voor HSQ, 1,77 voor water, en -52,15 - 3.57i voor goud. Zet alle relatieve permeabiliteit op 1. Als een elektromagnetisch ander materiaal dan permittiviteit en permeabiliteit eigendom nodig zijn, gebruik maken van deze waarden aan de vereiste ingangen ontlenen volgens norm elektromagnetische identiteiten. Gebruik de juiste teken of het imaginaire deel van goud volgens de complexe tijd harmonische tekenafspraak van de numerieke probleemoplosser (- i w t) overeenkomst moet negatief onder exp (+ iωt) overeenkomst en positief onder exp (zijn).

Figuur 2. Simulatie Geometry. Voorbeeld van een numerieke simulatie geometrie in de commerciële Eindige Elementen Methode software COMSOL. Twee transportband periodes worden gesimuleerd met d _y = 320 nm en d _x = 360 nm en een bol met een diameter van 500 nm. Schaduwrijke materiaal regio's a) HSQ, b) polystyreen, c) goud, en d) water. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. Discretiseren de simulatie volume met adaptieve tetraëdrische mESH. Beperk de maximale grootte van de mazen elementen niet groter dan 100 nm in de bulk. Bovendien beperken de maximale grootte van roosterelementen tot 30 nm op de bol oppervlak en 30 nm op de gravure oppervlakken nauwkeurigheid te vergroten op kritische structuren. Een matige mesh groei van ongeveer 1,4 moet worden gebruikt om de kwaliteit gaas element in die regio's te behouden, en een minimale maaswijdte kan ook worden gedefinieerd in het volume op onvoorspelbare adaptieve mesh gedrag te beperken.
5. Voor optische excitatie, definiëren een achtergrond harmonische vlakke golf met een vrije ruimte golflengte van 1064 nm, die normaal incidenten en gereflecteerd van de vlakke goud substraat als de gravures en deeltjes waren afwezig. Gebruik de fresnelvergelijkingen geëvalueerd in een normale invalshoek te vlakke golf reflectie en transmissie coëfficiënten te berekenen. Kies de polarisatie van de golf, zodat het elektrische veld is uitgelijnd met de nok van een C-vormige gravure. Normaliseren van de intensiteit van de vlakke golftot 1 mW / ² urn.
6. Los van de verstrooide elektromagnetische velden in een batch van simulaties, het vegen van de deeltjes plaats parameter van het ene uiteinde van het pad naar de andere terwijl hoogte van het deeltje constant enkele nanometers van het oppervlak. Hoogten zo laag als 5 nm hebben de neiging om zeer sterk trapping mogelijkheden te voorspellen, terwijl de grotere hoogten te voorspellen soepeler trapping mogelijkheden. In feite zal Brownse beweging ervoor dat een echte deeltje verschillende hoogtes boven het oppervlak verkennen.
   Opmerking: Computational middelen en tijd zal variëren met numeriek systeem grootte, numerieke methode, en computer hardware.
7. Herhaal stap 1.2.5 en 1.2.6 polarisatie uitgelijnd met elk van de andere twee polarisatie- afzonderlijke C-vorm oriëntaties, zoals polarisatiehoek wordt modulo 180 °.
8. Voor elke simulatie in de drie partijen, de berekening van de netto kracht op het deeltje door de integratie van de flux van de Maxwell-Minkowski spanningstensor door een oppervlakte die volledig omsluit het deeltje, maar geen materiële interfaces steken.
9. Voor elke polarisatie Bereken de werkzaamheden tegen optische krachten door het uitvoeren van een pad integraal van de netto negatieve optische kracht via pad dat het deeltje volgt in iedere batch, zie figuur 3.

Figuur 3. Trapping Verificatie. Stable trapping kan worden aangetoond door het plotten van de optische mogelijkheden van activering staten. Een enkele periode van slechts drie CSE wordt geanalyseerd op eenvoud. Inderdaad, de totale val diepte voldoende is (> 10 k _B T) voor stabiele trapping bij de geactiveerde graveren voor elke staat A, B, en C. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

ove_content ">
Figuur 4. Handoff Verification. Handoff kan worden aangetoond door het plotten van de optische mogelijkheden van oud (licht rood) en nieuwe (helder rood) activering staten in de juiste volgorde. Een enkele periode van slechts drie CSE wordt geanalyseerd op eenvoud. Tijdens handoff van A naar B en B naar C, de potentiaalbarrière richting gewenste beweging tussen die twee posities zowel kleine (1 k _B T) en kleiner dan die in de tegengestelde richting, wat aangeeft dat gecontroleerde handoff waarschijnlijk. Overdracht van C naar A is zeer moeilijk omdat de inter-trap barrière blijft flinke helemaal polarisaties. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

10. Controleer voor iedere polarisatie A, B, C en dat er een energiebarrière ten minste 10 kB T hoog aan weerszijden van het potentiaalminimum in elke periode van drie C. Zie Figuur 3 voor een visuele identificatie van de potentiële minima en barrières.
    Opmerking: Deze stap bepaalt of het deeltje stabiel wordt gevangen op de voorgestelde transportband zonder overslaan en weer. Vanwege de lineariteit van elektromagnetische golven en het gebruik van lineair materiaal modellen, de energiebarrière is evenredig met de spannende vlakke golf intensiteit.
11. Controleer of de energie barrières tussen aangrenzende traps A en B traps dip dan 1 k _B T wanneer de polarisatie continu wordt geroteerd van A naar B in deeltjes handoff. Herhaal polarisatie draaiing van B naar C en van C naar A. Zie Figuur 4 voor een visuele identificatie van deze overgang handoff mogelijkheden minima en barrières.
    Opmerking: Deze stap bepaalt of het deeltje betrouwbaar overbrengen van een trap A naar B een val tijdens polarisatiedraaiing. Deeltjezal gemakkelijk te overwinnen een barrière van de hoogte 1 k _B T om te verhuizen naar een diepere potentieel goed.
12. Als er een onvoldoende energie barrière in stap 1.2.10 of geen energie barrière die te sterk is in stap 1.2.11, passen het ontwerp. In het algemeen energie barrières verhogen, verhogen de ruimte delende C-vormige gravures. Om energie barrières te verlagen, brengt de gravures dichter bij elkaar. Vermijden dat ze dichter bij elkaar dan twee huid diepten (40 nm), zoals gravures die samen te dicht zijn elkaars resonantie stromingen, die de algemene effectiviteit vangen verlaagt kan verstoren. Herhaal stap 1.2 om opnieuw te controleren of de optische potentieel.

2. Fabriceer het CSE Array

Opmerking:. Het proces is afgebeeld in figuur 5 Dit proces is geïnspireerd op het werk in de ref. 25 en 26.

Figuur 5. CSE Process. Proces stroomschema van de dual-layer-template stripproces. E-beam lithografie met 100 keV energie wordt gebruikt om de transporteur patroon op de HSQ bloot te weerstaan. De dunne PMMA laag onder de HSQ is bedoeld om de laatste strip-off (release) van de inrichting van het Si-substraat te vergemakkelijken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

1. Verwerven van een schoon, gepolijst silicium wafer en breng het naar een schone kamer ingericht voor silicium lithografie processen.
2. Reinig de silicium wafer organische vervuiling en oxiden op het oppervlak te verwijderen.
   1. Dompel de wafer in een 9: 1 H ₂ SO _4: H ₂ O ₂ oplossing bij 100 ° C gedurende 10 min. Een bad van ten minste 1 L zorgt robuuste reinigen, hoewel minder chemische veiliger en gemakkelijker wafer verwerking kan toestaat faciliteiten vereisen.
   2. Dompel de wafer in een 50: 1 HF oplossing voor 30 sec. Een bad van ten minste 1 L zorgt robuuste reinigen, hoewel minder chemische veiliger en gemakkelijker wafer verwerking kan toestaat faciliteiten vereisen.
   3. Spoel de wafer met DI-water en spin-drogen.
3. Spin jas 50 nm PMMA (dikte is niet kritisch).
   1. Singe bak de wafer bij 150 ° C gedurende 30 min.
   2. Spin jas een gepolijste, schone silicium wafer met 2% 950K poly-methyl-methacrylaat (PMMA) bij 5000 tpm gedurende 40 sec. Breng de PMMA met een pipet, overloop 20-25 druppels weerstaan ​​op het midden van de wafel voor het begin van de spin.
   3. Voeg bak PMMA resist op verwarmingsplaat bij 200 ° C gedurende 2 min.
4. Spin jas 150 nm HSQ (dezelfde dag als de volgende stap).
   1. Draai aan HSQ negatieve toon weerstaan ​​bij 900 rpm gedurende 1 minuut. Breng de HSQ met een plastic pipet opnieuw landing 20-25 druppels weerstaan ​​op het midden van de wafel voor het begin van de spin.
   2. Bericht bakken HSQ weerstaan ​​op kookplat bij 80 ° C gedurende 2 min.
5. Bloot te leggen en de ontwikkeling van het patroon met behulp van electron beam lithografie technieken (dezelfde dag als de vorige stap). Het proces volgt uit de PMMA / HSQ dual-layer demonstratie in ref. 27.
   1. Vertaal het silhouet ontwerp tot GDSII formaat voor elektronenbundel patronen in een dosis array. Omvat uitlijnmerktekens en aantekeningen die ten minste 5 urn in grootte zijn om de nanostructuren te identificeren onder een optische microscoop. De dosis dient matrix variëren van 800-4,000 uC / cm ^2.
   2. Gebruik een elektronenstraalbelichtingsapparaat lithografie instrument om de array 100 kV versnellingsspanning en een opening van 60 urn, waarbij een stroom van 500 pA produceert bloot. Elektronenstraal belichting is ook mogelijk onder lagere versnelling van spanningen op voorwaarde dat de straalstroom, de dosis, en de nabijheid patroon correctie worden aangepast.
   3. Ontwikkelen van de blootgestelde HSQ door onderdompeling de wafer in een 2,2% tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) developer oplossing gedurende 90 sec. Schud voorzichtig de oplossing door verdringen de ontwikkelaar gerecht elke 10 sec. Na de ontwikkeling van de tijd voorbij is, onmiddellijk te stoppen met de ontwikkeling door te spoelen het oppervlak met water gedurende 60 sec.
6. Coat een laag goud 200 nm dikte, gevolgd door een koperlaag 1000 nm dik door magnetron sputteren. Zorg ervoor dat u een sputteren instrument waarvan goud sputteren tarief is gekalibreerd is, zodat het doel dikte wordt bereikt binnen 20% te gebruiken. Sputteren tarieven zullen variëren tussen instrumenten. Overshoot in goud dikte is acceptabel, zoals overshoot in koper.
7. Lijm een ​​1 cm x 1 cm kwarts achterplaat op patroon substraat met UV-uithardende epoxy.
   1. Verspreid druppel UV-uithardende epoxy op het koper van het monster in een 1 cm x 1 cm vierkant die het patroon apparaatgebied.
   2. Breng een kwarts / glazen achterplaat op de koperen oppervlak, om ervoor te zorgen dat het volledig bedekt het patroon apparaat gebied.
   3. Zet on UV veiligheidsbril.
   4. Rusten de achterplaat en wafer op een vlakke ondergrond, en verlichten de epoxy van boven met een UV-flood lamp ongeveer 30 min.
   5. Schakel de UV-flood lamp en verwijder de uitgeharde monster.
8. Laat de inrichting van het silicium substraat in een aceton bad.
   1. Met behulp van een scherp mes, scoren een gladde, gesloten pad rond het kwarts achterplaat, ervoor te zorgen dat de snede is diep genoeg om de hele weg te dringen door middel van de twee metalen lagen en de PMMA laag boven het silicium wafer.
   2. Onderdompelen van het substraat in een aceton bad voor 6-8 uur.
   3. Indien na 8 uur de inrichting monster nog vrijgelaten uit de siliciumwafel natuurlijk wrik de inrichting (inclusief de kwarts achterplaat en beide metaallagen) van de siliciumwafel met een dunne wig of een mes.
   4. Spoel de resulterende monster met aceton gedurende ongeveer 1 min en droog het _met N2 of schone lucht.
   5. Als er are ruwe randen van de metalen of lijm resterende rond de achterplaat voorzichtig trimmen ze weg met een scheermes of lab scharen. Dit zal de stromingsleer te verbeteren tijdens een trapping experiment door te zorgen voor een uniforme verdamping rond de chip randen.
   6. Bewaar het monster in een schone, stofvrije container voor transport naar de optische lab.

3. Bereid de Specimen Sample

1. Bereid een fluorescerende polystyreenparel oplossing.
   1. Verdun een fluorescent polystyreenparel oplossing van de concentratie van de fabrikant om 1x10 ⁹ / ml- 1x10 ¹⁰ / ml door toevoeging van het geschikte volume op 1 ml water.
   2. Voeg 0,05 ml oppervlakteactieve stof (octylfenol ethoxylaat) het specimen monster. De surfactant vermindert de neiging van de colloïdale kralen zich aan elk oppervlak, en ook enigszins verhoogt de viscositeit van de ontvangende vloeistof.

4. Kalibreer de Focus van de OpticalKolommen

Opmerking: Een schema van de inrichting kan worden verwezen in figuur 8.

1. Kalibreer het brandpunt van het monster imaging camera.
   1. Verwerven van een reserve, patroon, en platte reflecterend oppervlak voor het testen en kalibratie. Een dummy monster met uitlijnmarkeringen werkt goed.
   2. Zet de microscoop kwiklamp en wacht tot het lichtniveau is gestabiliseerd, open vervolgens de lamp sluiter.
   3. Plaats de patroon testoppervlak in de microscoop gezichtsveld en bewegen de rand in het gezichtsveld center. Pas licht dempers om ervoor te zorgen dat het licht niet te fel te observeren door het oculair, kijk dan door het oculair en breng de rand in beeld.
   4. Verplaats de microscooptafel zodat een patroon wordt nu in het midden van het gezichtsveld en de scherpstelling knop om de scherpte van het patroon te maximaliseren.
   5. Zet het monster imaging camera en de helderheid en het contrast tede microscoop verlichtingsniveau.
   6. Pas het model camera scherpstelling totdat het patroon is ook aandacht voor de camera. Het patroon moet aandacht gezien zowel de camera en het oculair zijn zonder enige focale aanpassingen bij het schakelen tussen de twee.
2. Kalibreer de kolom beam imaging zodat de laserbundel imaging camera gericht op het substraat.
   Opmerking: Aangenomen wordt dat het nabij-infrarood laser reeds ongeveer gecollimeerd is en in lijn met de microscoop imaging kolommen. Een IR-sensor kaart is een nuttig instrument om deze aanpassing uit te voeren. Het verdient aanbeveling het gehele systeem op een vooraf uitgelijnde support bouwen zoals een kooi systeem, zodat alle optiek kan worden gecentreerd op dezelfde as automatisch. Dichroïsche spiegels ingevoegd afzonderlijke balk en imaging golflengten standaard, maar om veiligheidsredenen niet meer lekken dan 1% van de lasergolflengte.
   1. Zorg ervoor dat elke onderzoeker in de kamer zet op laser safety bril met een extinctie van ten minste 10 ⁷ bij de golflengte van laserbewerking (1064 nm) en waarborgen dat de laserbundel sluiter wordt gesloten.
   2. Zet de laser stroomvoorziening en koeling, maar laat de balk luiken. Warmen de laser te krijgen medium.
   3. Zodra de bril op zijn plaats en de sluiter wordt gesloten bevestigd, zet de laser. Plaats een balk blok voor de laser en opent de sluiter om de uitvoer van de laserbundel te meten en te controleren met behulp van een vermogensmeter dat de laser vermogen gestabiliseerd. Houd de balk blok op zijn plaats.
   4. Om het monster imaging camera te beschermen tegen schadelijke niveaus van laserlicht, zorg beam verzwakkers zijn plaats voor het monster imaging camera, en een dichroïsche spiegel om de resterende stralingsenergie rechtstreeks naar een afzonderlijke balk beeldcamera. Ook moduleren het vermogen van de laser via dempers of een polariserende bundelsplitser zodat slechts een gematigde hoeveelheid vermogen (10 mW) doormet het apparaat.
   5. Verwijder de balk blok en laat de bundel om te reizen door de inrichting en vallen op de balk imaging camera detector.
   6. Zet de balk imaging camera en de helderheid en het contrast van het laserlicht niveau.
   7. Defocus de laserstraal zodat een groot gebied van het gevormde reflector wordt verlicht met laserlicht.
   8. Pas de focus van de bundel imaging camera tot de kenmerken van het model zijn in focus gelijktijdig met het witte licht beeld van het specimen beeldcamera en vertalen de camera, zodat het gezichtsveld wordt gericht op het gezichtsveld van het specimen imaging camera. De effectieve brandpuntsafstand verschuiving tussen de wit licht en het beeld van de bundel gaat de brandpuntsafstand discrepantie van de optica tussen de laser en zichtbare golflengten.
3. Breng de laser in beeld met de bundel imaging camera.
   1. Met behulp van de gekalibreerde focus in de bundel imaging camera, past de laserfocussering totdat het zich richt op het nauw en pas focuspositie de balk, zodat het valt in het midden van het gezichtsveld. Met behulp annotatie software of andere voorkeurswerkwijze, markeert de locatie van de straal in het gezichtsveld van de camera specimen.
   2. Sluit de laserstraal sluiter.

5. Trap en Manipuleer Specimen met optische energie

Opmerking: Een schema van de inrichting kan worden verwezen in figuur 8.

1. Afbeelding de fluorescerende polystyreen korrels.
   1. Vervang de dummy monster en dekglas met een schone dekglaasje in de monsterhouder van de microscoop.
   2. Plaats een tip over de kwijting einde van de micro-pipet en extract 2-4 pi van verdunde fluorescerende deeltjes oplossing met de pipet.
   3. Langzaam ontladen van de oplossing op het dekglaasje. Als er luchtbellen, verwijder ze door zachtjes te blazen schone lucht op de daling van de oplossing.
   4. Carefully plaats het apparaat op de top van de oplossing blob met goud naar beneden gericht. De oplossing moet verspreid over het hele gebied onder het apparaat.
   5. Verplaats de microscooptafel zodat een rand van de resonatormatrix chip is nabij het midden van het gezichtsveld. Bepaal focus op de rand van de chip.
   6. Vertaalt de microscooptafel zodat de resonator patroon nabij het midden van het gezichtsveld. Focus op de nanostructuren door te brengen donkere uitlijnmarkeringen in beeld, en er rekening mee dat de resonatoren zelf verschijnen als donkere vlekken in de lichte reflector achtergrond.
   7. Plaats een smal banddoorlaatfilter voor de kwiklamp die alle kleuren behalve die overeenkomt met de fluorescerende beads 'absorptiepiek blocks.
   8. Plaats een smal banddoorlaatfilter voor het monster beeldcamera waarvan alle kleuren behalve die overeenkomt met emissiepiek de fluorescerende beads 'blokken.
   9. Breng de fluorescerende beeld van the kralen in beeld, en merkt hun collectieve gemiddelde driftsnelheid tegen hun individueel willekeurige Brownse beweging. Wacht tot de kralen "gemiddelde drift snelheid vertraagt ​​tot minder dan 10 um / sec.
      Opmerking: Door verdamping bij de randen van de chip, en door dynamische krachten bezinken van de vloeistof onder het gewicht van de chip, kunnen er duidelijk zichtbaar stromen (tientallen um / s of meer) in het monster fluïdum. Als de verdamping niet te asymmetrisch langs de rand van de chip, wordt deze stromen uiteindelijk verminderen tot aanvaardbare niveaus een experiment uit te voeren.
2. Gebruik de gerichte laserstraal te vangen een polystyreenparel.
   1. Ervoor te zorgen dat alle onderzoekers zetten de juiste laser veiligheidsbril, en zet de laser terwijl de laserstraal sluiter gesloten. Zorg ervoor dat de laser output is minder dan 10 mW. Zorg ervoor dat het laservermogen is gestabiliseerd door het testen van de bundel uitgang met een balk blok in plaats die laserstraling voorkomthet invoeren van de microscoop.
   2. Zodra het laservermogen is gestabiliseerd, verwijder de balk blok en noteer de laser plek in beeld balk. Als de spot is onscherp, stel de laser scherpstelling tot minimale spot scherpstelling is bereikt.
   3. Terwijl ervoor te zorgen dat er voldoende dempers in de voorkant van de balk beeld te stralen detector verzadiging voorkomen worden geplaatst, geleidelijk verhogen van de laser uitgangsvermogen tot een drifting kraal stabiel kan worden vastgelegd in de bundel focus. Het scannen van de microscoop podium kan helpen bij het vangen van een kraal, die niet in het midden.
   4. Controleer of de gevangen kraal zich op of nabij de markering eerder aan de laser focuspositie in beeld het monster volgen. Indien er een verschil tussen de hiel staat en de laser scherpte, corrigeren laser scherpte naar de nieuwe positie kraal passen.
   5. Nu, stel de balk aannemer ingebouwd in de bundel pad tot de beamspot wordt uitgebreid tot 9 micrometer in doorsnede FWHM wanneer het volledig in focus. Meet deze alsrechte gedeelte intensiteit dwars door het centrum van de balk plek in beeld balk.
   6. Als de oorspronkelijke gevangen kraal werd verloren tijdens deze aanpassing, gebruikt u de vertaling podium te zoeken en val andere kraal.
      1. Als uitbreiding van de bundelvlek heeft de-gestabiliseerd de optische val (vanwege een verminderd intensiteitsverloop), verhoging van het bundelvermogen als nodig is om stabiele optische trapping bereiken. Als het verhogen van de brandpuntstipafmeting heeft verplaatst het centrum van de bundel vanaf zijn oorspronkelijke positie, opnieuw markeren de gemiddelde positie van de gevangen kraal in het monster beeld als bundel midden.
3. Vaststellen near-field vangen en te manipuleren polystyreen kraal aan een C-vormige gravure array.
   1. Zet de achtergrondverlichting lamp en verhoging van de energie tot het substraat patroon kan worden gezien in de achtergrond achter het beeld van fluorescerende kralen.
   2. Met een kraal gevangen door de losjes gefocusseerde bundel, gebruik maken van de microscoop podium to verplaatst het substraat patroon zodat het uiteinde van een reeks resonatoren direct achter de gevangen kraal te zien. Als willekeurige Brownse beweging van de kraal aanzienlijk wordt verlaagd, betekent dit dat de kraal is gevangen door het nabije veld van een opgewonden resonator.
      Opmerking: Als de kraal is nog niet gevangen door de optische nabije veld, stel de positie van de plasmonische resonatormatrix onder de kraal. Deze aanpassing kan de kraal brengen in nauwer contact met een resonator die beter aansluit bij de huidige polarisatie van het laserlicht. Als dit proces nabije veld trapping induceert, kan de focussering iets boven het substraatvlak. In dit geval passen de laserfocus enigszins zodat het brandpunt benadert het oppervlak van het substraat.
   3. Als na het kleine podium en laserfocus aanpassingen de kraal heeft nog steeds nog niet gevangen door de optische nabije veld, zoek een andere array op de ondergrond en herhaal de near-field trapping-proces, te beginnenmet stap 5.3.2.
      Opmerking: Fabrication schade veroorzaken zowel systematische en willekeurige variaties in de resonator prestaties. Niet-functionerende resonator arrays zijn vaak tot de fabricage resultaten zijn volledig gekarakteriseerd en herhaalbaar.
   4. Zodra nabije veld trapping is vastgesteld, verplaatst de microscoop translatietrap zodat het midden van de laserspot verblijft meer nabij het midden van de transporteur. Deze actie zal de neiging om de hiel te trekken samen met het midden van de gefocusseerde laser, zodat slechts kleine aanpassingen kunnen worden gemaakt op deze manier. Als een kraal wordt verdreven, vermindering van de beweging. Dit is het bedrag van de balk verplaatsing draaglijk door de near-field vallen.
   5. Na het verplaatsen van de bundel enigszins in de vorige stap, draait een halvegolflengteplaat geplaatst in het pad van de laserbundel naar de hoek van lineaire polarisatie draaien. Dit activeert resonatoren in een reeks langs de array en induceert gecontroleerd, lineaire beweging in de fluorescerende kraal. Een gemotoriseerde roterende stadium kan hijlp produceren meer gestage rotatie in de halve golf plaat en daardoor meer stabiel kraal beweging.
   6. Om de voortgang van de kraal en vastleggen van gegevens over de positie, schakelt de achtergrond verlichting lamp en het gebruik van een hulpprogramma video-opname frames van de kraal beweging vast te leggen. Naverwerking van het deeltje beweging kan worden bereikt met behulp van de bijgeleverde MATLAB script.

Representative Results

Figuur 7 is een beeld van de uiteindelijke inrichting. In het midden van de 1 cm x 1 cm goudoppervlak is de matrix van CSE en transportbanden patronen, die nauwelijks kan worden gezien vanuit een schuine zicht. Figuur 6 is een scanning elektronenmicroscoop beeld van een voorbeeld CSE patroon op de uiteindelijke inrichting.

Het deeltje beweging van een 390 nm polystyreenparel over een nano-optische transportband 5 urn in lengte reizen is getoond in figuur 9. De curve geeft de positie van de deeltjes als functie van laser polarisatiehoek. Zoals vermeld in het protocol, kunnen er gevallen waar het vervoer niet slagen of near-field trapping niet starten. De beste manier van handelen is om te proberen een ander patroon, die kunnen worden in een betere conditie.

Figuur 6. SEM beeld van CSE Array. scanning elektronenmicroscoop (SEM) beelden van het CSE patronen. (a) het beeld van HSQ mesas na de resist ontwikkeling toont. Het monster wordt gesputterd met 5 nm goud als een geleidende laag voor SEM inspectie. (b) -. (c) tonen definitief patronen nadat het monster is vrijgelaten uit het silicium substraat Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7. CSE Array Chip. Beeld van de uiteindelijke inrichting, ongeveer 10 mm x 10 mm in dimensie. De foto toont de voorzijde goudoppervlak van de inrichting. Diffractie van raspen ID markering is zichtbaar als multi-color pleinen in de buurt van het centrum van de chip. Gelieve click hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8. Experimentele apparaat. Schematische voorstelling van de experimentele apparatuur. Zowel trapping en beeldvorming worden uitgevoerd in reflectie modus. De verschillende lichtpaden onderscheiden met verschillende kleuren. De rode, groene, onderbroken rode, blauwe en gele lijnen geven de lichtpaden van optische trapping (transportband rijden), fluorescerende beeldvorming, laser-imaging, fluorescerende excitatie en respectievelijk helder veld verlichting. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 9. Bead Traject Over Double-Rail transportband. Positie versus polarisatie hoek voor een 390 nm kraal bewegen op een 4,5 micrometer lange dubbele-rail transportband. Beelden links tonen snapshots van de bol na elke transporteur periode. De curve op de juiste sporen de berekende positie van de kraal centra. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

De NOCB combineert de sterke vangen krachten en kleine val grootte van plasmonische aanpak met de mogelijkheid om deeltjes, lang alleen beschikbaar voor conventionele gefocusseerde bundel technieken vervoeren. Uniek aan de NOCB het vangen en transporteigenschappen van het systeem zijn het gevolg van patronen aan oppervlakken en niet van de vormgeving van de belichtingsbundel. Mits de verlichting helder genoeg en de polarisatie of golflengte kan worden gemoduleerd, deeltjes kan worden opgeslagen of vervoerd in gecompliceerde protocollen op het oppervlak. We hebben aangetoond door simulatie die een NOCB kan ook snel sorteren deeltjes op basis van hun mobiliteit ^23. Near-field traps kleine reactievolumes kunnen dienen voor één molecule chemie, en de inherente parallelizability van de NOCB betekent dat het kan worden gebruikt voor het opzetten, voeren en af ​​te breken zoveel simultane experimenten kan worden verpakt op een chip en verlicht eenmaal.

Om de NOCB, de near-field o aan de slagptical krachten die vast te houden en hand uit nanodeeltjes moet de concurrerende krachten van visceuze slepen, conventionele optische trapping (de kracht van de verlichting balk), thermophoresis en contact krachten met andere deeltjes en het substraat zelf te overwinnen. Het nabij-veld optische geldende zo sterk mogelijk voor een gegeven lichtsterkte; Dit vereist een zorgvuldige nanostructuur ontwerp en fabricage, maar in de praktijk moeten we een reeks structuren met verschillende karakteristieke afmetingen produceren om degene die het beste voor de gegeven golflengte belichting werkt selecteren. De viskeuze slepen en thermophoresis moet ook worden onderdrukt: terwijl ze niet in staat zijn om deeltjes te trekken uit near-field optische vallen, kunnen ze zeker maken het moeilijk om een ​​deeltje te krijgen op de NOCB array in de eerste plaats.

Wanneer het monster eerst onder de microscoop geplaatst, deeltjes gelijkmatig te verdelen over het gehele volume en zeer zelden dichtbij het CSE array. (Calcuties geven aan dat een deeltje binnen enkele tientallen nanometers van oppervlaktecontact te zitten moet bewegen.) Bij belichting eerst wordt ingeschakeld, zal het CSE matrix onmiddellijk opwarmen en een thermische gradiënt in het water dat deeltjes afstoot over een afstand van enkele honderden nanometers. Deze barrière wordt overwonnen door het vangen van een deeltje op een afstand met de gerichte verlichting balk, en handmatig het deeltje te slepen door de thermische barrière in de trapping gebied van het CSE. Maar zelfs deze werkwijze mislukt als de temperatuurgradiënt te hoog. In onze ervaring, de opname van de koperen heatsink laag was van cruciaal belang voor het tekenen van de warmte weg van het water en de verzwakking van de thermische krachten. De koperen koellichaam maakt het ook minder waarschijnlijk dat het water zal koken onder normale lichtintensiteit.

De optische gradiënt kracht op een zeer kleine deeltjesgrootte schalen als de derde macht van de deeltjesdiameter. Dit maakt het veel moeilijker om een ​​val van 100nm bead dan 200 nm kraal, aangezien de stroom moet acht maal groter het substraat verwarmen met hetzelfde bedrag verhoogd. In de praktijk aangeraden eerst trapping grotere korrels (400 nm of 500 nm diameter), optimaliseren van de val sterkte en het minimaliseren concurrerende krachten en vervolgens probeert vangen en transport van kleinere deeltjes.

Nadat het monster is voorbereid, kan experimenten worden uitgevoerd zolang de deeltjes vrij zwevend in water. Water verlaat het monster door verdamping langs de randen. In ons lab zet dit een ongeveer 20 min tijdslimiet op experimenten. Verdamping kan ook resulteren in een concurrerend viskeuze sleepkracht water wordt gevestigd op de randen van het monster. Indien het monster ruwe functies zoals opgebogen metalen randen of pieken die voorkomen dat het plat op de glasplaatje, hoe groter blootgestelde oppervlak van het water verdampingssnelheid. Als een zijde hoger dan de andere, zal de verdamping worden beïnvloed naaris de kant met de grotere steekproef-slide gap en de vloeistof zal snel bewegen over de nanostructuren, waardoor het moeilijker om te zien, te vangen en vasthouden deeltjes.

Eén NOCB kan deeltjes transporteren over de breedte van de belichtingsbundel en niet verder. Zoals de bundelintensiteit wegvalt, de herstelkracht van de gefocusseerde bundel groeit sterker en de NOCB overdracht kracht groeit zwakker, totdat polarisatiedraaiing heeft meer kans om het deeltje dan vooruit te ontgrendelen. Voor uitbreiding langere transportbanden of meer parallelle transporteurs, moet het belichtingsgebied worden vergroot. Een krachtige, onscherpe laserdiode kan een veel groter gebied dan de laser in deze experimenten gebruikte stroom. Alternatief het belichtingsgebied kan worden vergroot door snel scannen van de bundel met behulp van een akoestisch-optische deflector.

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