Abstract
작은 입자에 힘을 함정에 초점을 맞춘 레이저 빔을 사용 발휘하는 기술은 지난 몇 년 동안 나노 생물과 물리 과학의 많은 중요한 발견을 가능하게했다. 이 분야에서 진전을보다 쉽게 배포하고 널리 사용할 수 있습니다 도구, 더 작은 시스템의 더 큰 규모의 추가 연구를 초대합니다. 불행히도, 회절의 기본 법칙 트랩하기 어려운 지름이 반 파장보다 작은 입자를 만드는 레이저 빔의 초점 스폿의 최소 크기를 제한하고, 일반적으로 하나의 절반보다 더 가깝게되는 입자 사이에 차별 연산자 방지 -wavelength. 이것은 많은 밀접하게 이격 된 나노 입자의 광학 조작을 배제하고, 광 - 기계 시스템의 해상도를 제한한다. 또한, 집중 빔을 사용하여 조작이 매우 부피가 크고 비용이 많이들 수 있습니다 빔 형성 또는 스티어링 광학 필요합니다. 해결하기 위해종래의 광 트래핑 연구실의 시스템 확장 성에서 제한이 칩을 가로 질러 이동하는 입자를 근접장 광학을 이용하는 대안적인 방법을 고안했다. 대신 원거리에 레이저 빔의 초점을 맞추는, 플라즈몬 공진 근접장 광은 회절의 제한을 극복하고 높은 해상도로 입자를 조작하는 데 필요한 로컬 광 강도 향상을 생성한다. 밀접 간격 공진기는 컨베이어 벨트와 같은 방식으로 다음에 한에서 입자의 핸드 오프를 중재 해결할 수 있습니다 강력한 광학 트랩을 생산하고 있습니다. 여기서는 디자인 플라즈몬 C 형 공진기 및 방법 초해 나노 조작 및 수송을 달성하기 편광 된 레이저 광으로 조작하는 패터닝 금 표면을 이용하여 컨베이어 벨트를 제조하는 방법을 설명한다. 나노 광학 컨베이어 벨트 칩은 리소그래피 기술을 사용하여 제조 및 패키징 쉽게 분산 될 수있다.
Introduction
캡처, 심문 및 단일 나노 입자의 조작은 나노 기술의 중요성을 성장의이다. 광학 핀셋이 될 수 있도록 단일 DNA 분자 (4)과의 기계적 특성의 측정으로 획기적인 실험을 사용하도록 설정 한 분자 생물학 1-4, 5-7 화학 및 나노 조립 7-10에서 실험 특히 성공적인 조작 기술이되었다 그들의 광학 특성 11,12 의한 세포의 선별. 이러한 국경에 발견은 더 작은 시스템의 연구를 열어, 그들은 새로운 실질적으로 유익한 제품과 기술의 엔지니어링에 대한 방법을 확인합니다. 차례로, 이러한 경향은 새로운 기술들이 더 작고 기초 입자를 조작 할 필요가 구동한다. 또한, 의견 생화학 시험을 가지고 위해 더 저렴하고 더 작은 패키지에서 이러한 기능을 수행하기 위해 '랩 온어 칩'장치를 구축 할 수있다 푸시실험실, 의료 및 기타 목적으로 13, 14의 필드에.
불행하게도, 종래의 광 트래핑 (COT)는 나노 기술의 증가하는 요구 사항을 모두 충족 할 수 없습니다. COT 광 강도와 전자계 에너지 구배의 높은 국부 피크를 만드는 단단한 포커스에 레이저 광을 가지고 높은 개구 수 (NA)의 대물 렌즈를 사용하는 메커니즘을 동작한다. 이러한 에너지 밀도 구배는 일반적으로 초점의 중심을 향해 그들을 흡입 광 산란 입자에 힘을가 순. 작은 입자를 트래핑 높은 광 출력 또는 엄격한 초점을 필요로한다. 그러나, 광 빔의 초점이 초점 스폿의 최소 크기를 제한하고, 에너지 밀도 구배에 상한을 둔다 회절 원리 순종. 효율적으로 COT 수없는 함정 작은 물체를하고, 침대는, 트래핑 해상도를 문제 근접한 입자 사이에 차별이이 두 즉각적인 결과가제한은 '지방 손가락'문제로 알려져 있습니다. 또한, COT 여러 입자 트래핑 구현은 급격히 광 트래핑 시스템의 비용과 복잡성을 증가 빔 스티어링 광학 또는 공간 광 변조기들, 시스템 구성 요소를 필요로한다.
종래의 광 집속 빔의 근본적인 한계를 회피하는 하나의 방법은, 파 필드에서, 대신 근접장 광학 전자기 에너지의 기울기를 악용하는 전파했다. 니어 필드는 기하 급수적으로 떨어져 전자기장의 소스는 매우 이러한 소스 지역화뿐만 아니라 것을 의미 붕괴뿐만 아니라 에너지 밀도가 매우 높은 구배를 나타낸다. 이러한 나비 넥타이 구멍, 나노 기둥 및 C 모양의 조각으로 나노 금속 공진기의 근처 필드는 거의 infr에 더 골드와 실버의 플라즈몬 작용에 의해 강화 된 전자기 에너지의 특별한 농도를 나타내는 것으로 밝혀졌다ared 및 광학 파장. 이러한 공진기는 고효율 및 해상도 15-22에서 매우 작은 입자를 트랩하는데 사용되어왔다. 이 기술은 작은 입자를 포착하는데 효과적 입증되었지만, 그것은 또한 근거리 시스템 원방 시스템 또는 마이크로 유체와 인터페이스 할 경우에 필요한 상당한 범위에 걸쳐 입자를 운반하는 능력에 제한되는 것으로 입증되었다.
최근 우리의 그룹은이 문제에 대한 해결책을 제시하고있다. 공진기가 서로 매우 가까이에 위치하는 경우, 입자는 원칙적으로 표면으로부터 방출되지 않고 다음 한 근접장 광학 트랩에서 마이그레이션 할 수 있습니다. 인접한 트랩 별도로 온 오프 할 수있는 경우에 전송의 방향을 결정할 수있다. 각 공진기는 그 이웃과는 상이한 편광 또는 빛의 파장에 민감되는 세 개 이상의 어드레스 가능한 공진기의 선형 배열은, nanoparti 수송, 광학 컨베이어 벨트로 작동칩에 여러 미크론의 거리에 사이클 사용.
제자리에 입자를 보유 할 수 있지만, 또한 패턴의 트랙을 따라 빠른 속도로 이동할 수 있으며, 수집 또는 입자를 분산뿐만로서 소위 '나노 광학 컨베이어 벨트'(NOCB)는, 플라즈몬 공진 트래핑 기법들 중 고유 혼합을 대기하고, 심지어 자신의 이동성 (23)와 같은 속성별로 정렬. 이들 기능 모두는 빔 스티어링 광학 필요없이, 조명의 편광 또는 파장을 조절함으로써 제어된다. 근접장 광 트랩으로, 해상도를 포착 NOCB 종래 집속 광 빔 트랩보다 높다, 그래서 근접해있는 입자를 구분할 수있다; 그것이 잘 포착에 광을 집중하는 금속 나노 구조물을 사용하기 때문에 전력 효율이며, 이러한 높은 NA 대물 비싼 광학 부품을 필요로하지 않는다. 또한, 많은 NOCBs 높은 패킹 덴에서 병렬로 동작 될 수있다1200 (23)을 통해 개구 SITY는, 동일 기판 상에, 그리고 1 W의 전력을 구동 할 수있다.
우리는 최근에 부드럽게 앞뒤로 4.5 μm의 트랙 (24)를 따라 나노 입자를 추진, 제 1 편광 중심 NOCB을 증명하고있다. 이 문서에서는 광학적 장치를 설계하고 제조하는 데 필요한 단계를 제시하여 활성화하고 상기 전송 실험을 재현. 우리는이 기술이 더 널리 사용할 수 있도록하는 마이크로 유체, 원거리 광학 및 나노 장치 및 실험 사이의 크기의 격차를 해소하는 데 도움이되기를 바랍니다.
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Protocol
1. 디자인 C 모양의 조각 (CSE) 배열
- 배열 패턴을 디자인합니다.
컨베이어 벨트 반복 요소 그림 1. CSE 레이아웃. 묘사. 성공적인 교통 개발 Y = 320 nm의 D X = 360 nm의를 사용하여 달성되었다. 조각의 인접 쌍 오프셋 60 ° 상대 회전이있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 평면 기판에 대한 입자의 원하는 경로를 확인합니다.
- 도 1에 도시 된 바와 같이, CAD 프로그램을 이용하여, 경로를 따라 C 자 형상의 폴리곤 이중 선형 어레이를 생성, 각 쌍의 각각의 다각형은 연속적. 볼록 선체에 대해 ± 90 ° 30 회전 입자 자체 V 때문에olume 대략, 그 핸드 오프 영역 (22)을 결정하는 연속 쌍을 분리하는 하나 이상의 입경을 떠나지 않고, 한 쌍의 다각형 센터 사이의 거리에는 90 % 이상을 떠나지 않는다.
주 : 참고로, 이전의 연구는 390 나노 미터의 폴리스티렌 구체 직경 이상은 CSE 배열에 따라 전송에 가장 적합한 것을 나타낼. 200 나노 미터만큼 작은 비드 아니지만 확실하게 조작 할 수있다. 그러나, 500 nm의보다 큰 구슬은 집중 조명 빔에서 강한 경쟁의 힘을 느낍니다.
- 맥스웰 방정식을 풀기 위하여 수치적인 방법을 사용하여 배열 패턴에 따라, 핸드 오프의 힘을 확인한다. 본원에 개시된 방법은 상용 소프트웨어에 의해 구현 COMSOL 유한 요소법 (FEM)에 속하는 반면, 다른 수치 방법 및 구현에이 방법을 적용하는 것이 가능하다.
- 평면 패턴 치수와 EXT 수용 수치있어서 형상을 그리는패턴면 아래 최소 200 nm의 평면 위에 600 nm의를 종료합니다. 평면 아래에서, 유체 챔버를 나타내는 도메인을 나타내고, 기판면 위의 영역을 포함한다. 조각의 내부를 나타내는 3D 도메인을 생성 기판으로 하방의 평면 C 자형 패턴을 150 nm 돌출. 원하는 형상의 입자 도메인을 소개합니다.
- 입자의 상부 및 시뮬레이션 볼륨의 천정 사이의 공간의 적어도 200 nm의가 있음을 확인하고 필요에 따라 시뮬레이션 범위를 조정한다. 외부 방사선을 흡수하는 시뮬레이션의 개방 경계에 완벽하게 일치 층을 두께가 최소 500 nm의를 추가합니다.
- 물 것과 인터페이스 상기 도메인의 전자 재료 특성을 설정, 수소 실 세스 퀴 옥산 (HSQ), 및 GOL의 것과 남은 재료의 재료 특성들에 C 형상의 조각의 내부 물성D. 폴리스티렌의 그 또는 선택한 다른 물질 입자의 재료 속성을 설정합니다. 간략화를 위해, 전자 재료 선형 모델을 사용한다.
참고 :. 샘플 완전한 3D 형상은 그림 2에 표시됩니다이 경우, 직교 ±의 X에서 PML 재료 도메인, Y, ±, 및 + Z 경계 필드가 무한대로 전파 할 의미 흡수한다. PML 두께는 5 × 100 내지 = 500nm의 5 배와 동일한 최대 사면체 메쉬 체 크기로 정의된다. - 유전율 ɛ R과 투자율 μ r은 손에 수치 해석에 대한 입력을 요구하는 경우, HSQ, 물 1.77, 및 -52.15 위해 1.96의 상대 유전율을 사용 - 3.57i을 금. 유전율과 투자율 이외의 전자 물성이 필요한 경우 표준 전자 정체성에 따라 필요한 입력을 유도하기 위해이 값을 사용하여 1로 모든 상대 투자율을 설정합니다. 적절한 기호 O를 사용하여F 수치 해석의 복잡한 시간 고조파 기호 규칙에 따라 금의 허수 부분은 (- 내가 T ω) 대회는 특급 (+ 특급 아래 iωt) 컨벤션 및 양극 (아래 음이어야 함).
- 평면 패턴 치수와 EXT 수용 수치있어서 형상을 그리는패턴면 아래 최소 200 nm의 평면 위에 600 nm의를 종료합니다. 평면 아래에서, 유체 챔버를 나타내는 도메인을 나타내고, 기판면 위의 영역을 포함한다. 조각의 내부를 나타내는 3D 도메인을 생성 기판으로 하방의 평면 C 자형 패턴을 150 nm 돌출. 원하는 형상의 입자 도메인을 소개합니다.
상업 유한 요소법 소프트웨어 COMSOL의 수치 시뮬레이션 형상의 그림 2. 시뮬레이션 형상. 예. 두 컨베이어 벨트 기간은 Y D 320 nm이고, D, X = 360 nm 내지 500 nm의 직경을 구 = 시뮬레이션된다. 음영 자료 영역이 있습니다) HSQ, b)는 폴리스티렌, C) 금, 및 d) 물. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 적응 사면체 m과 시뮬레이션 볼륨 이산화ESH. 벌크보다 크지 100 ㎚에 메쉬 요소의 최대 크기를 제한. 또한, 중요한 구조에서의 정확도를 증가시키기 위해 표면에 음각 구 표면에 30 nm 내지 30 nm의 메시 요소의 최대 크기를 제한. 약 1.4의 적당한 메시 성장률은 그 영역에서 메쉬 소자의 품질을 유지하기 위해 사용되어야하고, 최소 메쉬 크기도 예측할 메쉬 적응 동작을 제한하도록 체적으로 정의 될 수있다.
- 광 여기의 경우, 일반적으로 입사하고 조각 및 입자가없는 것처럼 평면형 금 기판에 반사 1,064 nm의 자유 공간 파장의 배경 고조파 평면파를 정의한다. 평면파 반사 및 투과 계수를 계산하는 법선 입사 각도에서 평가 프레 넬 방정식을 사용한다. 전기장이 C 자형 조각의 능선과 정렬되도록이 파의 편광을 선택합니다. 평면 파의 강도를 정상화1 mW의 / μm의 2.
- 표면 오프 몇 나노 미터 입자의 높이가 일정하게 유지하면서 다른 경로의 일단 부로부터 입자 위치 파라미터 스위핑, 시뮬레이션 일괄 흩어져 전자기장에 대한 해결. 5 nm의 낮은 고도는보다 고도 부드럽게 트래핑 전위를 예측하면서, 매우 강한 트래핑 전위를 예측하는 경향이있다. 사실, 브라운 운동이 실제 입자 표면 위의 고도의 다양성을 조사 할 것을 보장한다.
참고 : 전산 자원과 시간이 수치 시스템 크기, 숫자 방법 및 컴퓨터 하드웨어에 따라 달라집니다. - 반복 편각이 모듈로 180 ° 촬영 한, 다른 두 편파 구별 C 자형의 각 방향으로 정렬 된 편광 1.2.5 및 1.2.6 단계.
- 세 가지 일괄 적으로 각각의 시뮬레이션의 경우, 맥스웰 - 민코프 스키 스트레스 텐서의 플럭스를 통합하여 입자의 총 힘을 계산 입자를 완전히 둘러싸는 있지만 재료 인터페이스를 통과하지 않는 표면을 통해.
- 각각의 편광에 대해,도 3에 도시 한 바와 같이 입자가, 각 배치에서 다음 경로를 통해 음의 순 광학 힘 경로 적분을 수행하여 광학 힘에 대해 수행 된 작업을 계산한다.
그림 3. 트래핑 확인. 안정적인 트래핑은 활성화 상태의 광 잠재력을 음모에 의해 설명 될 수있다. 단지 세 가지의 CSE의 단일 기간은 간단하게하기 위해 분석된다. 실제로, 전체 트랩 깊이가 충분하다 (> 10 K B 형 T) 각 상태에 대한 활성화 된 조각에서 안정적인 트래핑에 대한 A, B와 C는 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 핸드 오프 검증. 핸드 오프는 순차적으로 이전 (밝은 빨강)의 광 잠재력과 새로운 (밝은 빨강) 활성화 상태를 플롯에 의해 설명 될 수있다. 단지 세 가지의 CSE의 단일 기간은 간단하게하기 위해 분석된다. C에 B 및 B로부터 핸드 오프 동안, 두 위치 사이의 소정의 운동 방향의 전위 장벽은 제어 된 핸드 오프가 같다는 것을 나타내는, 반대 방향에서보다 모두 작은 (1 K B 형 T) 및 작다. A와 C에서 핸드 오프가 간 트랩 장벽이 모든 편파에서 상당한 남아 있기 때문에 가장 어렵습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 각각의 편광에 대한 확인, B 및 C는 적어도 10 (k)의 에너지 장벽이 있다는세 세슘의 각 기간에서의 최소 전위의 양쪽의 높이 B에 T. 잠재적 최소값과 장벽의 시각적 식별 3을 참조하십시오.
주 :이 단계는 입자를 안정적으로 앞뒤로 스킵없이 제안 컨베이어 벨트 상에 포획 될 것인지를 결정한다. 전자파의 선형성 및 선형 소재 모델의 사용으로 인해, 에너지 장벽은 흥미로운 평면파 강도에 비례한다. - 편광 연속에서 회전 인접 트랩 및 1 K B 형 T 아래 B 트랩 딥 사이의 에너지 장벽이 입자 핸드 오프 동안 B로 확인합니다. C에서 B의 편광 회전을 반복하고, C에서 A로 이러한 핸드 오프 전환 가능성 최소값과 장벽의 시각적 식별 그림 4를 참조하십시오.
참고 : 입자가 안정적으로 편광 회전 중에 트랩 (B)에 트랩에서 전송하는 경우이 단계를 결정합니다. 입자쉽게 깊은 전위 웰의 높이로 이동 한 k 개의 B (T)의 장벽을 극복한다. - 1.2.10 단계 또는 단계 1.2.11의 너무 강한 어떤 에너지 장벽의 임의 불충분 에너지 장벽이 존재하는 경우, 디자인을 조정한다. 일반적으로, 에너지 장벽을 인상 C 모양의 조각을 나누어 공간을 증가시킵니다. 가깝게 조각을 가지고, 에너지 장벽을 낮추려면. 서로 너무 가까이 조각이 전체 트래핑 효과를 낮추고 서로의 공진 전류를 방해 할 수 있으므로, 두 피부 깊이 (40 ㎚)보다 더 가까이 그들을 함께 데리고하지 마십시오. 단계를 반복 1.2 광 잠재력을 다시 확인합니다.
2. CSE 어레이를 제조
참고 :. 프로세스 다이어그램은 그림 5에 표시됩니다이 과정은 심판의 작품에서 영감을. (25, 26).
그림 5. CSE 방법. 프로세스 흐름도. 100 keV의 에너지를 갖는 전자 빔 리소그래피는 레지스트 HSQ에 컨베이어 패턴을 노광하기 위해 사용된다. HSQ 아래에 얇은 PMMA 층은 Si 기판에서 장치의 최종 스트립 오프 (릴리스)를 용이하게하기위한 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 깨끗한 연마 된 실리콘 웨이퍼를 획득 실리콘 리소그래피 공정 구비 청정실에 가져다.
- 표면에 유기물 오염 및 산화물을 제거하기 위해, 실리콘 웨이퍼를 청소한다.
- 1 H 2 SO 4 : 9에 웨이퍼 담궈 H 100 ℃에서 2 O 2 용액을 10 분 동안. 시설 필요에 따라 적게는 화학 물질은 안전하고 쉽게 웨이퍼 처리를 허용 할 수 있지만 적어도 1 L의 목욕, 강력한 청소를 보장합니다.
- wafe을 찍어30 초 동안 1 HF 용액 : (50) R. 시설 필요에 따라 적게는 화학 물질은 안전하고 쉽게 웨이퍼 처리를 허용 할 수 있지만 적어도 1 L의 목욕, 강력한 청소를 보장합니다.
- 철저하게 탈 이온수와 웨이퍼를 씻어하고 스핀 건조.
- 스핀 코트 50 nm의 PMMA (두께는 중요하지 않다).
- 그을음을 30 분 동안 150 ℃에서 웨이퍼를 굽는다.
- 스핀 코팅 950K 2 % 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA)와 연마, 깨끗한 실리콘 웨이퍼를 40 초 동안 5000 rpm에서. 스핀을 시작하기 전에 웨이퍼의 중심에 저항의 20 ~ 25 방울을 방문, 피펫으로 PMMA를 적용합니다.
- 포스트 베이크 PMMA는 2 분 동안 200 ℃에서 핫 플레이트 상에 레지스트.
- 스핀 코트 150 nm의 HSQ (다음 단계로 같은 날).
- HSQ 부정적인 톤에 스핀은 1 분 동안 900 rpm으로 저항. 다시 회전을 시작하기 전에 웨이퍼의 중심에 저항의 20 ~ 25 방울을 방문, 플라스틱 피펫 HSQ을 적용합니다.
- 포스트 베이크 HSQ는 hotpl에 저항2 분 동안 80 ℃에서 먹었다.
- 노출 및 전자빔 리소그래피 기술 (이전 단계와 동일한 일)를 사용하여 패턴을 개발한다. 이 과정은 심판의 PMMA / HSQ 듀얼 레이어 데모에서 다음과 같습니다. 27.
- 도즈 배열 전자빔 패터닝 GDSII 포맷 실루엣 디자인 번역. 광학 현미경으로 나노 구조를 식별하기 위해 크기가 최소 5 μm의 아르 얼라인먼트 마크 및 주석을 포함한다. 용량 어레이는 800-4,000 μC / ㎠ 범위해야합니다.
- 100 kV의 가속 전압에서의 배열과 500 Pa의 전류를 생산하는 60 ㎛, 조리개, 노출 전자빔 리소그래피 노광 도구를 사용합니다. 낮은 가속 전압을 적절하게 조정되는 빔 전류, 도즈, 및 근접 보정 패턴을 제공 하에서 전자빔 노광도 가능하다.
- 2.2 %의 테트라 메틸 암모늄 히드 록 시드에 웨이퍼를 침지하여 노광을 개발 HSQ (TMAH) 드90 초 동안 veloper 솔루션입니다. 조심스럽게 개발자 접시마다 10 초 싸움이 치열하여 솔루션을 선동. 현상 시간이 경과 한 후, 즉시 60 초 동안 물로 세척하여 표면을 발전 정지.
- 코트 마그네트론 스퍼터링에 의해 두께 1000 nm의 구리 층의 두께에 이어 금 200nm의 층. 그 금 스퍼터링 속도 목표 두께는 20 % 내에서 달성 될 수 있도록 조정 된 스퍼터링 도구를 사용하십시오. 스퍼터링 속도는 도구에 따라 달라집니다. 구리의 오버 슈트와 같이 금 두께에 오버 슈트가 좋다.
- 자외선 경화형 에폭시와 패턴 기판에 1cm X 1cm 뒤로 석영 판을 접착제.
- 패턴 화 된 디바이스 영역을 커버하는 1cm X 1cm 광장에서 시료의 구리면에 자외선 경화형 에폭시의 한 방울을 확산.
- 완전히 패턴 화 된 디바이스 영역을 다루고 있음을 확인하고, 구리 표면에 석영 / 유리 백 플레이트를 적용합니다.
- O를 넣어N 자외선 안전 안경.
- 평평한 표면에 백 플레이트와 웨이퍼를 휴식, 약 30 분 동안 자외선 홍수 램프 위에서 에폭시를 조명.
- 자외선 홍수 램프를 끄고 경화 샘플을 제거합니다.
- 아세톤 욕에서 실리콘 기판에서 장치를 해제.
- 날카로운 칼날을 사용하여 절단 개의 금속층과 실리콘 웨이퍼 위에 PMMA 층을 통해 모든 방법을 관통하기에 충분히 깊고있는 것을 확인하고, 다시 석영 플레이트 주위에 부드러운 폐쇄 경로 점수.
- 6-8 시간 동안 아세톤 조에서 기판을 담근다.
- 8 시간 후에 장치 샘플은 아직 자연스럽게 실리콘 웨이퍼로부터 방출되지 않은 경우라면, 얇은 쐐기 또는 나이프를 사용하여 얻어 실리콘 웨이퍼로부터 (석영 배면 판 양쪽 금속층을 포함) 장치를 꺼낼.
- 약 1 분 동안 아세톤 결과 샘플을 씻어 N 2, 깨끗한 공기로 건조.
- 이 아칸소 경우금속 백 플레이트 주위에 남아있는 접착제의 전자 거친 가장자리는 신중하게 면도칼 또는 실험실 가위로 그들을 멀리 트림. 이것은 칩의 가장자리 주위를 균일하게 증착하도록함으로써 트래핑 실험 중에 유체 역학을 향상시킬 것이다.
- 광학 연구실로 전송을 위해 깨끗하고 먼지 방지 용기에 샘플을 저장합니다.
3. 견본 샘플을 준비
- 형광 폴리스티렌 비드 솔루션을 준비합니다.
- 물 1 ㎖에 적절한 볼륨을 추가하여 1 × 9 / ml- 1 × 10 / ㎖로 제조업체의 농도에서 형광 폴리스티렌 비드 솔루션을 희석.
- 견본 샘플로 계면 활성제의 0.05 ㎖ (옥틸 페놀에 톡실 레이트)를 추가한다. 계면 활성제는 표면에 부착하는 콜로이드 구슬의 경향을 감소시키고, 또한 약간 호스트 유체의 점성을 증가시킨다.
4. 광학의 초점을 보정열
주 : 장치의 개략도가도 8에서 참조 할 수있다.
- 시험편 촬상 카메라의 포커스를 보정.
- 시험 및 교정에 대한 패턴, 예비, 평면 반사 표면을 획득. 정렬 마크와 더미 샘플은 잘 작동합니다.
- 현미경 수은 램프를 켜고 빛 수준이 안정화 될 때까지, 다음 램프 셔터를 열고 기다립니다.
- 보기의 현미경 필드에 패턴 테스트 표면을 놓고보기 센터의 필드에 가장자리를 이동합니다. 빛이 후, 접안 렌즈를 통해 관찰 접안 렌즈를 통해보고 초점 가장자리를 가지고 너무 밝은하지 있는지 확인하기 위해 광 감쇠기를 조정합니다.
- 패턴은 시야의 중심에 있는지 있도록 현미경 스테이지를 이동하고, 패턴의 선명도를 최대화하는 초점 노브를 조정한다.
- 시편 화상 카메라의 전원을 켜고에 밝기와 대비를 조정현미경의 조명 수준.
- 패턴이 카메라의 초점도까지 시편 카메라의 초점을 조정합니다. 패턴은 두 개 사이를 전환 할 때 임의의 초점 조정을 수행 할 필요없이 두 카메라의 뷰와 접안 렌즈 초점에 있어야한다.
- 레이저 이미징 카메라가 상기 기판 상에 집중되도록하여 이미징 빔 컬럼 교정.
주 : 근적외선 레이저 이미 대략 평행되었음을 가정하고 현미경 촬상 열로 정렬된다. IR 센서 카드이 정렬을 수행하기위한 유용한 도구이다. 이는 이러한 광학 모두가 자동으로 동일한 축선을 중심으로 할 수 있도록 케이지 시스템으로 사전 정렬 지지체상의 전체 시스템을 구축 할 것을 권장한다. 별도의 이미징 빔의 파장 및 삽입 이색 거울 표준이지만, 안전을 위해 레이저 파장의 1 % 이상 유출해서는 안된다.- 방에있는 각 연구원은 레이저 페트에두고 있는지 확인레이저 동작 (1064 ㎚)의 파장에서 적어도 107의 멸종 Y 고글은 레이저 빔, 셔터 폐쇄되도록.
- 레이저 전원 공급 장치 및 냉각 시스템을 켭니다하지만 문을 닫았 빔을 둡니다. 레이저 이득 매체를 워밍업.
- 고글이 제자리에있는 셔터가 닫힌 확인되면, 레이저를 켜. 레이저 출력이 안정되었는지, 레이저 앞에 빔 블록을 배치하고 파워 미터를 이용하여, 레이저 빔의 출력을 측정하고 확인하는 셔터를 연다. 장소에 빔 블록을 유지합니다.
- 레이저 광의 유해한 수준에서 표본 촬상 카메라를 보호하기 위해, 반드시 광 감쇠기는 별도 빔 촬상 카메라에 남아있는 빔 에너지를 지시 할뿐만 아니라, 다이크로 익 미러, 시험편 촬상 카메라 앞에 제자리에 있도록. 힘의 적절한 양 (10 mW의)를 통과하도록도, 감쇠기 또는 편광 빔 스플리터를 사용하여 레이저 전력을 변조장치에 관한 것이다.
- 빔 블록을 제거하고 빔 장치를 통해 이동하고 빔 촬상 카메라 검출기로 떨어지지.
- 빔 촬상 카메라를 켜고 밝기를 조정하고, 레이저 광 레벨 대조적.
- 패터닝 된 반사체의 광역 레이저 광에 의해 조명되도록 레이저 빔의 디 포커스.
- 패턴의 특징 시험편 촬상 카메라의 백색광 화상과 동시에 초점까지 빔 촬상 카메라의 초점을 조절하고, 시야각이 시험편 촬상의 시야 중심되도록 카메라 번역 카메라. 백색광 화상과 빔 사이의 오프셋 화상 유효 초점 레이저 가시 파장 사이의 광학 초점 길이의 편차를 상쇄.
- 빔 이미징 카메라 초점 레이저를 가져와.
- 빔 촬상 카메라에 포커스 보정을 사용하여 레이저를 조정빔 포커스 이것은 꽉 스폿에 초점을 맞추고, 그것이 시야의 중앙에 오도록 빔의 초점 위치를 조정할 때까지. 주석 또는 소프트웨어의 다른 선택 방법을 사용하여, 도면의 시험편 카메라의 시야에서 빔의 위치를 표시한다.
- 레이저 광 셔터를 닫는다.
5. 트랩 및 광 에너지로 시료를 조작
주 : 장치의 개략도가도 8에서 참조 할 수있다.
- 이미지 형광 폴리스티렌 비즈.
- 현미경의 샘플 홀더에 깨끗한 커버 슬립과 더미 샘플 및 커버 슬립을 교체합니다.
- 마이크로 피펫의 배출 단부에 팁을 놓고 피펫으로 희석 형광 입자 용액의 2-4 μl를 추출합니다.
- 천천히 커버 슬립 위에 용액을 배출. 거품이있는 경우, 부드럽게 솔루션의 드롭에 깨끗한 공기를 불어 제거합니다.
- Carefully 금면이 아래로 향하도록 솔루션 덩어리의 상단에 장치를 배치합니다. 용액 장치 하에서 전체 영역에 걸쳐 확산한다.
- 공진기 어레이 칩의 에지가 시야의 중심 부근에 있도록 현미경 스테이지를 이동. 칩의 가장자리에 초점을 설정합니다.
- 공진기 패턴은 시야의 중심 부근에 있도록 현미경 스테이지를 번역. 초점 어두운 정렬 마크를 가져 와서 나노 구조에 초점 공진기 자체가 밝은 반사 배경에 어두운 점으로 나타나는 있습니다.
- 이는 형광 비드 '흡수 피크에 대응하는 것보다 모든 색상 다른 블록 수은 램프 앞의 협 대역 통과 필터를 삽입한다.
- 이는 형광 비드 '발광 피크에 대응하는 것보다 모든 색상 다른 블록 시험편 촬상 카메라 앞의 협 대역 통과 필터를 삽입한다.
- 일의 형광 이미지를 가져그들의 개별적으로 임의의 브라운 운동에 대한 자신의 집단 평균 드리프트 속도에 주목 초점으로 전자 구슬,. 구슬 평균 드리프트 속도가 10 ㎛ 미만 / 초로 느려 때까지 기다립니다.
주 : 칩의 중량 아래 유체의 동적 안정화 힘, 가시적으로 명백 전류가있을 수 인해 칩의 가장자리에서 증발, 의한 시료 유체 (μm의 / s 이상의 수십). 증발은 칩의 가장자리를 따라 너무 비대칭이 아닌 경우,이 전류는 궁극적으로 실험을 수행하기 위해 허용 가능한 수준으로 감소한다.
- 함정에 초점을 맞춘 레이저 빔 폴리스티렌 비드를 사용합니다.
- 모든 연구자들이 적절한 레이저 안전 고글에 넣어 있는지 확인하고 레이저 빔 셔터를 유지하는 것은 폐쇄하면서 다음 레이저를 켭니다. 레이저 출력은 10 mW의보다 작은 있는지 확인합니다. 레이저 방사선을 방지 대신 빔 블록 광 출력을 테스트함으로써, 레이저 파워가 안정되었는지 확인현미경 들어가는.
- 레이저 출력이 안정되면, 빔 블록을 제거하고, 빔 상에 레이저 스폿을 참고. 스폿이 초점이 맞지 않는 경우 최소 스폿 포커스가 달성 될 때까지, 레이저 초점을 조정한다.
- 충분한 광 감쇠기는 검출기의 포화를 방지하기 위해 빔 이미지의 앞에 배치되는 것을 보장하면서 표류 비드 빔 포커스에서 안정적으로 캡처 될 수있을 때까지, 점진적으로 레이저 출력을 증가시킨다. 현미경 단계 검사는 오프 센터 비드 트래핑에 지원할 수 있습니다.
- 갇혀 비드 또는 표본 이미지에서 레이저 초점 위치를 추적하기 위해 이전에 만든 마크 근처에 위치하고 있는지 확인합니다. 비드의 위치와 레이저 초점 마크 사이에 차이가있는 경우, 새로운 비드 위치와 일치하도록 레이저 포커스 표시를 수정한다.
- 그것은 초점이 완전히 때 빔 스폿 직경의 FWHM 9 μm의 확장 때까지 지금, 빔 경로에 내장 된 빔 계약자를 조정합니다. 등이 측정빔 이미지의 빔 스폿의 중심을 직진 강도 단면도.
- 원래 갇혀 구슬이 조정 중에 손실 된 경우, 다른 구슬과 트랩 검색 번역 단계를 사용합니다.
- 빔 스팟을 확대하는 (인한 강도 저하 구배) 광 트랩 탈 안정화 된 경우, 안정된 광 포착을 달성하기 위해 필요에 따라 상기 빔 파워를 증가시킨다. 초점 크기를 증가 시키면 얻어 원래의 위치로부터 빔의 중심을 이동 한 경우, 빔 중심으로 표본 화상 포획 비드의 평균 위치를 재 표시한다.
- 근접장 트래핑을 설정하고 C 형상 조각 배열 폴리스티렌 비드를 조작.
- 배경 조명 램프를 켜고 기판 패턴이 형광 구슬의 이미지 뒤에 배경에서 볼 수있을 때까지 전력을 증가시킨다.
- 느슨하게에 초점을 맞춘 빔에 의해 갇혀 비드로, 현미경 스테이지 (T)를 사용O 공진기의 배열의 단부는 갇힌 비드 바로 뒤에 볼 수 있도록, 기판의 패턴을 이동. 비드의 임의의 브라운 운동이 크게 감소 될 경우,이 구슬은 흥분 공진기의 근처 필드에 의해 갇혀 의미한다.
주 : 비드 아직 근접장 광에 의해 포획되어 있지 않은 경우, 하부 비드 플라즈몬 공진 어레이의 위치를 조정한다. 이 조정은 더 레이저 광의 편광 전류와 정렬 공진기와 가까이 접촉 비드를 가져올 수도있다. 이 프로세스는 근접장 트래핑을 유발하지 않는 경우, 상기 빔 포커스 약간 기판 평면 위에있을 수있다. 초점 스폿이 기판의 표면에 가까워 지도록이 경우, 약간의 레이저 초점을 조정한다. - 단 작은 레이저 초점 조정 후 비드 여전히 아직 근접장 광에 의해 포획되지 않은 경우, 출발 기판 상에 다른 배열을 찾아 근접장 트래핑 과정을 반복단계 5.3.2.
참고 : 제작 결함 공진기 성능 모두 체계적이고 임의의 변화를 야기한다. 작동하지 않는 공진기 어레이 제조 결과가 완전히 특성화되었다까지 일반적이고 반복적이다. - 레이저 스폿의 중심은 컨베이어의 중앙에 더 가까이있는 트래핑되도록 일단이 확립 근접장 현미경의 변환 스테이지를 이동. 이 동작은 단지 작은 조정이 방식으로 제조 될 수 있도록, 집속 레이저의 중심과 함께 비드를 끌어 경향이있다. 비드가 빠질 수 없게되면, 움직임을 줄일 수 있습니다. 이 근접장 트랩에 의해 허용되는 빔의 변위량이다.
- 이전 단계에서 약간 변위 빔 후, 직선 편광의 각도로 회전 시키도록 상기 레이저 빔 경로에 배치 된 반 파장 플레이트를 회전한다. 이 형광 구슬의 배열과를 유도 제어, 직선 운동 아래 순서로 공진기를 활성화합니다. 전동 로터리 스테이지 그가 할 수있는LP는 반파 플레이트에서 더 안정된 회전 때문에 더 안정된 비드 모션을 생성한다.
- 그 위치에 비드 캡처 데이터의 진행 상황을 추적 배경 조명 램프를 끄고 비드 운동의 프레임을 캡처 비디오 캡처 유틸리티를 사용합니다. 입자 운동의 후 처리는 MATLAB 제공된 스크립트를 사용하여 달성 될 수있다.
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Representative Results
도 7은 최종 장치의 그림이다. 1cm X 1cm의 금 표면의 중심에 거의 직각 도면으로부터 알 수있는 CSE 및 반송 패턴,의 행렬이다. (6)는 최종 디바이스에서 예시 CSE 패턴의 주사 전자 현미경 사진이다도.
길이 나노 광학 컨베이어 벨트는 5㎛ 건너 여행 390 nm의 폴리스티렌 비드의 입자 운동은도 9에 도시되어있다. 곡선은 레이저 편광 각도의 함수로서 입자의 위치를 나타낸다. 프로토콜에서 언급 한 바와 같이, 전송이 성공하지 않거나 근거리 트래핑가 시작하지 않는 경우가있을 수 있습니다. 최선의 조치는 더 나은 상태에있을 수있는 다른 패턴을 시도하는 것입니다.
CSE 아르곤의 그림 6. SEM 이미지레이. CSE 패턴의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지. (a) 현상 후의 레지스트 HSQ 암석의 사진을 보여준다. 샘플을 SEM 검사 용 도전 층으로서 5 nm의 금으로 스퍼터링된다. (B) -. 샘플이 실리콘 기판에서 출시 이후에 (C) 최종 패턴을 보여주는 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
최종 장치의 그림 7. CSE 어레이 칩. 그림, 치수 약 10mm X 10mm. 사진 장치의 정면 금 표면을 나타낸다. ID 표시를 격자에서 회절 칩의 중심에서 가까운 멀티 컬러 사각형으로 표시됩니다. 카스티하세요이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 ICK.
8. 실험 장치를 그림. 실험 장치의 개략도. 트래핑과 영상 모두 반사 모드에서 수행됩니다. 다른 빛의 경로는 다른 색상을 사용하여 구별된다. 빨간색 점선, 녹색, 빨간색, 파란색과 노란색 라인 광학 트래핑 (컨베이어 운전), 형광 이미징, 레이저 이미징, 형광 여기 각각 시야 조명의 빛 경로를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9. 구슬 궤적 이상 두 번 레일 컨베이어. 4.5 μm의 긴 더블 레일 컨베이어 벨트에 이동 390 nm의 구슬에 대한 편광 각도 대 위치. 각 컨베이어 기간 이후 영역의 왼쪽 쇼 스냅 샷의 이미지. 오른쪽에있는 곡선이 구슬 센터의 계산 된 위치를 추적합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
NOCB는 기존의 초점 빔 기술에 대한 긴 가능한 입자를 수송하는 강력한 트래핑 힘과 능력을 갖춘 플라즈몬 접근의 작은 함정의 크기를 결합합니다. NOCB 고유 시스템의 트래핑 및 전송 특성은 표면 패터닝의 결과가 아닌 조명 빔을 성형하는. 제공된 조명은 충분히 밝고 편광 또는 파장은, 변조 될 수있는 입자가 파지 표면 상에 복잡한 프로토콜을 이동시킬 수있다. 우리는 NOCB도 신속하게 정렬 자신의 이동성 (23)에 계 입자 수 있습니다 시뮬레이션을 통해 증명하고있다. 근거리 트랩은 단일 분자 화학에 대한 작은 반응 볼륨을 제공 할 수 있으며, NOCB의 고유 parallelizability는, 설정 수행하고 칩에 포장 및 조명 될 수만큼의 동시 실험을 해체하는 데 사용할 수 있다는 것을 의미합니다 한 번.
, 근접장 O 작업을 NOCB를 얻으려면보유 및 나노 입자를 넘겨 ptical 힘은 다른 입자와 기판 자체 점성 드래그, 종래의 광 트래핑 (조명 빔의 힘), 열 영동 및 연락처 힘의 경쟁 세력을 극복해야합니다. 근접장 광학 힘이 주어진 조명 전원용 가능한 강해야한다; 이는 조심 나노 구조물 설계 및 제조를 필요로하지만, 실제로, 우리는 주어진 조명 파장에 대한 가장 적합한 하나를 선택하기 위해 서로 다른 특성을 가진 구조의 크기 범위를 생성 할 필요가있다. 점성 드래그하여 열뿐만 아니라 억제해야한다 : 그들은 근접장 광학 트랩에서 입자를 끌어하지 못할 수 있지만, 그들은 확실히 어려운 처음에 NOCB 배열에 입자를 얻을 수 있습니다.
샘플 제 현미경 놓이면, 입자 부피에 걸쳐 균일하게 분산하고 매우 드물게 CSE 어레이 가까이 올 것이다. (Calculations이 입자 표면 접촉의 나노 미터가 갇혀 될 수십 내에서 이동해야 함을 나타냅니다.) 조명을 처음 켜면, CSE 배열은 즉시 가열 거리에 입자를 격퇴 물에 열 구배를 생성합니다 수백 나노 미터. 이 장벽은 CSE의 트래핑 필드에 열 장벽을 통해 입자를 끌어 수동 포커싱 된 조명 빔과 거리 입자를 포착하고,에 의해 극복된다. 온도 경사가 너무 높은 경우에도이 방법이 실패한다. 우리의 경험에 의하면, 구리 히트 싱크 층의 포함은 열 힘을 멀리 물에서 열을 그리기 및 약화에 매우 중요했다. 구리 히트 싱크는 또한 물이 정상 조도 하에서 끓여 것이라는 것이 어렵게 만든다.
매우 작은 입자에 광 경도 력은 입자 직경의 세제곱 스케일링. 이 트랩 (100)에 훨씬 어렵게200 nm 인 나노 비드보다 비드, 이후 파워는 여덟 배 증가 동일한 양만큼 기판 가열을 증가시켜야한다. 실질적인 문제로서, 우리는 먼저 큰 비드 포착 추천 (400 내지 500 nm의 직경), 트랩 강도를 최적화하고 경쟁 력을 최소화하고 트래핑 및 작은 입자의 반송을 시도.
샘플을 제조 한 후 입자가 자유롭게 물에 떠있는 한, 실험 길이로 행할 수있다. 물 가장자리를 따라 증발하여 샘플을 종료합니다. 우리 실험실에서의 실험이 약 20 분의 시간 제한을 둔다. 물이 샘플의 가장자리를 그린 바와 같이 증발은 또한 경쟁 점성 항력을 초래할 수있다. 샘플은 절곡해서 금속 가장자리 또는 유리 슬라이드에 평평하게 눕혀져 않도록 스파이크 같은 거친 기능을 가지고있는 경우, 물의 큰 노출 표면적은 증착 속도 것이다. 한쪽이 다른 쪽보다 높으면 증발쪽으로 바이어스 될 것이다어렵게 참조 캡처 및 입자를 개최하고, 더 큰 샘플 슬라이드 간격 및 나노 구조를 통해 빠른 속도로 이동합니다 유체와 측면이야.
단일 NOCB 더 이상의 조명 빔의 폭을 가로 질러 입자를 수송 할 수 없지만. 빔의 강도가 내려 바와 같이, 포커스 빔의 복원력이 강한 성장 및 편광 회전이 앞으로 이동보다 입자를 방출 할 가능성이 때까지 NOCB 핸드 오프 힘은 약한 성장한다. 긴 컨베이어 이상의 병렬 컨베이어 연장, 조명 영역은 증가되어야한다. 강력한 디 포커스 레이저 다이오드는 이러한 실험에 사용 된 레이저에 비해보다 넓은 면적에 전력 있었다. 대안 조명 영역이 빠르게 음향 광학 편 향기를 이용하여 빔을 주사함으로써 증가 될 수있다.
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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 |
References
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