Name: fabrication and operation of a nano-optical conveyor belt
Uploaded: 2015-08-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 10 s
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The authors would like to thank Professor Yuzuru Takashima at the University of Arizona for discussions on optical imaging, Mr. Karl Urbanek for assistance with high power lasers, and Max Yuen for discussions of Brownian motion. The authors send further thanks to Professor Kenneth Crozier at Harvard University for helpful discussions on optical trapping experiments. Funding was provided in part by the United States National Science Foundation (award number 1028372).

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The authors have nothing to disclose.

NOCBのみ、従来の集束ビーム技術のための長い利用可能な粒子を輸送するために強力なトラップ力と能力を備えたプラズモニックアプローチの小さなトラップサイズを兼ね備えています。 NOCBにユニークな、システムのトラップおよび輸送特性は、表面パターンの結果ではなく、照射ビームを整形します。提供される照明は十分に明るく、その偏光または波長を調節することができる粒子が保持され、表面上に複雑なプロトコルに移動させることができます。我々はNOCBも急速にモビリティ23に基づいて粒子をソートすることができ、そのシミュレーションにより実証しました。近接場トラップは、単一分子の化学的性質のためのような小さな反応容積を提供することができ、およびNOCBの固有の並列化は、それが、セットアップを実行し、チップに詰め、で照明することができる限り多くの同時実験を切断するために使用できることを意味します一回。 NOCB作業を取得するには、近接場O保持し、ナノ粒子をハンドオフptical力が他の粒子と基板自体との粘性抵抗、従来の光トラッピング（照明ビームの力）、熱泳動、および接触力の競合力を克服しなければなりません。近接場光学力は、所与の照明電力のために、可能な限り強くなければなりません。これは、慎重なナノ構造の設計および製造を必要とするが、実際には、我々は、与えられた照明波長のための最適なものを選択するために異なる特徴サイズの構造の範囲を生成する必要があります。粘性抵抗と熱泳動も同様に抑制しなければならない：彼らは近接場光トラップのうち、粒子を引っ張ることができないかもしれないが、彼らは確かにそれが困難な最初の場所でNOCBアレイ上に粒子を得るために行うことができます。 試料を最初に顕微鏡の下に置かれたとき、粒子が体積全体に均一に分配せず、非常にまれにCSEアレイに近く来ます。 （Calcuおけるは、粒子がトラップされる表面接触の数十ナノメートルの範囲内に移動しなければならないことを示している。）は、照明が最初にオンにすると、CSEアレイはすぐにヒートアップと距離を超える粒子をはじく水に熱勾配を作成します。数百ナノメートルの。このバリアは、集束照明ビームとの距離に粒子を捕捉し、手動でCSEのトラッピング場に熱障壁を通して粒子をドラッグすることによって克服されます。熱勾配が高すぎる場合があっても、このメソッドは失敗します。我々の経験では、銅ヒートシンク層を含めることは、水から熱を離れて描画し、熱の力を弱めるために非常に重要でした。銅ヒートシンクはまた、水は、通常の照明強度の下で沸騰​​する可能性が低くなります。 粒径の立方体のような非常に小さな粒子スケールで光勾配力。これは、100をトラップすることがはるかに困難になります電源が8倍に増加増加しなければならないので、同じ量だけ基板加熱を200 nmのビーズよりNMビーズ。実際問題として、我々は最初の大きなビーズを捕捉することをお勧め（400ナノメートルまたは500 nmの直径）、トラップ強度を最適化し、競合力を最小化した後、トラップと小さな粒子の輸送を試みます。 試料が調製されたら、実験があれば、粒子が自由に水中に浮遊しているように行うことができます。水が縁に沿って蒸発させることにより、サンプルを終了します。私たちの研究室では、これは実験の約20分の時間制限を置きます。水試料の端に描かれているように、蒸発はまた、競合する粘性抵抗力をもたらすことができます。サンプルは、スライドガラス上に平らに横たわっているのを防ぐ曲がっアップ金属エッジやスパイクなどのラフな特徴を持っている場合は、水のより大きな露出表面積は、蒸発を高速化されます。一方が他方よりも高い場合、蒸発が向かって付勢されますより大きなサンプルスライドギャップの側だと、流体は、それが困難粒子を、参照キャプチャし、保持すること、ナノ構造体の上に急速に移動します。 シングルNOCBには、さらに、照明ビームの幅にわたって粒子を輸送しないが、することができます。ビーム強度が落ちるように、集束ビームからの復元力が強く成長し、偏光回転が前方に移動よりも粒子を解放する可能性が高くなるまでNOCBハンドオフ力は、弱い成長します。長いコンベヤ以上の平行コンベアへの拡張については、照明面積を大きくしなければなりません。強力な、デフォーカスしたレーザダイオードは、これらの実験で使用したレーザよりはるかに大きい領域に電力を供給することができました。あるいは照明領域が急速に音響光学偏向器を使用してビームを走査することによって増加させることができます。

シングルナノ粒子の捕獲、尋問や操作はナノテクノロジーの成長に重要です。光ピンセットは、彼らがそのような単一DNA分子4の機械的特性の測定などの画期的な実験を有効にしている分子生物学1-4、5-7化学とナノアセンブリ7-10に実験に特に成功した操作技術となっていると、その光学特性11,12による細胞の選別。これらのフロンティア上の発見があっても小規模なシステムの研究を開き、彼らは新しい事実上有益な製品や技術のエンジニアリングのための方法を作ります。今度は、この傾向はより小さく、より基本的な粒子を操作するための新しい技術の必要性を駆動します。また、外の化学的および生物学的試験をもたらすために、より安く、より小さなパッケージでこれらの機能を実行するには、「ラボオンチップ」デバイスを構築するためのプッシュがあります医療や他の目的13,14のための実験室とフィールドへ。 残念ながら、従来の光トラッピング（COT）は、ナノテクノロジーの増大する要求をすべて満たすことができません。 COTは、光強度と電磁界エネルギーの高い勾配の局所的ピークを作成し、タイトな焦点にレーザー光をもたらすために、高開口数（NA）の対物レンズを使用するメカニズムで動作します。これらのエネルギー密度勾配は、一般に、焦点の中心に向かってそれらを描画する光散乱粒子上に正味の力を及ぼします。小さい粒子を捕捉することは、より高い光パワーやタイトなフォーカスが必要です。しかし、光の集束ビームの焦点の最小サイズを制限し、エネルギー密度勾配に上限を課す回折の原理を、従います。 COTが効率的にトラップ小さなオブジェクトをすることができず、COTのトラブル近接した粒子とを判別、トラッピング解像度を持っています。これは、2つの即時の結果を有します制限は「脂肪指の問題として知られています。さらに、COTで複数の粒子トラップの実装は大幅に光トラッピングシステムのコストと複雑さを増大させるビームステアリング光学素子または空間光変調器、コンポーネントのシステムを必要とします。 光の従来の集束ビームの基本的な制限を回避する1つの方法は、ファーフィールドに伝播するように言った、代わりに近接場光学電磁エネルギーの勾配を利用することです。近接場は、非常にこれらの供給源に局在し、それは、そのエネルギー密度が非常に高い勾配を示すだけでなくことを意味し、指数関数的に離れた電磁界の発生源から減衰します。さらに近いINFRで金と銀のプラズモン作用によって強化された近くに、このようなボウタイ開口、ナ​​ノ柱、およびC形の彫刻などのナノ金属共振器の分野、電磁エネルギーの異常な濃度を示すことが示されています、aredと光の波長。これらの共振器は、高効率と解像度15-22のトラップ非常に小さい粒子に使用されています。この技術は、小さな粒子を捕捉するのに有効であることが証明されているが、それはまた、近接場システムは、遠視野システムまたはマイクロ流体とインターフェースするようにされている場合に必要となる、かなりの範囲に亘って粒子を輸送する能力が制限されることが証明されています。 最近、我々のグループは、この問題に対する解決策を提案しています。共振器は、互いに非常に近接して配置される場合、粒子は、原理的には表面から放出されることなく、次の1つの近接場光トラップから移動することができます。隣接トラップが別々にオン・オフすることができれば搬送方向を決定することができます。各共振器は、そのネイバーとは異なる光の偏光または波長に敏感である、三つ以上のアドレス可能な共振器の線形アレイは、nanopartiを輸送、光コンベヤーベルトとして機能しますチップ上に数ミクロンの距離にわたってクル。 それが所定の位置に粒子を保持することができ、それはまた、パターン化されたトラックに沿って高速で移動したりすることができ、収集または粒子を分散させるだけでなく、として、いわゆる「ナノ光コンベヤーベルト」（NOCB）は、プラズモン共振器の捕獲スキームの中で一意ですミックスし、それらをキューに入れ、さらにはそのような彼らのモビリティ23などの特性により、それらを並べ替えます。これらの機能の全ては、ビームステアリング光学系を必要とせず、照明の偏光又は波長を調節することによって制御されます。近接場光学トラップとして、NOCB捕捉分解能は、従来の集束ビーム光トラップよりも高いので、近接した粒子を区別することができます。それがうまくトラップに光を集中させる金属ナノ構造を使用しているため、それが電力効率であり、そのような高NAの対物レンズなどの高価な光学部品を必要としません。さらに、多くのNOCBsは高い充填デンで、並列に動作することができます同一基板上にsity、および電源の1 Wは1200以上の開口部23を駆動することができます。 我々は最近、スムーズに4.5μmのトラック24に沿って前後にナノ粒子を推進、第一の偏光駆動型NOCBを示しました。この記事では、光学的に、デバイスを設計し、製造するために必要な手順を提示し、それを活性化し、輸送実験を再現します。我々は、この技術が広く利用できるようにするマイクロフルイディクス、遠視野光学、ナノスケールデバイスと実験の間のサイズのギャップを埋めるのに役立ちますことを願っています。

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

fabrication and operation of a nano-optical conveyor belt

トラップに集束レーザービームを用いる技術と小さな粒子に力を発揮するには、過去数十年にわたりナノスケールの生物学的および物理学の多くの重要な発見を可能にしました。この分野での進展をより容易に分散され、より広く利用可能にすることができたツールを使って、さらに小さなシステムの、大規模でのさらなる研究を誘います。トラップにハード直径半波長よりも粒子が小さくなり、一般に、1つの半分以上互いに接近している粒子とを区別からオペレータを防ぎ、レーザビームの焦点スポットの残念ながら、回折限界の基本法則は、最小サイズ、 -wavelength。これは、多くの密集したナノ粒子の光学的操作を排除し、光学機械システムの分解能を制限します。また、収束ビームを使用して操作が非常にかさばるし、高価になることができ、ビーム形成またはステアリング光学系を必要とします。対処するために、これらの制限は、従来の光トラッピングのシステムのスケーラビリティに私たちの研究室は、チップ全体の粒子を移動させるために、近接場光学系を利用した代替技術を考案しました。代わりに、遠視野でのレーザビームの集束、プラズモン共振器の近接場光は、回折の制限を克服し、より高い解像度で粒子を操作するために必要な局所光強度強化を生み出します。密集した共振器は、コンベヤーベルト状の次に1からの粒子のハンドオフを媒介するために対処することができる強力な光トラップを生成します。ここでは、設計と生産プラズモンC字型共振器を用いてパターニング金表面を使用して、コンベアベルトをし、超解像のナノ粒子の操作と輸送を達成するために、偏光レーザ光とそれを操作する方法する方法について説明します。ナノ光学コンベヤベルトチップは、リソグラフィー技術を用いて製造され、容易にパッケージ化して配布することができます。

図7は 、最終的なデバイスの写真です。 cmで1×1 cmでの中心金表面にわずかに傾斜した図から分かるCSEコンベヤパターンの行列である。 図6に、最終的なデバイス例のCSEのパターンの走査型電子顕微鏡の画像です。 長さのナノ光コンベヤーベルト5μmの上を移動する390ナノメートルのポリスチレンビーズの粒子運動は、 図9に示されている。曲線は、レーザー偏光角の関数としての粒子の位置を示しています。プロトコルで述べたように、輸送が成功しなかったか、近接場トラップが開始しない場合があります。最善の行動は、より良い条件であってもよく、異なるパターンを、試してみることです。 <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/52842/52842fig6.jpg" /> CSEのArの図6のSEM像線。CSEパターンの走査型電子顕微鏡（SEM）画像です。 （a）は、レジスト現像後のHSQメサの写真を示します。サンプルは、SEM検査のための導電層として、5 nmの金でスパッタされます。 （B） - 。サンプルは、シリコン基板から解放された後、（c）は、最終的なパターンを示し<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52842/52842fig6large.jpg" target="_blank">、この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図7" src="/files/ftp_upload/52842/52842fig7.jpg" /> 最終的なデバイスの図7. CSEアレイチップ。ピクチャー、寸法において約10ミリメートル×10ミリメートル。写真は、デバイスの前面金表面を示しています。 IDマーキングを格子からの回折は、チップの中央付近マルチカラーの正方形として表示されます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52842/52842fig7large.jpg" target="_blank">をクリアしてください</a>この図の拡大版を表示するには、こちらICK。 <img alt="図8" src="/files/ftp_upload/52842/52842fig8.jpg" /> 8.実験装置図 。実験装置の概略図。トラッピング及びイメージングの両方が反射モードで行われます。異なる光路が異なる色を使用して区別されます。赤点線、緑、赤、青、黄色の線が光トラッピング（コンベア駆動）、蛍光イメージング、レーザーイメージング、蛍光励起とそれぞれ明視野照明の光路を表す。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52842/52842fig8large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図9" src="/files/ftp_upload/52842/52842fig9.jpg" /> 図9。 </st栄&gt; ビーズ軌道オーバーダブルレールコンベア 。 4.5μmの長い二レールコンベアベルト上を移動する390 nmのビーズのための偏光角対位置。各コンベア期間後の球の左ショースナップショット上の画像。右側の曲線は、ビーズ・センターの計算された位置をトレースします。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52842/52842fig9large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

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Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

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.

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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

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ビデオ: Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

工学

Optical Trapping of Nanoparticles

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 and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

ナノ粒子の光トラッピング

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 ...

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

パルスレーザー蒸着法によるナノエンジニアリング透明導電性酸化物の作製

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

アトミックトレーサブルナノ構造作製

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using femtosecond laser-induced ablation. We show that thousands of periodic nano-craters are fabricated on an optical nanofiber by irradiating with just a single femtosecond laser pulse. For a typical sample, periodic nano-craters with a period of 350 nm and with diameter gradually varying from 50 - 250 nm over a length of 1 mm are fabricated on a nanofiber with diameter around 450 - 550 nm. A key aspect of such a nanofabrication is that the nanofiber itself acts as a cylindrical lens and focuses the femtosecond laser beam on its shadow surface. Moreover, the single-shot fabrication makes it immune to mechanical instabilities and other fabrication imperfections. Such periodic nano-craters on nanofiber, act as a 1-D PhC and enable strong and broadband reflection while maintaining the high transmission out of the stopband. We also present a method to control the profile of the nano-crater array to fabricate apodized and defect-induced PhC cavities on the nanofiber. The strong confinement of the field, both transverse and longitudinal, in the nanofiber-based PhC cavities and the efficient integration to the fiber networks, may open new possibilities for nanophotonic applications and quantum information science.

We present a protocol for fabricating 1-D photonic crystal cavities on subwavelength diameter silica fibers (optical nanofibers) using femtosecond laser-induced ablation.

フェムト秒レーザー誘起アブレーションを用いたナノファイバー上の1次元フォトニック結晶共振器の作製

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared on transparent membranes which are very fragile and difficult to manipulate. We present processes for the fabrication of samples with magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for Lorentz transmission electron microscopy and magnetic transmission x-ray microscopy studies. The samples are prepared on silicon nitride membranes and the fabrication consists of a spin coating, UV and electron-beam lithography, the chemical development of the resist, and the evaporation of the magnetic material followed by a lift-off process forming the final magnetic structures. The samples for the Lorentz transmission electron microscopy consist of magnetic nanodiscs prepared in a single lithography step. The samples for the magnetic x-ray transmission microscopy are used for time-resolved magnetization dynamic experiments, and magnetic nanodiscs are placed on a waveguide which is used for the generation of repeatable magnetic field pulses by passing an electric current through the waveguide. The waveguide is created in an extra lithography step.

A protocol for the fabrication of magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for transmission electron microscopy (TEM) and magnetic transmission x-ray microscopy (MTXM) studies is presented.

磁気渦の研究伝達顕微鏡検査の技術を使用してシリコン窒化膜の磁性ナノ構造の作製

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Design and Fabrication of an Optical Fiber Made of Water

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with solid-cladding devices, capillary oscillations are not restricted, allowing the fiber walls to move and vibrate. The fiber is constructed by a high direct current (DC) voltage of several thousand volts (kV) between two water reservoirs that creates a floating water thread, known as a water bridge. Through the choice of micropipettes, it is possible to control the maximal diameter and length of the fiber. Optical fiber couplers, at both sides of the bridge, activate it as an optical waveguide, allowing researchers to monitor the water fiber capillary body waves through transmission modulation and, therefore, deducing changes in surface tension.
Co-confining two important wave types, capillary and electromagnetic, opens a new path of research in the interactions between light and liquid-wall devices. Water-walled microdevices are a million times softer than their solid counterparts, accordingly improving the response to minute forces.

This protocol describes the design and manufacture of a water bridge and its activation as a water fiber. The experiment demonstrates that capillary resonances of the water fiber modulate its optical transmission.

水の光ファイバーの設計と製作

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with ...

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) devices generate tremendous acceleration on their surface, up to 108 m/s2, in turn responsible for many of the observed effects that have come to define acoustofluidics: acoustic streaming and acoustic radiation forces. These effects have been used for particle, cell, and fluid manipulation at the microscale, although more recently SAW has been used to produce similar phenomena at the nanoscale through an entirely different set of mechanisms. Controllable nanoscale fluid manipulation offers a broad range of opportunities in ultrafast fluid pumping and biomacromolecule dynamics useful for physical and biological applications. Here, we demonstrate nanoscale-height channel fabrication via room-temperature lithium niobate (LN) bonding integrated with a SAW device. We describe the entire experimental process including nano-height channel fabrication via dry etching, plasma-activated bonding on lithium niobate, the appropriate optical setup for subsequent imaging, and SAW actuation. We show representative results for fluid capillary filling and fluid draining in a nanoscale channel induced by SAW. This procedure offers a practical protocol for nanoscale channel fabrication and integration with SAW devices useful to build upon for future nanofluidics applications.

We demonstrate fabrication of nanoheight channels with the integration of surface acoustic wave actuation devices upon lithium niobate for acoustic nanofluidics via liftoff photolithography, nano-depth reactive ion etching, and room-temperature plasma surface-activated multilayer bonding of single-crystal lithium niobate, a process similarly useful for bonding lithium niobate to oxides.

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

要約

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3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

ナノ粒子の光トラッピング

パルスレーザー蒸着法によるナノエンジニアリング透明導電性酸化物の作製

作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

アトミックトレーサブルナノ構造作製

フェムト秒レーザー誘起アブレーションを用いたナノファイバー上の1次元フォトニック結晶共振器の作製

磁気渦の研究伝達顕微鏡検査の技術を使用してシリコン窒化膜の磁性ナノ構造の作製

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

水の光ファイバーの設計と製作

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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ナノ粒子の光トラッピング

パルスレーザー蒸着法によるナノエンジニアリング透明導電性酸化物の作製

作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

アトミックトレーサブルナノ構造作製

フェムト秒レーザー誘起アブレーションを用いたナノファイバー上の1次元フォトニック結晶共振器の作製

磁気渦の研究伝達顕微鏡検査の技術を使用してシリコン窒化膜の磁性ナノ構造の作製

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

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金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用