この作業は、MSIP / IITP（コンテンツ構成管理システムおよびスマート材料を使用して3Dプリント用シミュレータのR0190-15-2040、開発）のICT R＆Dプログラムによってサポートされていました。

注意：使用前にすべての関連材料の安全規制を参照してください。マイクロチップ製造に用いられる化学物質のいくつかは、急性毒性と発癌性です。工学的制御（ドラフト、ホットプレート、およびアライナー）と個人用保護具（安全眼鏡、手袋、実験室コート、全長パンツ、及び閉鎖の使用を含む、フォトリソグラフィ及びエッチング工程を行う場合、すべての適切な安全対策を使用してください-toe靴）。 PDMSマイクロチャンネルの1製作<ol><li>フォトリソグラフィプロセスによるマイクロチャネル型の作製<ol><li>完全にピラニア洗浄（ 図1a）と4インチSiウェハ表面上の異物を除去します。皿にピラニア溶液を作るために1：3の割合で硫酸（H 2 SO 4）と過酸化水素（H 2 O 2） を混合します。徐々に強い酸の少量（H 2 Oを加えることにより混合<suB&gt; 2）弱酸（H 2 SO 4）であり;この順序を逆にしているため、反応性の高い強酸の爆発を引き起こす可能性があります。 </li><li> 10分間ピラニア溶液にウェーハを浸します。その後、残りのピラニア溶液を除去するために、3分間脱イオン（DI）水にウェーハを浸します。 10秒間DI水を流しながら、ウエハをすすぎます。残りのDIを除去するために洗浄手順を3回及びN 2ガスと乾燥を繰り返します。 </li><li>さらに、ウェハを脱水し、180℃で20分間ホットプレート上のウエハを置きます。 </li><li> 1,500rpmで（ 図1b）で45秒間ウェハ5の上にネガ型フォトレジストmLのスピンコートを注ぎます。スピンコートした後、フォトレジストビードがあるため、フォトレジストの比較的高い粘度のウェハエッジで作成されます。 </li><li> 5時間レベリングスタンド上に平坦化することによって、フォトレジストで被覆されたウェハのバランスをとります。 </li><li> 65℃で12分間、ホットプレート上のフォトレジスト被覆ウェハを置き°C、95°Cで35分間、および65℃（ソフトベーク）で12分。 </li><li>マスクホルダと露光装置の基板ステージ上のソフトベークウェハ上の膜マスクを固定します。フォトレジストを固化するために650ミリジュール/ cm 2で43秒間紫外線（UV）光にさらします。 </li><li> 65°C、95°Cで15分間、および65℃（露光後ベーク）で5分で5分間、ホットプレート上のウエハを置きます。 </li><li>未凝固フォトレジストを除去するために30分間フォトレジスト現像液中にウエハを浸します。 </li><li>残りのIPAを除去するために、イソプロピルアルコール（IPA）とN 2ガスを用いたドライウエハをすすぎます。 </li></ol></li><li> PDMSマイクロチャネルの製造<ol><li>ウェハの表面とフォトレジストの型は、大気圧プラズマ装置25を用いて、W 200のパワーで1分間処置します。 CH 4のガス流は、彼は、それぞれ、6および30 SCCMであるべきです。簡単にポリDを切り離すために、この疎水化処理を実行しimethylsiloxaneウェハおよびフォトレジスト型の表面から（PDMS）マイクロチャネル（ 図1c）。 </li><li> PDMSベースを混合し、10の割合で硬化剤によってPDMS溶液を調製する：1。 2分間混合物を撹拌しました。 </li><li>ペトリ皿内のウェハ（150ミリメートル×15 mm）を置き、PDMS溶液100mlを加えます。デシケーターを使用して攪拌から作成された気泡を除去。 </li><li> PDMS溶液（ 図1d及びh）を固化するために80℃で2時間オーブン中でペトリ皿を置き。 </li><li>カミソリの刃を用いてPDMSマイクロチャネルの輪郭に沿って切断し、ウェハからそれを取り外します。 13ミリメートル、長さ300μm、幅および150μmの高い（ 図1E、F、およびI）：作製PDMSマイクロチャネルは、以下の寸法を有するべきです。 注：穴の2種類のシングルモードファイバ（SMF）ケーブルおよびチューブを挿入するために、微小穿刺によって製造される（入口PDMSマイクロチャネル（ 図1グラムにND出口））。 SMFケーブルは、金板に粉砕されたナノホールのレーザ光を出射するために使用されます。チューブは、挿入/ PDMSマイクロチャネルへの/からの粒子溶液を抽出するために使用されます。 </li><li> PDMSマイクロチャネルの各端部で1.5mmの入口及び出口穴を穿刺。 PDMSマイクロチャネルの中心に0.3mmのSMFケーブル穴を穿刺します。 </li></ol></li></ol>ゴールドプレートの2エッチング工程<ol><li> 25×6.25ミリメートル2（ 図2a）の寸法を有する市販の金プレートを準備します。 </li><li>以下の清掃手順でゴールドプレート上の任意の異物を取り除きます。 5分ごとに、アセトン、メタノール、およびDI水に浸漬することにより、次の順序でクリーン。 </li><li> 10秒間金板をDI水で3回リンスし、残りのDI水を除去するためにN 2ガスを用いてプレートを乾燥。 </li><li>ホットプレートの上に金のプレートを置き完全に残っている水分を除去するために180℃で20分。 </li><li> 3000rpmで40秒間金板及びスピンコート上にヘキサメチルジシラザン（HMDS）の0.5mLのを注ぎます。 </li><li> 3,000rpmで40秒間スピンコートHMDSのトップスピンコート上にポジ型フォトレジストの0.5mLを注ぐ（ 図2b）。 </li><li> 110°C（ソフトベーク）で90秒間ホットプレート上にフォトレジストでコーティングされた金板を置き。 </li><li>ガラスウェーハ上のフィルムマスクを固定し、基板ステージ上にソフトベーク金板を置き。フォトレジストを溶解するために64ミリジュール/ cm 2で4.5秒間UV光に公開します。 </li><li>溶解したフォトレジスト（ 図2c）を除去するために1分間のフォトレジスト現像液に金プレートを浸し。 DI水を用いて金プレートをリンスし、N 2ガスを用いたドライ。 </li><li>露出したAu（ 図2d）を除去するために、28オングストローム/秒のエッチング速度で45秒間のAuエッチング液に金プレートを浸し。 DIウォートに金プレートをすすぎますRとN 2ガスを用いたドライ。 </li><li>露出したTi（ 図2e）を除去するために、25オングストローム/秒のエッチング速度で5秒間のTiエッチング液に金プレートを浸し。 DI水を用いて金プレートをリンスし、N 2ガスを用いたドライ。 </li><li> 3分毎（ 図2F）、アセトン、メタノール、および脱イオン水に浸漬することにより、金板上に残ったフォトレジストを除去します。書かれた順序でプレートを浸します。 </li><li> 10秒間金板をDI水で3回リンス。 DI水を除去するためにN 2つのガスを用いたドライ。 </li><li>完全に水分を除去し、120℃で3分間、ホットプレート上で金板を置き、生成金ブロックは400×150μmの2（ 図2H）であるべきです。 </li><li>ミル（ 図2Gおよびi）をエッチングした後に作製した金ブロックの中心に集束イオンビーム（FIB）を用いて400 nmのナノホール。金BLに集中する370 nmの円形パターンを作成します。3秒間28 Paの30キロボルトの電圧を加速イオンとOCK。 </li></ol>マイクロチップの3組立<ol><li> 80 Wの電力でプラズマシステムおよび825ミリトール25の圧力と一緒にそれらを取り付けるためにO 2プラズマで1分間PDMSマイクロチャネル及び金プレートの2つの面を扱います。 注：金ブロックとPDMSマイクロチャネルは、マイクロメートルレベルであるため、それは正確にそれらを添付すること、特に困難です。従って、カメラとマニュアルステージで露光を使用します。 </li><li>アライナー（ 図3a）のマスクホルダにフィルムマスクを取り付けるために使用されたガラスウェハを固定します。 </li><li>ガラスウェーハにO 2 -プラズマ処理したPDMSマイクロチャネルを取り付けます。 PDMSは親水性であるので、それは簡単に任意の接着液ずにガラスウェハに付着します。アライナー（ 図3a）の基板ステージ上に金プレートを固定します。 </li><li>目の中心の位置を確認しますアライナのカメラを使用して、同一の軸上に整列されているE SMFケーブル穴と金ブロック、。二つの部分（ 図3BおよびC）を組み合わせること手動ステージを持ち上げ。 </li></ol> PDMSコーティングすることにより、マイクロチップ側の表面粗さの改善4。 注：400×150μmの2の固定された寸法を有する金板は、PDMS材料よりも切り出すことは比較的困難です。したがって、ウェハからPDMSマイクロチャネルを分離するために、カミソリの刃は、金板より大きい片を切り出すために使用されます。チャネルの内部を顕微鏡（ 図4a）を使用して側から観察できるように、2つの部品を結合した後、金プレートに対してPDMSの過剰部分は、その後、切断しなければなりません。しかし、窓として使用される切断面は、高い表面粗さを有し、その結果、チャネルに流れる粒子の濁った画像（ 図を生成します図4b）。 PDMS溶液によるコーティングは、この問題を解決するために再度行われます。 <ol><li> 10でエージェントをPDMSベースを混合し、硬化させることによりPDMS溶液を調製する：1比、2分間撹拌しました。 </li><li>ペトリ皿にPDMS溶液2mLを注ぎ、1,000rpmで（ 図4c）で30秒間スピンコートを行います。 </li><li>ペトリ皿（ 図4d）上の顕微鏡上に配置されようとしているマイクロチップの表面を置き。 PDMS溶液を固化するために80℃で1時間オーブン中でペトリ皿を置き。 </li><li>カミソリの刃を使用して、マイクロチップ及びPDMSの境界線を切断し、その後ペトリ皿（ 図4E、F）からそれを取り外します。 </li></ol> 5.レーザーカップリングマイクロチップにSMFケーブルを挿入します注：プラズモニックピンセットシステムでは、1,064 nmの波長を有する光ファイバの入射レーザが使用されます。 SMFケーブルはINCIの直径ために使用され窪みレーザ（5mm）をマイクロチップ中の金のブロック（400×150μmの2）に粉砕ナノホールのレーザビームを放出するように、あまりにも巨大です。 SMFケーブルのクラッド径は125μmです。これにより、入射レーザとSMFケーブルが連結されなければなりません。 <ol><li> SMFカプラにマウント顕微鏡対物レンズに40倍の対物レンズを接続します。 SMFカプラのファイバクランプにSMFケーブルを固定します。対物レンズの後方開口部に充填する入射レーザビームを整列させます。 </li><li> SMFカプラに備えた三軸手動ステージを調整することにより、SMFケーブルのコアにレーザビームの焦点を合わせます。 </li><li>マイクロチップのSMFケーブル穴にSMFケーブルの反対側の端部を挿入します。マイクロチップに固定された光ファイバケーブルを取り外すことができないので、光ファイバケーブルの端部に挿入前にレーザパワーを測定します。 </li><li> SMFキャブとの間の隙間から流れる粒子溶液の漏れを阻止するためにエポキシ接着剤を使用して、SMFケーブル穴をシールル穴（300ミクロン）とSMFケーブル（125ミクロン）のクラッディング。挿入された光ファイバケーブルの端部は、流体の流れを回避するために、マイクロチャネルに入るべきではありません。手動では、ナノホールをホスト金ブロックに対して垂直になるように視覚的なフィードバックを使用してファイバケーブルを整列させます。 </li></ol>マイクロチップでの単一の蛍光ポリスチレン粒子の6プラズモニックトラッピング<ol><li>シリンジマイクロポンプに、粒子溶液が充填されている注射器を取り付けます。蛍光顕微鏡の試料ステージ上にカバーガラスを置きます。マイクロチップの入口/出口穴にチューブを接続します。カバーガラスの上にPDMSコーティングされたマイクロチップの表面を置き。 </li><li>蛍光顕微鏡上に設置されたカメラを用いてチャネルの内部を観察することによって60X水浸対物レンズに直交マイクロチップを位置決めします。所定の位置にマイクロチップを修正するために透明テープを使用してください。シリンジNEとマイクロチップのインレットチューブを接続edle。 </li><li> 20ミクロン/秒でマイクロポンプを制御することにより、マイクロチップに粒子溶液を挿入します。このとき、蛍光灯がオンされたときに蛍光体粒子がチャネルに良好に観察することができることを確認します。 </li><li>粒子溶液は、マイクロチップの出口から出るまで待ってください。 3.4ミクロン/ sの速度を設定します。 </li><li>それはナノホールにレーザを出射するようにレーザ光源装置をオン。蛍光体粒子は、ナノホールの縁に捕捉されます。 </li><li>捕捉された粒子エスケープまでマイクロポンプを制御することにより、0.4ミクロン/秒の増分で流体速度をランプ。捕捉された粒子が脱出する際に流体の速度を測定します。この測定流体の速度を使用して、各レーザ強度の最大トラッピング力を得ます。 </li></ol>

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著者は、開示することは何もありません。

図6aの矩形ドットに示すようにSMFケーブルは、マイクロチップ上のSMFケーブル穴に挿入しました。 SMFケーブル穴は、ケーブル径よりも大きいので、エポキシ接着剤は、流動粒子溶液の漏れを阻止するためにギャップをシールするために使用しました。エポキシ接着剤の適用前に、金ブロックとケーブル端が同軸顕微鏡を用いて手で整列されるべきです。それが挿入されたケーブ?...

マイクロスケールのオブジェクトを操作する能力は、多くのマイクロ/ナノ実験のために不可欠な機能です。直接接触操作は、操作対象物に損傷を与えることができます。以前に開催されたオブジェクトを解放するためにもスティクション問題の挑戦です。これらの問題を克服するために、流体1、電気2、磁気3、又はフォトニック力4、5、6、7を使用して、いくつかの間接的な方法は、8が提案されています。フォトニック力を使用プラズモンピンセットは、入射強度9より大きい臨時フィールド強化数桁の物理学に基づいています。この非常に強い電場増強が非常に小さいナノ粒子の捕獲を可能にします。例えば、ナノスケールを固定化して操作することが示されていますポリスチレン粒子7、10、11、12、13、14、ポリマー鎖15、タンパク質16、量子ドット17、及びDNA分子8、18などのオブジェクト、。彼らは、彼らが効果的に検討される前に素早く消えたりするので、彼らはレーザーの高強度のために破損しているため、プラズモニックピンセットがなければ、それはトラップナノ粒子することは困難です。 多くのプラズモンの研究では、様々なナノスケールの金の構造を使用していました。我々は、ナノディスクタイプ12、13、14、15、19を突出として金構造を分類することができ<s&gt;アップ、20、21又は抑制ナノホールタイプ7、8、10、11、22、23。後者のために、金基板は観察視野を妨げることができるので、撮像利便性の観点から、ナノディスクタイプがナノホールタイプよりも適しています。また、プラズモントラッピングは、プラズモニック構造の近くに発生し、観察がさらに困難となります。我々の知る限り、ナノホールタイプのプラズモニックトラッピングは間接的な散乱信号を使用して検証しました。しかし、そのような顕微鏡画像など何の成功の直接観察は、報告されていません。いくつかの研究では、捕捉された粒子の位置を記載しています。そのような結果は、Wang らによって発表されました。彼らは、金基板上の金柱を作成し、Pを観察しました蛍光顕微鏡24を用いて文書運動。しかしながら、これは、ビーム軸に平行な方向にない横方向の動きを監視するためにのみ有効です。 本稿では、新しい流体マイクロチップの設計および製造手順をご紹介します。このチップを使用して、我々は、プラズモンナノ構造に平行と直交する方向の両方において、plasmonically捕捉された粒子のモニタリングを示します。さらに、我々はマイクロチップで転換速度を見つけるために、流体の速度を増加させることにより、固定化された粒子の最大の力を測定します。プラズモニックピンセットで最も研究が定量的に彼らの実験装置で使用される最大トラッピング力を示すことができないので、この研究では、ユニークです。

<table><tbody><tr><td>Negative photoresist&amp;nbsp;</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2075</td><td></td></tr><tr><td>Developer</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 Developer</td><td></td></tr><tr><td>Positive photoresist&amp;nbsp;</td><td>Merck Ltd.</td><td>AZ GXR-601</td><td></td></tr><tr><td>AZ Photoresist Developers</td><td>Merck Ltd.</td><td>AZ 300 MIF</td><td></td></tr><tr><td>HMDS</td><td>Merck Ltd.</td><td>AZ Adhesion Promoter</td><td></td></tr><tr><td>Aligner</td><td>Midas System</td><td>MDA 400M</td><td></td></tr><tr><td>Atmospheric plasma machine&amp;nbsp;</td><td>Atmospheric Process&lt;br/&gt; Plasma Co.</td><td>IDP-1000</td><td></td></tr><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184 A/B</td><td></td></tr><tr><td>Gold coated test slides</td><td>EMF Co.</td><td>TA124(Ti/Au)</td><td></td></tr><tr><td>Au etchant&amp;nbsp;</td><td>Transene Inc.</td><td>TFA</td><td></td></tr><tr><td>Ti etchant&amp;nbsp;</td><td>Transene Inc.</td><td>TFT</td><td></td></tr><tr><td>40X objective lens&amp;nbsp;</td><td>Edmund Optics</td><td>40X DIN</td><td></td></tr><tr><td>60X water immersion&lt;br/&gt; objective lens&amp;nbsp;</td><td>Olympus</td><td>LUMPLFLN 60XW</td><td></td></tr><tr><td>Optical fiber incident laser&amp;nbsp;</td><td>IPG Photonic</td><td>YLR 10</td><td></td></tr><tr><td>SMF coupler</td><td>Thorlabs</td><td>MBT612D/M</td><td></td></tr><tr><td>Syringe micropump</td><td>Harvard</td><td>PC2 70-4501</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescent microscope&amp;nbsp;</td><td>Olympus</td><td>IX-51</td><td></td></tr><tr><td>Plasma system</td><td>Femto Science Inc</td><td>CUTE-MPR</td><td></td></tr></tbody></table>

plasmonic trapping and release of nanoparticles in a monitoring environment

プラズモニックピンセットは、分極性ナノスケール物体を閉じ込めるために、表面プラズモンポラリトンを使用します。プラズモニックピンセットの様々なデザインの中に、わずか数は、固定化粒子を観察することができます。また、研究の限られた数は、実験的に粒子にexertable力を測定しました。設計は、突出ナノディスク型又は抑制ナノホールのタイプに分類することができます。後者のために、顕微鏡観察は非常に困難です。この論文では、新たなプラズモンピンセットシステムは、プラズモニックナノホール構造体の対称軸に平行及び垂直方向の両方において、粒子を監視するために導入されます。この機能は、ナノホールの縁の近くに、各粒子の動きを観察することを可能にします。さらに、我々は定量的に新しい流体チャネルを使用して最大トラッピング力を推定することができます。

PDMSマイクロチャネルとナノホール金板の製造プロセスは、 図1及び図 2に示されています。二つの部分を結合する方法と実際のマイクロチップは、 図3に示されています。 PDMSマイクロチップの側からチャネルの内部を明らかにするために切断しました。しかし、理由は切断面の表面粗さの流路内を流れる粒子を観察?...

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Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

プラズモニックピンセットを組み込んだマイクロチップの製造プロセスは、ここで提示されます。マイクロチップは、最大トラッピング力を測定するためにトラップされた粒子の画像化を可能にします。

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

plasmonic-trapping-release-nanoparticles-monitoring

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

7.5K ビュー.  Korea Basic Science Institute (KBSI). プラズモニックピンセットを組み込んだマイクロチップの製造プロセスは、ここで提示されます。マイクロチップは、最大トラッピング力を測定するためにトラップされた粒子の画像化を可能にします。 

ビデオ: Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

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.

プラズモニック·強化されたライトトラップによる多結晶シリコン薄膜太陽電池

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

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 ...

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.

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

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

Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological research. Perhaps the most widely used physical force to achieve noninvasive manipulation of small particles has been dielectrophoresis(DEP).1 However, DEP on its own lacks the versatility and precision that are desired when manipulating cells since it is traditionally done with stationary electrodes. Optical tweezers, which utilize a three dimensional electromagnetic field gradient to exert forces on small particles, achieve this desired versatility and precision.2 However, a major drawback of this approach is the high radiation intensity required to achieve the necessary force to trap a particle which can damage biological samples.3 A solution that allows trapping and sorting with lower optical intensities are optoelectronic tweezers (OET) but OET's have limitations with fine manipulation of small particles; being DEP-based technology also puts constraint on the property of the solution.4,5
This video article will describe two methods that decrease the intensity of the radiation needed for optical manipulation of living cells and also describe a method for orientation control. The first method is plasmonic tweezers which use a random gold nanoparticle (AuNP) array as a substrate for the sample as shown in Figure 1. The AuNP array converts the incident photons into localized surface plasmons (LSP) which consist of resonant dipole moments that radiate and generate a patterned radiation field with a large gradient in the cell solution. Initial work on surface plasmon enhanced trapping by Righini et al and our own modeling have shown the fields generated by the plasmonic substrate reduce the initial intensity required by enhancing the gradient field that traps the particle.6,7,8 The plasmonic approach allows for fine orientation control of ellipsoidal particles and cells with low optical intensities because of more efficient optical energy conversion into mechanical energy and a dipole-dependent radiation field. These fields are shown in figure 2 and the low trapping intensities are detailed in figures 4 and 5. The main problems with plasmonic tweezers are that the LSP's generate a considerable amount of heat and the trapping is only two dimensional. This heat generates convective flows and thermophoresis which can be powerful enough to expel submicron particles from the trap.9,10 The second approach that we will describe is utilizing periodic dielectric nanostructures to scatter incident light very efficiently into diffraction modes, as shown in figure 6.11 Ideally, one would make this structure out of a dielectric material to avoid the same heating problems experienced with the plasmonic tweezers but in our approach an aluminum-coated diffraction grating is used as a one-dimensional periodic dielectric nanostructure. Although it is not a semiconductor, it did not experience significant heating and effectively trapped small particles with low trapping intensities, as shown in figure 7. Alignment of particles with the grating substrate conceptually validates the proposition that a 2-D photonic crystal could allow precise rotation of non-spherical micron sized particles.10 The efficiencies of these optical traps are increased due to the enhanced fields produced by the nanostructures described in this paper.

Plasmonic tweezers and photonic crystal nanostructures are shown to produce useful enhancements in the efficiency and orientation control of optically trapping micro- and nano-particles.

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

生物工学

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.

「ノープリウスの動きを分析する<em&gt;アルテミア·サリナ</em&gt; &#39;プラズモニックナノ粒子の光学追跡することによって、

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.

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 ...

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 ...

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical lattice consists of an array of nanostructures, which exhibit a variety of trapping and transport behaviors. We report the experimental procedures to trap micro-particles in a simple square nanoplasmonic optical lattice. We also describe the optical setup and the nanofabrication of a nanoplasmonic array. The optical potential is created by illuminating an array of gold nanodiscs with a Gaussian beam of 980 nm wavelength, and exciting plasmon resonance. The motion of particles is monitored by fluorescence imaging. A scheme to suppress photothermal convection is also described to increase usable optical power for optimal trapping. Suppression of convection is achieved by cooling the sample to a low temperature, and utilizing the near-zero thermal expansion coefficient of a water medium. Both single particle transport and multiple particle trapping are reported here.

We describe a procedure to optically trap micro-particles in nanoplasmonic optical lattice.

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical ...

Monitoring Conformational Dynamics of Single Unmodified Proteins using Plasmonic Nanotweezers

Current single-molecule techniques to characterize proteins typically require labels, tethers, or the use of non-native solution conditions. Such changes can alter protein biophysics and reduce the usefulness of the data acquired. Plasmonic nanotweezers is a technique that uses localized surface plasmon resonance (LSPR) on gold nanostructures to enhance the electric field within a confined hotspot region. This field enhancement allows for the use of low laser powers to trap single nanoparticles far smaller than conventional optical tweezers, down to only a few nanometers in diameter, such as single proteins. Trapping of single protein molecules within the hotspot region induces a shift in the local refractive index (nprotein &#62; nwater), altering light scattering as a product of the molecule&#39;s polarisability, which is affected by its volume, shape anisotropy, and refractive index. An avalanche photodiode (APD) collects the subsequent changes in light scattering. These alterations can then be analyzed to determine changes in the trapped molecule, including its size, global conformation, and dynamics of conformational change over time. The incorporation of microfluidics within the system allows for controlled environmental changes and real-time monitoring of their subsequent effects on the molecule. In this protocol, we demonstrate the steps to trap single protein molecules, alter their environmental solution conditions, and monitor their corresponding conformational changes using a plasmonic nanotweezers system.

Plasmonic nanotweezers use localized surface plasmon resonance in gold nanostructures to trap single nanoparticles, including proteins, within a nanometer-scale optical field. Changes in the scattered signal reveal protein presence and conformational dynamics, enabling monitoring without fluorophore modifications or surface tethering.

プラズモニックナノピンセットを用いた単一非修飾タンパク質のコンフォメーションダイナミクスのモニタリング

Current single-molecule techniques to characterize proteins typically require labels, tethers, or the use of non-native solution conditions. Such changes ...

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric field of metallic nanostructures. Salt-induced silver nanoparticle aggregation is the most popular method for generating SERS-active substrates; however, it is limited by poor reproducibility, stability, and biocompatibility. The present protocol integrates optical manipulation and SERS detection to develop an efficient analytical platform to address this. A 1064 nm trapping laser and a 532 nm Raman probe laser are combined in a microscope to assemble silver nanoparticles, which generate plasmonic hotspots for in situ SERS measurements in aqueous environments. Without aggregating agents, this dynamic plasmonic silver nanoparticle assembly enables an approximately 50-fold enhancement of the analyte molecule signal. Moreover, it provides spatial and temporal control to form the SERS-active assembly in as low as 0.05 nM analyte-coated silver nanoparticle solution, which minimizes the potential perturbation for in vivo analysis. Hence, this optical trapping-integrated SERS platform holds great potential for efficient, reproducible, and stable molecular analyses in liquids, especially in aqueous physiological environments.

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

The present protocol describes a convenient approach to integrating optical trapping and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to manipulate plasmonic nanoparticles for sensitive molecular detection. Without aggregating agents, the trapping laser assembles plasmonic nanoparticles to enhance the SERS signals of target analytes for in situ spectroscopic measurements.

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric ...

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

要約

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プラズモニック·強化されたライトトラップによる多結晶シリコン薄膜太陽電池

ナノ粒子の光トラッピング

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

「ノープリウスの動きを分析する

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

プラズモニックナノピンセットを用いた単一非修飾タンパク質のコンフォメーションダイナミクスのモニタリング

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

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プラズモニック·強化されたライトトラップによる多結晶シリコン薄膜太陽電池

ナノ粒子の光トラッピング

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

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