Nous reconnaissons Thorlabs pour le parrainage de cette publication et le financement de recherches en sciences naturelles et en génie (CRSNG) du Canada subvention à la découverte. Nous remercions Bryce Cyr et Douglas Rennehan pour aide à la production dans la fabrication de cet article vidéo.

Le principe de la technique de piégeage SIBA est illustré à la figure 1. Figure 2 est une vue schématique du dispositif expérimental. 1. Configuration piégeage optique Pour cette partie de la procédure, reportez-vous au kit de piégeage optique manuel 9 ou le module de mesure optique vigueur manuel 10 pour plus de détails sur la configuration des kits. Notez qu&#39;une photodiode à avalanche (APD) est utilisé à la place d&#39;un détecteur de position quadrant. Pour les vis non inclus dans le kit de piégeage optique, utilisez-les dans le bouchon à vis et un kit de matériel (Thorlabs, HW-KIT2). Protection des yeux devrait être porté en tout temps lorsque le laser est activé. Assurez-vous que le faisceau est contenu dans une zone sûre et accessoires réfléchissants, tels que des bijoux, devrait être évitée. En outre, la protection de décharge électrostatique est recommandé lors de la manipulation des diodes laser. <ol><li> Mettre en place le kit de pince optique (Thorlabs, OTKB / M) et le mesu vigueurModule urement (Thorlabs, OTKBFM) selon leurs manuels respectifs. Une photodiode à avalanche à base de silicium (APD) (Thorlabs, APD110A) est utilisé à la place de la force de mesure du module (Thorlabs, OTKBFM) détecteur de position quadrant. </li><li> Connectez l&#39;APD à un oscilloscope (Tektronics, TDS1012) via un câble coaxial. </li><li> Ajouter une lame demi-onde (Thorlabs, AHWP05M-980) à l&#39;intérieur de l&#39;expanseur de faisceau. La lame demi-onde est fixée entre deux tubes de lentille (Thorlabs, SM1L03). </li></ol> 2. Nanofabrication <ol><li> Couper une lame d&#39;essai revêtu d&#39;or (EMF Corp, Cr / Au) en quatre morceaux identiques. Comme alternative aux diapositives disponibles dans le commerce, nous avons également utilisé un film de 100 nm d&#39;épaisseur d&#39;une couche Au 2 nm Ti adhésion déposé par e-beam dépôt sur une lame de verre carré de 1 pouce à une température de substrat élevée de 200 ° C pendant au moins au moins 1 heure. Cela produit un film polycristallin lisse. </li><li> Créer une image bitmap de la structure en double-nanotrou comme entrée pourle faisceau d&#39;ions focalisé (FIB) est un système bitmap. L&#39;image est constituée de deux cercles pleins, 160 nm de diamètre avec une distance centre à centre de 190 nm. Ce modèle crée une séparation pointe d&#39;environ 15 nm. Entre les cercles, une ligne mince en option peut être placé pour enlever tout résidu métallique entre les conseils. Figure 3a montre une image bitmap par exemple. </li><li> Fabriquer la structure en double nanotrous l&#39;aide d&#39;un FIB (Hitachi, FB-2100) Système de fraisage. Convertir le bitmap à l&#39;étape 2.2 dans un modèle de fraisage FIB (la zone sombre de l&#39;image bitmap se blanchi selon la FIB). Utilisez une tension d&#39;accélération d&#39;ions de 40 kV, un limiteur de faisceau ouverture de 15 um de diamètre sous K 60 fois grossissement. Mill 80 passe pour chaque double-nanotrou avec une dose de 5 microsecondes de temps à chaque passage. Figure 3b montre une structure typique en résulte. Répéter au besoin. Nanotrous multiples doivent être faits pour tenir compte des erreurs. </li><li> Ajouter des marques d&#39;enregistrement, soit en utilisant le FIB et / ou par het pour indiquer l&#39;emplacement approximatif de la double nanotrous (s). </li><li> Éventuellement, prendre un cliché MEB des trous d&#39;évaluer avec précision la qualité de la structure et de la séparation pointe. </li></ol> 3. Microfluidique Chambre Un diagramme de flux de processus de fabrication de la chambre microfluidique est illustré à la figure 4. <ol><li> Verser 10 g de polydiméthylsiloxane (PDMS) de base (Dow Corning Canada, Base de Sylgard 184 Élastomère silicone) et un supplément de 1 g de durcisseur (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Durcisseur silicone élastomère) dans un gobelet jetable. Mélanger pendant quelques minutes. </li><li> Évacuer le mélange dans la chambre à vide jusqu&#39;à ce que toutes les bulles ont disparu. </li><li> Verser 1,5 g de PDMS dans un diamètre de 9 cm boîtes de Pétri. Spin couche de PDMS sur le fond de la boîte de Pétri à 950 tours par minute pendant 65 sec. Figure 4b montre le résultat. L&#39;épaisseur n&#39;est pas critique tant qu&#39;elle est inférieure à 80 um, le film d&#39;or se trouve dans la partie inférieure microscope objectivitédistance de travail de e. </li><li> Le déposer doucement 5.3 # 1.5 lamelles (Fisher Scientific, 12-541-B) sur le de telle sorte qu&#39;ils ne se chevauchent pas et évacuer pendant 30 minutes comme indiqué sur la figure 4c PDMS. </li><li> Si lamelles déplacé et empilées les unes au-dessus de l&#39;autre pendant l&#39;évacuation, les déplacer doucement l&#39;un l&#39;autre. Des précautions doivent être prises pour maintenir PDMS sous lamelles minces et uniformes. </li><li> Si la manipulation des lamelles a été requise, évacuer boîte de Pétri à nouveau pendant 30 min. </li><li> Retirer le plat de Petri de la chambre à vide et cuire sur plaque chauffante pendant 20 min à 85 ° C. </li><li> En utilisant une lame de rasoir, couper une des le couvercle glisse doucement soulevez la lame avec des pincettes pointe fine. Une fine couche de PDMS va rester sur la lamelle en PDMS est plus adhésif sur la lamelle de verre que le plat de Pétri PMMA comme dans Figure 4e. </li><li> Découper une fenêtre de 3 x 3 mm dans le PDMS avec une lame de rasoir comme dans la figure 4f. Cette fenêtre se forme dans la chambre où le nanoparticle solution sera conservée. </li></ol> 4. Préparation des échantillons <ol><li> Fabriquer une lame de microscope avec un trou de ¾ &quot;de diamètre au centre de l&#39;acrylique. Ceci peut être accompli avec un laser. D&#39;autres matériaux peuvent être utilisés aussi bien. L&#39;échantillon d&#39;or sera placé à l&#39;intérieur du trou. </li><li> Tape la circonférence du trou avec du ruban adhésif double face. Utilisez une lame de rasoir pour couper le ruban excès. </li><li> Lame de microscope place sur la lamelle, PDMS face. </li><li> Diluer la solution de nanosphères de polystyrène (Thermo Scientific, 3020A) à partir de 1% p / v à 0,05% p / v en utilisant de l&#39;eau désionisée. Une micropipette peuvent être utilisées. </li><li> Ajouter quelques gouttes de solution dans la fenêtre de PDMS. Ajouter une goutte sur l&#39;échantillon d&#39;or où les nanotrous sont situés. </li><li> Lieu échantillon d&#39;or sur le dessus de lamelles tels que les nanotrous sont à l&#39;intérieur de la fenêtre PDMS. Assurez-vous que les bulles ne sont pas présents à l&#39;intérieur de la chambre. Appuyez sur l&#39;échantillon d&#39;or contre la lamelle et tamponner l&#39;excès de solution. </li><li> Si vous utilisez un objectif à immersion d&#39;huile (comme c&#39;est le cas ici, mais pas nécessaire), ajouter une goutte d&#39;huile à immersion sur le côté opposé de la lamelle, sous la fenêtre de PDMS. Prenez note de l&#39;emplacement des nanotrous. </li><li> Insérer lame de microscope dans le porte-lame, l&#39;huile vers le bas, puis porte-lame inférieure jusqu&#39;à ce que l&#39;huile d&#39;immersion est en contact avec l&#39;objectif de microscope. </li><li> Aligner approximativement scène de la diapositive telle que les marques indicateurs sont au-dessous de l&#39;objectif. </li><li> Suivez les lignes de signalisation menant à la nanotrous. Glissière position telle que les marques d&#39;indicateurs et d&#39;autres espaces ouverts sont effacés de l&#39;écran central. Transmission de la lumière excessive peut endommager l&#39;APD. </li><li> Allumez le laser. Comme le miroir dichroïque n&#39;est pas parfait, un endroit près du centre de l&#39;écran par le faisceau laser doit apparaître. </li><li> Utilisation du logiciel de commande piézo stade, d&#39;affiner l&#39;alignement sur les trois axes. </li></ol> 5. Acquisition de données <ol><li> Avec le casquep des marques indicatrices, la position de la tache à proximité d&#39;un emplacement nanotrous connue. Les nanotrous sera trop petite pour être résolu et ne doit apparaître que comme des taches. </li><li> La transmission de la lumière à travers l&#39;échantillon est indiquée par le niveau du signal sur l&#39;oscilloscope. Poursuivre l&#39;alignement de l&#39;échantillon pour maximiser la transmission de la lumière. Méfiez-vous des marques et des rayures indicateur visibles et non visibles comme la transmission de lumière seront élevés dans ces zones. Nanotrous montrera sauts brusques de transmission de la lumière tout en rayures présenter des changements plus graduels. </li><li> En utilisant la lame d&#39;onde, ajuster la polarisation de la lumière pour la transmission de lumière plus élevé que la structure à double nanotrous est polarisée. </li><li> Pour minimiser le bruit, de construire un filtre RC avec la carte de, 200 kW et résistance condensateur 100 pF et connectez-le après l&#39;APD par l&#39;intermédiaire d&#39;un câble coaxial. Ces valeurs peuvent être ajustées pour optimiser les performances, compte tenu de la largeur de bande d&#39;acquisition de données requis. </li><li> Connecter l&#39;oscilloscope et les données acquisModule ition (Omega, USB-4711A) pour le filtre RC avec des câbles coaxiaux et des adaptateurs T. </li><li> Goûtez à la tension de la DPA à l&#39;aide du module d&#39;acquisition de données pour la durée souhaitée. Temps d&#39;acquisition sont généralement dans les centaines de secondes. Dans ce cas, un logiciel personnalisé a été utilisé pour l&#39;acquisition de données. La tension est échantillonnée à 2.000 fois par seconde. </li><li> Matlab, filtrer les données acquises à l&#39;aide d&#39;un filtre Savitzky-Golay et tracer en fonction du temps sur un graphique. </li></ol>

<ol>
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Production et le libre accès à cet article est sponsorisé par Thorlabs.

La configuration actuelle a des capacités de piégeage efficaces en raison de la structure de la nanotrou. Ce pièges nanotrous particules diélectriques ~ 10 nm échelle à de faibles intensités optiques. D&#39;autres nouveaux pièges optiques comprennent optiques antennes dipôles 11, murmure-galerie-mode résonateurs optiques 12,13 et guides d&#39;ondes 14; toutefois, ils fonctionnent généralement dans le régime perturbatif, qui est limitée par la mise à l&#39;échelle de quatrième ordre inverse de la puissance optique requise par rapport à particules taille, contrairement à la SIBA et double-nanotrou piège. Formes alternatives d&#39;ouverture ont également été présentés pour le piégeage, comme un rectangle nanopore plasmonique 15. D&#39;autres qualités favorables indiquées par le double piège-nanotrou comprennent le comportement des particules de taille sélective 7, un emplacement unique piégeage (pour limiter les multi-particules piégeage) et de la facilité de fabrication 16. Comme une alternative à l&#39;aide d&#39;un FIB, double-nanotrous peuvent être fabriqués en utilisant une lithographie colloïdaley 6. Piégeage de matériels biologiques d&#39;polarisabilité grande taille et a inclus des bactéries 3, les cellules vivantes, le 3 17,2,18 virus de la mosaïque du tabac et à la manipulation et l&#39;étirage des brins d&#39;ADN attachés aux extrémités par de grandes particules diélectriques 19, mais plus petit de piégeage directe échantillons biologiques sans attache reste difficile. Cette configuration de piégeage est capable de piéger les particules diélectriques à des intensités lumineuses plus faibles que pinces de lumière conventionnelles et la nanotrous circulaire, permettant aux petites particules biologiques qui se tiendra pendant de longues périodes de temps sans dommages ou modem. En outre, les événements de piégeage présentent un rapport signal-sur-bruit permettant cette configuration fonctionne comme un capteur sensible et de détecter les plus petites particules biologiques, tels que les virus et les protéines. En fait, 20 sphères de polystyrène nm ont un indice de réfraction de 1,59 ce qui est comparable aux plus petites particules biologiquestels que les virus. Cette méthode pourrait devenir une technique fiable et mature pour l&#39;immobilisation et la manipulation de nanoparticules, dont les particules biologiques. Les applications de cette technique comprennent l&#39;intégration dans un environnement microfluidique. Au lieu d&#39;une seule chambre microfluidique, un canal pourrait être utilisé pour contrôler dynamiquement l&#39;environnement, idéal pour la détection de l&#39;indice de réfraction. Une telle configuration serait fixé dans une seule puce microfluidique menant à une configuration plus stable et robuste et une analyse plus rapide des solutés. Une autre option est le développement d&#39;un système de détection par fluorescence pour la caractérisation de simples fluorescence taggés les virus, les points quantiques semi-conducteurs et des protéines fluorescentes vertes. Cette configuration a aussi des possibilités de modification dans un biocapteur pour un virus ou une protéine unique, permettant de très petits échantillons à analyser. La découverte de médicaments 21 et la maladie et l&#39;infection de détection 22 serait bénéficier d&#39;un détecteur de protéine unique. Raman spéctroscopy peuvent être incorporés pour la détection de signaux Raman de particules et de simples événements contraignants. La structure à double nanotrou permet de fortes améliorations sur le terrain locaux dans les conseils, adaptés à la pointe améliorée par spectroscopie Raman 23. Un très spécifique sans étiquette méthode de caractérisation des matériaux serait également possible en utilisant la spectroscopie Raman 24.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom </td><td> Fabricant </td><td> Numéro de série </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Immersion dans l&#39;huile </td><td> Labs Cargille </td><td> 16484 </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Sylgard 184 Kit élastomère silicone </td><td> Dow Corning Canada </td><td></td><td> Quantité: 1 Contient à la fois la base et le durcisseur PDMS </td></tr><tr><td> Or diapositives d&#39;essai revêtu </td><td> EMF Corp </td><td> Cr / Au </td><td> Quantité: 1 Une couche d&#39;adhésion Ti peut être utilisée aussi bien </td></tr><tr><td> Non 1.5 Lamelles </td><td> Fisher Scientific </td><td> 12 à 541-B </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Système de faisceau focalisé d&#39;ions- </td><td> Hitachi </td><td> FB-2100 </td><td></td></tr><tr><td> Portable module d&#39;acquisition de données </td><td> Omega Engineering </td><td> USB-4711A </td><td> Quantity: 1 </td></tr><tr><td> Platine de translation </td><td> Parker </td><td> 4034M </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Chef diode laser et le contrôleur </td><td> Sacher Lasertechnik Groupe </td><td> TEC 120 </td><td> Quantité: 1 Manuel Tunable Laser System Littrow </td></tr><tr><td> Oscilloscope numérique </td><td> Tektronics </td><td> TDS1012 </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> 20 nm de Taille NANOSPHERE </td><td> Thermo Scientific </td><td> 3020A </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> 1 &quot;Monture </td><td> Thorlabs </td><td> LMR1 </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> 0.3 Tube Lens &quot; </td><td> Thorlabs </td><td> <a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=SM1L03" target="_blank">SM1L03</a> </td><td> Quantité: 2 </td></tr><tr><td> D&#39;absorption filtre ND 4,0 </td><td> Thorlabs </td><td> NE40A </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Aluminium Breadboae </td><td> Thorlabs </td><td> MB1824 </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Avalanche Photodiode </td><td> Thorlabs </td><td> APD110A </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Affichage numérique de la puissance optique </td><td> Thorlabs </td><td> PM100 </td><td> Quantité: 1 Obsolètes, d&#39;autres le feront </td></tr><tr><td> Mesure des forces Module </td><td> Thorlabs </td><td> OTKBFM </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Cinématique Mirror Mount </td><td> Thorlabs </td><td> KM200-E03 </td><td> Quantité: 1 Avec Mirroir IR Qualité Près laser </td></tr><tr><td> Laser Diode Driver à courant constant </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255R </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> LD1255 plaque de table de montage optique </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255P </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Gendarmerie achromatique lame demi-onde </td><td> Thorlabs </td><td> AHWP05M-980 </td><td> Quantité: 1 690 - 1200 nm </td></tr><tr><td> Kit pince optique </td><td> Thorlabs </td><td> OTKB / M </td><td> Quantité: 1 Métrique ou Impérial </td></tr><tr><td> Poster Base de support </td><td> Thorlabs </td><td> BA2 </td><td> Quantité: 2 </td></tr><tr><td> Alimentation </td><td> Thorlabs </td><td> PS-12DC-Unis </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Câble d&#39;alimentation </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255-CAB </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Plaque à angle droit </td><td> Thorlabs </td><td> AP90 </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Right Angle Clamp Message </td><td> Thorlabs </td><td> RA90 </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Acier inoxydable Message optique </td><td> Thorlabs </td><td> TR3 </td><td> Quantité: 1 </td></tr><tr><td> Table Clamp </td><td> Thorlabs </td><td> CL1 </td><td> Quantité: 2 Obsolètes, d&#39;autres le feront </td></tr><tr><td> Capteur thermique </td><td> Thorlabs </td><td> PM210 </td><td> Quantité: 1 Pour wattmètre optique numérique </td></tr><tr><td> Condensateur 100 pF </td><td></td><td></td><td> Quantité: 1 Toute marque, pas critique </td></tr><tr><td> 200 Résistance KOhm </td><td></td><td></td><td> Quantité: 1 Toute marque, pas critique </td></tr><tr><td> Acrylic Sheet </td><td></td><td></td><td> Quantité: 3 &quot;x 1&quot; Toute marque, pas critique </td></tr><tr><td> Assortiment de câbles coaxiaux, câbles et connecteurs </td><td></td><td></td><td> Au besoin </td></tr><tr><td> Planche à pain </td><td></td><td></td><td> Quantité: 1 Toute marque, pas critique </td></tr><tr><td> Lentille concave </td><td></td><td></td><td> Quantité: 1 Toute marque, pas critique </td></tr><tr><td> Diamond Cutter </td><td></td><td></td><td> Quantité: 1 Toute marque, pas critique </td></tr><tr><td> Ruban double face </td><td></td><td></td><td> Toute marque, pas critique </td></tr><tr><td> Lame de rasoir </td><td></td><td></td><td> Quantité: 1 Toute marque, pas critique </td></tr><tr><td> Pince à épiler </td><td></td><td></td><td> Quantité: 1 Toute marque, à pointe fine </td></tr></tbody></table>

optical trapping of nanoparticles

Piégeage optique est une technique d&#39;immobilisation et de manipuler de petits objets d&#39;une manière douce en utilisant la lumière, et il a été largement appliquée dans le piégeage et la manipulation de petites particules biologiques. Ashkin et ses collègues d&#39;abord démontré pinces optiques utilisant un seul faisceau concentré 1. Le piège à faisceau unique peut être décrite avec précision en utilisant la formulation perturbative gradient de force dans le cas de petites particules régime de Rayleigh 1. Dans le régime perturbatif, la puissance optique nécessaire pour piéger une balance de particules comme la quatrième puissance inverse de la taille des particules. Puissances optiques élevées peuvent endommager les particules diélectriques et provoquer un échauffement. Par exemple, pris au piège des sphères de latex de 109 nm de diamètre ont été détruits par un faisceau de 15 mW en 25 sec 1, qui a de graves conséquences pour la matière biologique 2,3. Une auto-induite back-action (SIBA) piégeage optique a été proposé pour piéger les 50 sphères de polystyrène nm dans lenon-perturbative régime 4. Dans un régime de non-perturbative, même une petite particule avec un contraste de permittivité peu à l&#39;arrière-plan peuvent influencer de manière significative le champ électromagnétique ambiant et provoquent une grande force optique. En tant que particule pénètre dans une ouverture lumineuse, transmission de la lumière augmente considérablement en raison du chargement diélectrique. Si la particule tente de sortir de l&#39;ouverture, de transmission diminuée provoque un changement de quantité de mouvement vers l&#39;extérieur du trou et, par la troisième loi de Newton, en résulte une force vers l&#39;intérieur sur les particules dans le trou, le piégeage des particules. La transmission de la lumière peut être contrôlée, d&#39;où le piège peut devenir un capteur. La technique de piégeage SIBA peut encore être améliorée en utilisant une structure à double nanotrou. La structure à double nanotrou a été montré pour donner un fort champ amélioration locale 5,6. Entre les deux pointes acérées de la double nanotrou, une petite particule peut provoquer un grand changement dans transmissio optiquen, ce qui induit une grande force optique. En conséquence, les petites nanoparticules peuvent être pris au piège, comme les sphères de silicate de 12 nm 7 et 3,4 nm de rayon hydrodynamique albumine sérique bovine protéines 8. Dans ce travail, la configuration expérimentale utilisée pour le piégeage des nanoparticules est décrit. Tout d&#39;abord, nous détaillons l&#39;ensemble de l&#39;installation de piégeage qui est basé sur un kit Thorlabs pince optique. Ensuite, nous expliquons la procédure de nanofabrication de la double nanotrou dans un film métallique, la fabrication de la chambre microfluidique et la préparation des échantillons. Enfin, nous détaillons la procédure d&#39;acquisition de données et de fournir des résultats typiques de piégeage 20 nanosphères de polystyrène nm.

<html> Une trace d&#39;acquisition typique est représenté sur la figure 5a. Un événement de piégeage est caractéristique soudain, avec une arête vive, montrant un interrupteur claire entre les deux niveaux de puissance de transmission. Lorsque les particules sont soumises au mouvement brownien, les événements de piégeage se fera au hasard. Pour particules de 20 nm, les changements de transmission de piégeage étaient généralement autour de 5-10% et des temps de piégeage, autour de 10-300 sec. Le temps typique pour atteindre une prise au piège de la puissance et de concentration décrite ci-dessus est de l&#39;ordre d&#39;une minute. En raison de l&#39;encombrement stérique, il est rare de voir piégeage des particules multiples en même temps, mais une fois une particule est libéré, il est généralement suivie d&#39;un événement ultérieur de piégeage. En fonction de la qualité des résultats, il peut y avoir une certaine augmentation du bruit du signal dans l&#39;état piégé. Cette augmentation bruit provient du mouvement brownien des particules piégées. Sans la particule piégée, cette source de bruit n&#39;est pas présent. <html> _content &quot;&gt; Certains artefacts peuvent apparaître dans les résultats qui ne sont pas indicatifs des événements de piégeage. Résultats montrant la dérive, des changements lents dans la transmission sur une période de quelques minutes, comme indiqué sur la figure 5b, doit être jeté. D&#39;autres objets peuvent également être présents tels que les changements de transmission incohérentes, bruit excessif ou pas du tout piégeage. Par exemple, les bulles peuvent provoquer des sauts d&#39;intensité discontinue si les soins ne sont pas prises pour s&#39;assurer que la chambre est sans bulles. Ces bulles vont réagir différemment aux événements de piégeage en termes de dynamique changement de comportement et de l&#39;intensité, et donc ils sont facilement identifiables. Ces symptômes pourraient être causés par une mauvaise structure de double-nanotrou, les contaminants ou à des vibrations mécaniques. Un calme, faible activité paramètre est fortement recommandé de placer cette configuration. Aussi, ce qui permet au laser et étape pour régler quelques minutes après l&#39;alignement peut aider aussi. s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg &quot;/&gt; Figure 1 la transmission ouverture sub-longueur d&#39;optique: a) Sans particule, b) la transmission accrue grâce à une particule diélectrique; c) Si les tentatives de particules à partir, la diminution de la lumière dynamique (AT) provoquera une force (F) sur la particule de. le tirer en arrière dans le trou, d) rouge de décalage de la courbe de transmission causé par la particule, conduisant à la modification de la transmission AT. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig2.jpg" /> . Figure 2 un schéma) Dans l&#39;ensemble de l&#39;installation de piégeage, l&#39;élargissement du cercle rouge est montré en b); b) Agrandissement montrant la double nanotrou, et les nanosphères l&#39;intérieur de la chambre de PDMS, c) Image MEB de la structure en double-nanotrou. Sigles utilisés: LD = diode laser; ODF = densité optique du filtre; PLR = lame demi-onde; BE = élargisseur de faisceau; MR = miroir; MO = objectif de microscope; OI MO = huile immerobjectif de microscope sion; DH = double-nanotrou; APD = avalanche photodétecteur. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig3.jpg" /> Figure 3 un chiffre) Exemple bitmap utilisé dans la fabrication FIB;. B) Une image MEB d&#39;un double-nanotrou. <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig4.jpg" /> Figure 4. Schéma du processus de fabrication de la chambre microfluidique. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig5.jpg" /> Figure 5. (A) typiques d&#39;acquisition de piéger les événements avec 20 billes de polystyrène nm. (B) Une mauvaise acquisition montrant aiguë dérive.

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Optical Trapping of Nanoparticles

Les détails qui suivent l&#39;approche de configuration de piégeage faible puissance optique diélectrique des nanoparticules à l&#39;aide d&#39;un double-nanotrou dans le film métallique.

Le piégeage optique de nanoparticules

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Research

JoVE Journal

Engineering

22.3K vues.  University of Victoria. Les détails qui suivent l'approche de configuration de piégeage faible puissance optique diélectrique des nanoparticules à l'aide d'un double-nanotrou dans le film métallique.

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Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

Base de silicium polycristallin à couche mince des cellules solaires avec plasmonique amélioré par Light-piégeage

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Recherche

Ingénierie

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Construction et d&#39;essai des Piles de batteries lithium-ion

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

Les métamatériaux Fabricating aide de la méthode de tirage de fibre

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

Construction d&#39;un microscope à haute résolution avec des capacités de piégeage optique classique et holographique

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A single gold nanoparticle held by an optical tweezer is used as a sensor to quantify the rhythmic motion of a Nauplius larva (Artemia salina) in a water sample. This is achieved by monitoring the time dependent displacement of the trapped nanoparticle as a consequence of the Nauplius activity. A Fourier analysis of the nanoparticle&#39;s position then yields a frequency spectrum that is characteristic to the motion of the observed species. This experiment demonstrates the capability of this method to measure and characterize the activity of small aquatic larvae without the requirement to observe them directly and to gain information about the position of the larvae with respect to the trapped particle. Overall, this approach could give an insight on the vitality of certain species found in an aquatic ecosystem and could expand the range of conventional methods for analyzing water samples.

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

We use optical tracking of plasmonic nanoparticles to probe and characterize the frequency movements of aquatic organisms.

Analyser le Mouvement de la Nauplios &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Par suivi optique de plasmons de surface de nanoparticules

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Fabrication et fonctionnement d&#39;un Convoyeur Nano-optique

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Intégration de la Lumière de piégeage argent Nanostructures dans hydrogénée microcristalline cellules solaires en silicium par impression par transfert

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Rédaction de Bragg dans les fibres multipaires

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact numérique Holographic Microscope pour les MEMS Inspection et caractérisation de Lens-moins

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step process that finishes with Negishi coupling. Negishi coupling is a cross-coupling process in which a chemical precursor is first lithiated, followed by transmetallation with ZnCl2. The resultant organozinc compound can be coupled to a dibrominated aromatic precursor to give the conjugated monomer. Polymer films can be prepared via electropolymerization of the monomer and characterized using cyclic voltammetry and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopy. Nanoparticles (NPs) are prepared via emulsion polymerization of the monomer using a two-surfactant system to yield an aqueous dispersion of the polymer NPs. The NPs are characterized using dynamic light scattering, electron microscopy, and UV-Vis-NIR-spectroscopy. Cytocompatibility of NPs is investigated using the cell viability assay. Finally, the NP suspensions are irradiated with a NIR laser to determine their effectiveness as potential materials for photothermal therapy (PTT).

A protocol is presented for the synthesis and preparation of nanoparticles consisting of electroactive polymers.

Propriétés électro-Polymer nanoparticules Exposer photothermiques

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step ...