Riconosciamo Thorlabs per aver sponsorizzato questa pubblicazione e il finanziamento dalla scienze naturali e ingegneria Research Council (NSERC) del Canada Discovery Grant. Ringraziamo Bryce Cyr e Douglas Rennehan per l&#39;assistenza di produzione per la realizzazione di questo articolo video.

Il principio della tecnica trapping SIBA è illustrato nella figura 1. Figura 2 è una vista schematica del setup sperimentale. 1. Trapping installazione ottica Per questa sezione della procedura, fare riferimento al kit di intrappolamento ottico manuale 9 o la forza di misura ottica modulo del manuale 10 per i dettagli su come impostare i kit. Si noti che un fotodiodo valanga (APD) è utilizzato al posto di un rivelatore di posizione quadrante. Per le viti non incluse nel kit intrappolamento ottico, utilizzare quelli della vite e kit hardware (Thorlabs, HW-KIT2). La protezione degli occhi devono essere indossati in ogni momento in cui il laser è acceso. Assicurarsi che il fascio è contenuta all&#39;interno di una zona sicura e accessori riflettenti, quali gioielli, deve essere evitata. Inoltre, protezione da scariche elettrostatiche è consigliabile quando si maneggia diodi laser. <ol><li> Impostare il kit ottico pinzetta (Thorlabs, OTKB / M) e la forza di misurasura modulo (Thorlabs, OTKBFM) come per i loro rispettivi manuali. A base di silicio fotodiodo valanga (APD) (Thorlabs, APD110A) viene utilizzato al posto del modulo di misurazione della forza (Thorlabs, OTKBFM) rivelatore di posizione quadrante. </li><li> Collegare l&#39;APD ad un oscilloscopio (Tektronics, TDS1012) tramite un cavo coassiale. </li><li> Aggiungere una semionda piastra (Thorlabs, AHWP05M-980) all&#39;interno del espansore del fascio. La semionda piastra è fissata tra due tubi di lenti (Thorlabs, SM1L03). </li></ol> 2. Nanofabrication <ol><li> Tagliare un oro rivestite vetrino di prova (EMF Corp, Cr / Au) in quattro pezzi identici. Come alternativa ai vetrini disponibili in commercio, abbiamo usato anche un spessore 100 nm con un film di Au nm 2 Ti strato di adesione depositato e-beam deposizione su un vetrino 1 pollice quadrato di vetro ad una temperatura del substrato elevata di 200 ° C per almeno 1 ora. Questo produce una pellicola liscia policristallino. </li><li> Creare un&#39;immagine bitmap del doppio-nanohole struttura come l&#39;ingresso diil fascio di ioni focalizzati (FIB) del sistema è una bitmap. L&#39;immagine è costituito da due cerchi pieni, 160 nm di diametro con una distanza da centro a centro di 190 nm. Questo modello consente di creare una separazione punta di circa 15 nm. Tra i cerchi, una linea sottile opzionale può essere posizionato per rimuovere qualsiasi residuo di metallo tra le punte. Figura 3a mostra un&#39;immagine bitmap esempio. </li><li> Realizzare il doppio nanohole struttura utilizzando un FIB (Hitachi, FB-2100) sistema di fresatura. Convertire il bitmap in fase di 2,2 in un modello di fresatura FIB (la zona scura nella bitmap viene lavorato in base al FIB). Utilizzare una tensione agli ioni di accelerazione di 40 kV, un fascio apertura limite di 15 micron di diametro inferiore a 60 ingrandimenti K volte. Mulino 80 passa per ogni doppia nanohole con un tempo di dosaggio 5 psec ad ogni passaggio. Figura 3b mostra una tipica struttura risultante. Ripetere se necessario. Nanoholes più opportuno per consentire errori. </li><li> Aggiungi marcatori di registrazione, sia utilizzando il FIB e / o he per indicare la posizione approssimativa del doppio nanohole (s). </li><li> Facoltativamente, prendere un&#39;immagine SEM dei fori di valutare con precisione la qualità struttura e separazione punta. </li></ol> 3. Microfluidic Camera Un diagramma di flusso del processo per fabbricare la camera microfluidico è mostrato in Figura 4. <ol><li> Versare 10 g di polidimetilsilossano (PDMS) base (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Base elastomero di silicone) e un ulteriore 1 g di catalizzatore (Dow Corning Canada, Sylgard 184 elastomero di silicone agente Catalizzatore) in una tazza usa e getta. Mescolare per qualche minuto. </li><li> Evacuare miscela in camera da vuoto fino a quando tutte le bolle se ne sono andati. </li><li> Versare 1,5 g di PDMS in un diametro di 9 centimetri piatto Petri. Spin coat PDMS sul fondo della piastra di Petri a 950 rpm per 65 sec. Figura 4b mostra il risultato. Lo spessore non è critica purché sia ​​sotto 80 pm, la pellicola d&#39;oro è all&#39;interno del microscopio oggettivita fondodistanza di lavoro e di. </li><li> Delicatamente posto 3-5 # 1.5 coprioggetti (Fisher Scientific, 12-541-B) sul modo tale che non si sovrappongano ed evacuare per 30 minuti, come mostrato in figura 4c PDMS. </li><li> Se coprioggetti spostato e impilati uno sopra l&#39;altro durante l&#39;evacuazione, delicatamente spostare a vicenda. Bisogna usare cautela da mantenere sotto PDMS coprioggetti sottile e uniforme. </li><li> Se la manipolazione del coprioggetti è stato richiesto, evacuare piastra di Petri di nuovo per 30 minuti. </li><li> Rimuovere piastra Petri da camera a vuoto e cuocere sulla piastra calda per 20 minuti a 85 ° C. </li><li> Utilizzando una lama di rasoio, tagliare una delle copertura scivola poi sollevare delicatamente il vetrino con pinzette punta fine. Un sottile strato di PDMS rimarrà sul vetrino come PDMS è più adesivo allo scorrimento vetro di copertura rispetto al piatto Petri PMMA come in Figura 4e. </li><li> Tagli un x 3 3 mm nella finestra PDMS con una lama di rasoio come in figura 4F. Questa finestra formerà la camera dove la nsoluzione anoparticle saranno mantenute. </li></ol> 4. Preparazione del campione <ol><li> Realizzare un vetrino da microscopio con un ¾ &quot;foro del diametro al centro utilizzando acrilico. Questo può essere realizzato con un taglio laser. Altri materiali possono essere usati pure. Il campione oro verrà posizionato all&#39;interno del foro. </li><li> Nastro la circonferenza del foro con nastro biadesivo. Utilizzare una lama di rasoio per tagliare nastro in eccesso. </li><li> Vetrino da microscopio posto al vetrino, PDMS a faccia in su. </li><li> Diluire la soluzione nanosfere di polistirene (Thermo Scientific, 3020A) da 1% w / v al 0,05% w / v usando acqua deionizzata. Una micropipetta può essere utilizzato. </li><li> Aggiungere qualche goccia di soluzione nella finestra di PDMS. Aggiungere una goccia sul campione oro dove si trovano le nanoholes. </li><li> Posto campione di oro in cima coprioggetto tali che le nanoholes sono all&#39;interno della finestra PDMS. Fare bolle sicuro non sono presenti all&#39;interno della camera. Premere campione oro contro coprioggetto e tamponare la soluzione in eccesso. </li><li> Se si utilizza un obiettivo ad immersione in olio (come nel caso di specie, ma non necessario), aggiungere una goccia di olio di immersione sul lato opposto del vetrino, sotto la finestra PDMS. Prendere nota della posizione dei pattern dalla. </li><li> Inserire il vetrino da microscopio in supporto diapositive, olio rivolto verso il basso, e quindi supporto diapositive inferiore fino a olio di immersione a contatto con l&#39;obiettivo microscopio. </li><li> Circa allineare stage della diapositiva in modo tale che i marchi da indicatore sono sotto l&#39;obiettivo. </li><li> Seguire le linee di indicatore anticipatore fino ai pattern dalla. Posizione diapositiva in modo che segni indicatori o in aree aperte vengono cancellati dal centro dello schermo. Trasmissione della luce eccessiva può danneggiare l&#39;APD. </li><li> Accendere il laser. Come lo specchio dicroico non è perfetto, un posto vicino al centro dello schermo dal fascio laser dovrebbe apparire. </li><li> Utilizzando il software di controllo fase piezo, perfezionare ulteriormente l&#39;allineamento su tutti e tre gli assi. </li></ol> 5. Acquisizione dei dati <ol><li> Con il help dei segni indicatori, la posizione del posto vicino ad una posizione nanohole noto. I pattern dalla saranno troppo piccoli per essere risolto e dovrebbe apparire solo come macchie. </li><li> La trasmissione della luce attraverso il campione viene indicato dal livello del segnale sull&#39;oscilloscopio. Allineare ulteriormente il campione da massimizzare la trasmissione della luce. Fare attenzione di marchi indicatori e graffi visibili e non visibili come trasmissione della luce sarà alto in questi settori. Pattern dalla mostra salti improvvisi nella trasmissione della luce, mentre graffi esibire le modifiche più graduali. </li><li> Utilizzando il waveplate, regolare la polarizzazione della luce per la massima trasmissione della luce come il doppio nanohole struttura è polarizzata. </li><li> Per minimizzare il rumore, costruire un filtro RC con la basetta, 200 e 100 k resistenza pF e collegarlo dopo l&#39;APD tramite un cavo coassiale. Questi valori possono essere regolati per ottenere le migliori prestazioni, considerando la larghezza di banda di acquisizione dati richiesti. </li><li> Collegare oscilloscopio e dati acquisition modulo (Omega, USB-4711A) per il filtro RC con cavi coassiali e adattatore T. </li><li> Campionare la tensione APD utilizzando il modulo di acquisizione dati per il tempo desiderato. Tempi di acquisizione sono in genere in centinaia di secondi. In questo caso, un pacchetto software personalizzato è stato utilizzato per l&#39;acquisizione dati. La tensione viene campionato a 2000 volte al secondo. </li><li> Utilizzando Matlab, filtrare i dati acquisiti utilizzando un Savitzky-Golay filtro e tracciare è in funzione del tempo su un grafico. </li></ol>

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Produzione e l&#39;accesso gratuito a questo articolo è sponsorizzato da Thorlabs.

La configurazione attuale ha le capacità di cattura efficaci a causa della struttura del nanohole. Questo trappole nanohole ~ 10 nm scala particelle dielettriche a bassa intensità ottici. Altre nuove trappole ottiche includono ottici antenne a dipolo 11, sussurri-gallery-mode risonatori ottici 12,13 e guide d&#39;onda 14; tuttavia, che in genere operano in regime perturbativo, che è limitata dalla scala inversa quarto ordine della potenza richiesta ottica rispetto delle particelle dimensioni, a differenza del SIBA e fare doppio nanohole trappola. Forme alternative di apertura sono stati presentati trapping, ad esempio un rettangolo nanoporo plasmoniche 15. Altre caratteristiche favorevoli evidenziati dal doppio nanohole trappola includono il comportamento delle particelle dimensionale selettivo 7, una posizione unica cattura (per limitare più particelle di cattura) e la facilità di fabbricazione 16. In alternativa all&#39;utilizzo di un FIB, doppi nanoholes può essere fabbricato utilizzando una litografia colloidaley 6. La cattura di materiale biologico di polarizzabilità grandi dimensioni e ha incluso i batteri 3, cellule viventi 17,2,18, il mosaico del tabacco 3 virus e la manipolazione e l&#39;allungamento dei filamenti di DNA utilizzati attacchi alle estremità con particelle dielettriche grandi 19; tuttavia, cattura diretta di piccoli campioni biologici senza tethering rimane difficile. Questa configurazione di cattura è in grado di intrappolare particelle dielettrica con intensità di luce inferiori rispetto pinzette luminose tradizionali e la nanohole circolare, permettendo piccole particelle biologiche, che si terrà per lunghi periodi di tempo senza danni o tethering. Inoltre, gli eventi di cattura presentano un alto rapporto segnale-a-rumore questa configurazione consentendo di lavorare come sensore sensibile e rilevare le più piccole particelle biologiche, quali virus e proteine. Infatti, 20 sfere di polistirene nm hanno un indice di rifrazione di 1,59 che è paragonabile alle più piccole particelle biologichequali i virus. Questo metodo potrebbe diventare una tecnica affidabile e maturo per l&#39;immobilizzazione e la manipolazione di nanoparticelle, tra cui le particelle biologiche. Applicazioni di questa tecnica includono integrazione in un ambiente microfluidica. Invece di una sola camera microfluidica, un canale potrebbe essere utilizzato per controllare dinamicamente l&#39;ambiente, ideale per il rilevamento di indice di rifrazione. Tale impostazione sarebbe fissato in un unico chip microfluidico portando ad una configurazione più stabile e robusto e veloce analisi di soluti. Un&#39;altra opzione è lo sviluppo di un sistema di rivelazione di fluorescenza per la caratterizzazione dei singoli fluorescente-tagged virus, punti quantici di semiconduttori e proteine ​​fluorescenti verdi. Questa configurazione ha anche un potenziale di trasformazione in un biosensore per un singolo virus o proteine, consentendo piccoli campioni da analizzare. Drug Discovery 21 e malattie e infezioni di rilevamento 22 trarrebbero beneficio da un rilevatore di singola proteina. Raman spectroscopy può essere incorporato per il rilevamento di segnali Raman di particelle e singoli eventi di legame. La doppia struttura permette nanohole forti miglioramenti di campo locale sulle punte, appropriati per la punta-enhanced Raman spettroscopia 23. Un altamente specifica etichetta senza metodo di caratterizzazione materiale sarebbe anche possibile usando spettroscopia Raman 24.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome </td><td> Fabbricante </td><td> Numero di serie </td><td> Commenti </td></tr><tr><td> Olio di immersione </td><td> Cargille Labs </td><td> 16484 </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Sylgard 184 Kit di silicone elastomero </td><td> Dow Corning Canada </td><td></td><td> Quantità: 1 Contiene sia di base PDMS e catalizzatore </td></tr><tr><td> Oro vetrini rivestiti </td><td> EMF Corp </td><td> Cr / Au </td><td> Quantità: 1 Uno strato di adesione di Ti può essere utilizzato anche </td></tr><tr><td> Nessun 1,5 coprioggetto </td><td> Fisher Scientific </td><td> 12-541-B </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Focused Ion Beam-Sistema </td><td> Hitachi </td><td> FB-2100 </td><td></td></tr><tr><td> Modulo di acquisizione dati portatile </td><td> Omega Engineering </td><td> USB-4711A </td><td> Quantity: 1 </td></tr><tr><td> Linear Stage </td><td> Parker </td><td> 4034M </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Laser Testa di diodi e di controllo </td><td> Sacher Lasertechnik Gruppo </td><td> TEC 120 </td><td> Quantità: 1 Manuale di sistema laser sintonizzabile Littrow </td></tr><tr><td> Oscilloscopio digitale </td><td> Tektronics </td><td> TDS1012 </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> 20 nm Nanosphere Size Standards </td><td> Thermo Scientific </td><td> 3020A </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> 1 &quot;Attacco obiettivo </td><td> Thorlabs </td><td> LMR1 </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> 0.3 &quot;lente del tubo </td><td> Thorlabs </td><td> <a href="http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=SM1L03" target="_blank">SM1L03</a> </td><td> Quantità: 2 </td></tr><tr><td> Di assorbimento ND 4,0 filtro </td><td> Thorlabs </td><td> NE40A </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Alluminio Breadboard </td><td> Thorlabs </td><td> MB1824 </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Avalanche Fotodiodo </td><td> Thorlabs </td><td> APD110A </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Digital Optical Power Meter </td><td> Thorlabs </td><td> PM100 </td><td> Quantità: 1 Obsoleti, altri faranno </td></tr><tr><td> Forza Modulo di misura </td><td> Thorlabs </td><td> OTKBFM </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Cinematica Mirror Mount </td><td> Thorlabs </td><td> KM200-E03 </td><td> Quantità: 1 Con dintorni di Quality Specchio IR Laser </td></tr><tr><td> Diodo laser driver a corrente costante </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255R </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> LD1255 piano di lavoro ottico di montaggio </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255P </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Montato acromatico semionda piastra </td><td> Thorlabs </td><td> AHWP05M-980 </td><td> Quantità: 1 690 - 1200 nm </td></tr><tr><td> Tweezer Kit Ottico </td><td> Thorlabs </td><td> OTKB / M </td><td> Quantità: 1 Metrico o Imperiale </td></tr><tr><td> Messaggio Base Holder </td><td> Thorlabs </td><td> BA2 </td><td> Quantità: 2 </td></tr><tr><td> Alimentazione </td><td> Thorlabs </td><td> PS-12DC-US </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Cavo di Alimentazione </td><td> Thorlabs </td><td> LD1255-CAB </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Angolo piatto destro </td><td> Thorlabs </td><td> AP90 </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Morsetto ad angolo destro Messaggio </td><td> Thorlabs </td><td> RA90 </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Acciaio inossidabile Messaggio ottico </td><td> Thorlabs </td><td> TR3 </td><td> Quantità: 1 </td></tr><tr><td> Tabella Morsetto </td><td> Thorlabs </td><td> CL1 </td><td> Quantità: 2 Obsoleti, altri faranno </td></tr><tr><td> Sensore termico </td><td> Thorlabs </td><td> PM210 </td><td> Quantità: 1 Per digitale misuratore di potenza ottica </td></tr><tr><td> 100 pF condensatore </td><td></td><td></td><td> Quantità: 1 Ogni marchio, non critico </td></tr><tr><td> 200 Resistenza KOhm </td><td></td><td></td><td> Quantità: 1 Ogni marchio, non critico </td></tr><tr><td> Foglio acrilico </td><td></td><td></td><td> Quantità: 3 &quot;x 1&quot; Ogni marchio, non critico </td></tr><tr><td> Assortimento di cavi coassiali, cavi e connettori </td><td></td><td></td><td> In base alle esigenze </td></tr><tr><td> Breadboard </td><td></td><td></td><td> Quantità: 1 Ogni marchio, non critico </td></tr><tr><td> Concave Lens </td><td></td><td></td><td> Quantità: 1 Ogni marchio, non critico </td></tr><tr><td> Diamante Cutter </td><td></td><td></td><td> Quantità: 1 Ogni marchio, non critico </td></tr><tr><td> Nastro biadesivo </td><td></td><td></td><td> Ogni marchio, non critico </td></tr><tr><td> Lametta </td><td></td><td></td><td> Quantità: 1 Ogni marchio, non critico </td></tr><tr><td> Pinzetta </td><td></td><td></td><td> Quantità: 1 Ogni marchio, fine punta </td></tr></tbody></table>

optical trapping of nanoparticles

Trapping ottica è una tecnica per immobilizzare e manipolare piccoli oggetti in modo delicato con luce, ed è stato ampiamente applicato ad intrappolare e manipolare piccole particelle biologiche. Ashkin e collaboratori in primo luogo dimostrato pinzette ottiche utilizzando un unico fascio focalizzato 1. La trappola singolo fascio può essere descritto con precisione utilizzando la formulazione perturbativa forza gradiente nel caso di piccole particelle regime Rayleigh 1. Nel regime perturbativo, la potenza ottica richiesta per intrappolare una bilancia di particelle come la potenza inversa quarto della dimensione delle particelle. Elevate potenze ottiche possono danneggiare particelle dielettriche e causare riscaldamento. Per esempio, intrappolati sfere di lattice di 109 nm di diametro sono stati distrutti da un raggio 15 mW in 25 sec 1, che ha gravi implicazioni per la materia biologica 2,3. Un auto-indotta back-action (SIBA) intrappolamento ottico non sia stato proposto di intrappolare 50 sfere di polistirene nm nelnon-perturbativo regime 4. In un non-perturbativo regime, anche una piccola particella con contrasto permettività poco allo sfondo può influenzare significativamente il campo elettromagnetico ambiente e indurre una grande forza ottica. Come una particella entra un&#39;apertura illuminata, la trasmissione della luce aumenta notevolmente a causa di caricamento dielettrico. Se la particella tenta di lasciare l&#39;apertura, la trasmissione diminuita causa un cambiamento nella quantità di moto verso l&#39;esterno dal foro e, dalla terza legge di Newton, comporta una forza sulle particelle verso l&#39;interno nel foro, intrappolando la particella. La trasmissione della luce può essere controllata, di conseguenza, la trappola può diventare un sensore. La tecnica di intrappolamento SIBA possono essere ulteriormente migliorate utilizzando un doppio nanohole struttura. Il doppio nanohole struttura è stata mostrata per dare un forte aumento campo locale 5,6. Tra le due punte taglienti della doppia nanohole, una piccola particella può provocare un grande cambiamento in ottica transmission, inducendo così una grande forza ottica. Come risultato, le nanoparticelle più piccole possono essere intrappolati, come 12 nm sfere silicato 7 e 3,4 nm idrodinamiche raggio di albumina sierica bovina proteine ​​8. In questo lavoro, la configurazione sperimentale utilizzato per la cattura delle nanoparticelle è delineato. Prima, abbiamo dettaglio l&#39;assemblaggio del trapping configurazione che si basa su un Optical Tweezer Kit Thorlabs. Successivamente, si spiega la procedura nanofabbricazione del doppio nanohole in un film metallico, la fabbricazione della camera microfluidica e la preparazione del campione. Infine, dettaglio la procedura di acquisizione dei dati e fornire risultati tipici per intrappolare 20 nanosfere di polistirene nm.

<html> Una traccia di acquisizione tipico è illustrato nella figura 5a. Un evento di cattura è tipicamente improvviso, con un bordo tagliente, che mostra un interruttore evidente tra i livelli di trasmissione di due alimentatori. Poiché le particelle sono soggette a moto browniano, gli eventi di cattura si verifica in modo casuale. Per 20 particelle nm, i cambiamenti di trasmissione di cattura sono stati in genere intorno al 5-10% e tempi di cattura, circa 10-300 sec. Il tempo tipico di realizzare un evento di cattura per l&#39;alimentazione e la concentrazione di cui sopra è dell&#39;ordine di un minuto. A causa dell&#39;impedimento sterico è raro vedere intrappolamento delle particelle multiple simultaneamente, anche se una volta una particella viene rilasciato, viene tipicamente seguita da un successivo evento di cattura. A seconda della qualità dei risultati, ci può essere un aumento nel rumore di segnale nello stato intrappolato. Questo aumento di rumore viene dal moto browniano delle particelle intrappolate. Senza la particella intrappolata, questa sorgente di rumore non è presente. <html> _content &quot;&gt; Alcuni artefatti possono comparire nei risultati che non sono indicativi di eventi di cattura. risultati mostrano alla deriva, lenti cambiamenti nella trasmissione per un periodo di minuti, come mostrato nella figura 5b, deve essere eliminata. Altri artefatti possono anche essere presenti tali come variazioni di trasmissione incoerenti, i rumori eccessivi o non cattura a tutti., ad esempio, le bolle possono causare salti di intensità discontinua se non si prendono precauzioni per garantire che la camera è priva di bolle. Queste bolle rispondono in maniera diversa agli eventi di cattura in termini di dinamica cambiamento del comportamento e l&#39;intensità, e in modo che siano facilmente identificabili. Tali sintomi possono essere causati da una cattiva doppio nanohole struttura, contaminanti o vibrazioni meccaniche. Situato in posizione tranquilla, a bassa attività impostazione è altamente raccomandato di mettere questa configurazione. Inoltre, permettendo laser e fase per risolvere alcuni minuti dopo l&#39;allineamento può aiutare pure. s/ftp_upload/4424/4424fig1.jpg &quot;/&gt; Figura 1 apertura di trasmissione ottica Subwavelength: a) Senza particelle, b) la trasmissione maggiore resa, grazie particelle dielettrico, c) Se i tentativi di particelle di lasciare, la diminuzione della quantità di moto della luce (AT) causerà una forza (F) sulla particella per. tirare indietro nel foro; d) Red-spostamento della curva di trasmissione causato dalla particella, portando alla variazione AT trasmissione. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig2.jpg" /> . Figura 2 a), schema generale di schiacciamento di installazione, ampliamento del cerchio rosso è indicato in b) b) l&#39;allargamento e il doppio nanohole, e le nanosfere all&#39;interno della camera di PDMS, c) Immagine SEM del doppio-nanohole struttura. Acronimi utilizzati: LD = diodo laser; ODF = densità ottica del filtro; HWP = semionda piastra; BE = beam expander; MR = specchio; MO = obiettivo microscopio; OI MO = olio immermicroscopio obiettivo sione; DH = doppio nanohole; APD = valanga fotorivelatore. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig3.jpg" /> Figura 3 a) figura bitmap Esempio utilizzati nella fabbricazione FIB;. B) Una immagine SEM di un doppio nanohole. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig4.jpg" /> Figura 4. Schema di processo per fabbricare la camera microfluidica. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/4424/4424fig5.jpg" /> Figura 5. (A) acquisizione tipica di cattura eventi con sfere di polistirene 20 nm. (B) Un acquisto che mostra scarsa acuta deriva.

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Optical Trapping of Nanoparticles

I seguenti dettagli approccio di impostazione di cattura a bassa potenza ottica di dielettrico nanoparticelle con un doppio nanohole in film metallico.

Trapping ottica di nanoparticelle

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

22.2K Views.  University of Victoria. I seguenti dettagli approccio di impostazione di cattura a bassa potenza ottica di dielettrico nanoparticelle con un doppio nanohole in film metallico.

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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.

Celle in silicio policristallino solari a film sottile con plasmoniche-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 ...

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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.

Costruzione e collaudo di Pile Batterie agli ioni di litio

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.

Metamateriali Realizzazione tramite il metodo di disegno fibra

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.

Costruzione di un microscopio ad alta risoluzione con convenzionali e Holographic Capabilities intrappolamento ottico

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 &#039;Artemia salina&#039; by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

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

Analizzando il movimento del Nauplius &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Di monitoraggio ottico di nanoparticelle plasmoniche

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.

Fabbricazione e funzionamento di un nano-ottica Nastro trasportatore

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.

Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa

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.

Scrivendo di Bragg in fibra Multicore

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.

Lens-meno compatta digitale olografico microscopio per MEMS di ispezione e caratterizzazione

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.

Proprietà elettroattivo Polymer Nanoparticelle Esporre fototermiche

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