Hur THz s-SNOM kan förbättra halvledarmätning och produktion

THz s-SNOM är en banbrytande teknik som erbjuder hög upplösning, kvantitativ analys och multimodal datainsamling. För att implementera THz s-SNOM inom halvledarmätning krävs förbättringar av den spatiala upplösningen genom förbättrad sondenhet och snabbare inspektion via signalhöjning, särskilt när det gäller prestanda. Integrering av nanogap-metasurfacer på provytor kan leverera snabb avbildning med super-upplösning, vilket kraftigt förbättrar kvaliteten på de mätningar som görs. Ett exempel på denna integration är att placera en metasurface-membran på en halvledarkrets eller -chip.

Samtidigt som prestandaförbättringarna är avgörande, krävs också kostnadseffektiva metoder för att kunna tillämpa tekniken på en industriell nivå. Fabrikationen av nanogap och metasurfacer förbättrar betydligt THz-emissionen och detekteringseffektiviteten. Men tillverkningen av funktioner mindre än 100 nm är inte lämplig för massproduktion, vilket innebär att alternativa metoder som elektronstråle-litografi, som möjliggör serietillverkning med hög precision, måste implementeras. Denna metod erbjuder en lösning för att tillverka de extremt små och precisa strukturer som krävs för denna teknik.

Förutom dessa tekniska och ekonomiska överväganden bör det också beaktas att användningen av THz s-SNOM kräver en djup förståelse av de fysiska principerna bakom tekniken och hur olika material och strukturer interagerar med terahertz-strålning. Den noggranna anpassningen av metasurfacer till specifika halvledarmaterial är avgörande för att maximera effekten av denna metod. Det är också viktigt att erkänna att när det gäller inspektionsmetoder och mätutrustning spelar den noggrant kontrollerade tillverkningen och designen av komponenterna en avgörande roll för att uppnå tillförlitliga och precisa resultat.

För framtida forskning och utveckling kan det vara värdefullt att utforska nya metoder för att ytterligare förbättra signalstyrka och upplösning. Samtidigt är det nödvändigt att tänka på hur tekniken kan skalas upp för att möta industrins krav på produktion i stor skala, där kostnader och effektivitet är av största vikt.

Hur guldnanopartikeldimera kan användas för effektiv DNA-kvantifiering

Vid mätning av låg RNA-koncentration, till exempel HIV eller HCV, där koncentrationen kan sträcka sig från 50 till 10^6 molekyler/mL för HIV och upp till 10^8 molekyler/mL för HCV, är det viktigt att överväga att höja den maximala kvantifieringsgränsen snarare än att späda ut det okända provet. Spädning kan orsaka artefakter som påverkar resultatens noggrannhet, och därför har forskningen inriktats på att justera teknologierna för att hantera detta.

En av de mest lovande metoderna är att använda AuNP-dimera, som är sammankopplade genom alkylkedjor och kan ge en betydande ökning av den elektromagnetiska fältstyrkan vid mellanpartikelgaps. Detta möjliggör en mer känslig detektion genom lokaliserad ytplasmonresonans (LSPR), där gapet mellan nanopartiklarna fungerar som en "hot spot" för optisk förstärkning. Denna teknologiska anpassning förbättrar inte bara mätprecisionen utan öppnar också upp för möjligheten till multipel detektion på en molekylnivå utan att använda några markörer.

För att skapa denna effektiva förstärkning har forskare utvecklat och optimerat metoder för att binda AuNPs till specifika DNA-oligonukleotider, vilket gör det möjligt att utnyttja dessa nanopartiklar för exakt och snabb DNA-kvantifiering. Genom att justera storleken på nanopartiklarna och längden på alkylkedjorna kan gapet mellan nanopartiklarna finjusteras för att maximera dimerbildning och säkerställa att AuNPs inte aggregerar oönskat. För att undvika dessa aggregationer, är det möjligt att modifiera AuNPs med carboxylterminerade alkanthioler, som binder till nanopartiklarna genom van der Waals-interaktioner.

En typisk syntesprocess för dessa dimera AuNPs innebär att guldnanopartiklar blandas med olika DNA-sekvenser som modifierats med thiolgrupper för att skapa stabila konjugat. Efter inkubation och tvätt bildar dessa partiklar dimerer som är optimerade för att ge hög förstärkning vid optiska mätningar, vilket gör det möjligt att få exakta mätningar av DNA-koncentrationer även vid låga nivåer.

Den experimentella proceduren för att skapa AuNP-dimera är komplicerad och kräver noggranna förhållanden för inkubation, centrifugering och tvättning av partikelsuspensionerna. Användningen av olika typer av alkanthioler ger ytterligare flexibilitet för att justera egenskaperna hos de skapade nanopartiklarna och deras förmåga att reagera på specifika DNA-sekvenser. En noggrann övervakning av storleksfördelningen av dessa AuNPs via metoder som dynamisk ljusspredering (DLS) och UV-Vis spektroskopi är också nödvändig för att säkerställa att partiklarna har de önskade egenskaperna för effektiv DNA-detektion.

Förutom dessa experimentella detaljer är det också viktigt att beakta att validering av DNA-kvantifiering inte enbart handlar om att uppnå hög noggrannhet i detektionen. Det är också avgörande att beakta stabiliteten och reproducerbarheten hos metoden i kliniska eller laboratoriemiljöer där externa faktorer som temperatur och pH kan påverka resultatens pålitlighet. För att förbättra metodens användbarhet i praktiken måste den vara tillräckligt robust för att fungera under varierande laboratorieförhållanden och kunna hantera ett brett spektrum av prover med olika komplexitet och koncentrationer.

Det är också viktigt att förstå att för att metoden ska kunna användas för storskaliga kliniska applikationer eller som ett diagnostiskt verktyg, krävs ytterligare forskning och utveckling för att säkerställa att den är kostnadseffektiv, snabb och enkel att implementera i rutinmässiga laboratorietester. Genom att integrera AuNP-dimera med andra detektionsteknologier kan man förvänta sig nya framsteg inom molekylär diagnostik och biomarkördetektion, vilket ger en mer exakt och effektiv lösning för att förstå och behandla sjukdomar på en molekylär nivå.

Hur modifiering av AuNPs med olika DNA-prober påverkar hybridiseringseffektiviteten vid målmolekyltester

Guldnanopartiklar (AuNPs) är viktiga byggstenar i många bioteknologiska tillämpningar, bland annat vid detektion av biomarkörer genom DNA-hybridisering. Deras ytmorfologi och funktionalisering med specifika molekyler spelar en avgörande roll för effektiviteten i dessa processer. En nyckelkomponent i dessa system är modifiering av AuNPs med DNA-prober, där olika modifieringar av DNA-strukturen och ytan på nanopartiklarna påverkar både deras stabilitet och förmåga att binda specifika målmolekyler. I denna studie fokuserar vi på att undersöka hur modifiering av AuNPs med ssDNA-prober, i kombination med olika alkanthioler, kan optimera hybridiseringseffektiviteten för målmolekyler såsom cDNA.

Modifikation av AuNPs med alkanthioler såsom R11-EG6-COOH (HS-(CH2)11-(OCH2CH2)6-OCH2COOH) har visat sig förbättra dispersibiliteten av AuNPs i lösning och deras förmåga att binda till specifika DNA-sekvenser. I vårt arbete har vi vidareutvecklat dessa modifikationer genom att undersöka hur AuNPs kan bilda dimers genom hybridisering av två ssDNA-prober med ett komplementärt mål-cDNA. För detta ändamål valde vi fyra olika ssDNA-prober (Pr1–Pr4), designade för att vara delvis komplementära till en 100-mer mål-DNA-sekvens som kodar för carcinoembryonalt antigen (CEA), en viktig biomarkör vid screening av kolorektalcancer.

De modifierade AuNPs förberedes genom att fästa ssDNA-proberna på ytan via en tiolgrupp, vilket gav upphov till fyra olika blandningar av Probe-DNA. Dessa blandningar resulterade i en uppsättning AuNPs med olika funktionella grupper på ytan. Kombinationerna av prob-DNA (Pr1 × Pr2, Pr3 × Pr4, Pr1 × Pr4, Pr3 × Pr2) blandades och förbereddes för hybridisering med målcDNA, där koncentrationen av mål-DNA varierade från 2,4 till 625 pM för att optimera bildningen av AuNP-dimera.

Resultaten från agarosgelelektrofores visade att dimers, trimers och andra multimera bildades genom hybridisering mellan prob-DNA och mål-DNA. Fyra olika kombinationer av Probe-DNA testades för att bedöma vilken som gav den högsta hybridiseringseffektiviteten, och resultaten visade att kombinationen Pr3 × Pr2 hade den mest effektiva hybridiseringen, följd av Pr3 × Pr4 och Pr1 × Pr2. Denna effektiva hybridisering kan förklaras av den längre kolkedjan i thiol-länken mellan Pr2 och Pr3, vilket möjliggör en mer effektiv diffusion och bindning av mål-DNA.

För att förstå denna skillnad i hybridiseringseffektivitet ytterligare, analyserades elektroforetisk mobilitet hos de modifierade AuNPs innan hybridiseringen. Resultaten visade att mobiliteten hos AuNPs var beroende av både typen av thiol-länk och den funktionella gruppen på alkanthiolen. För AuNPs modifierade med R11-EG6-COOH var minskningen i mobilitet särskilt signifikant för Pr1/Pr4 jämfört med Pr2/Pr3. Dessa skillnader antyder att längre kolkedjor på thiol-länken förbättrar interaktionen mellan ssDNA och målcDNA, vilket leder till högre effektivitet i dimerbildningen.

Det är också viktigt att förstå att effektiviteten hos DNA-baserade detektionssystem inte enbart beror på de modifierade ytorna, utan även på den kemiska stabiliteten hos nanopartiklarna under olika experimentella förhållanden. Även små förändringar i lösningens pH eller jonstyrka kan påverka interaktionen mellan ssDNA och AuNPs, vilket i sin tur kan påverka hybridiseringens resultat.

Hur fungerar Ramanlasrar i kiselbaserade enheter?

Ramansprektrumet för o-dopat bulk-silikon mäts vid rumstemperatur med svag exiteringskraft (0,5 mW) och en högupplöst spektrometer, där ett värde på 520,5 cm−1 vanligtvis erhålls. Full bredde vid halva maxvärdet (FWHM) för Raman-toppen i denna mätning är 2,75 cm−1. Det är viktigt att notera att FWHM för Raman-toppen kan variera avsevärt beroende på mätutrustning och teknik, vilket gör att olika rapporter kan visa skillnader i både värde och bredd. En rapport från 1967 visade ett värde på 520,2 ± 0,5 cm−1 och en FWHM på 4,6 cm−1. Skillnaden mellan dessa resultat kan tillskrivas olika mätmetoder och precisionsnivåer.

Vid stimulering av Raman-spridning används en extern laser som exciterar det material som ska utsättas för Raman-spridning. Denna process är en tredjordens icke-linjär optisk effekt och kräver ett starkt elektriskt fält för att kunna inducera stimulerad Raman-spridning. Den första Raman-laseroscillationen rapporterades 1962, då man använde en rubinlaser för att excitera nitrobenzen. Sedan dess har det visats att Raman-lasrar fungerar i ett flertal material.

En Raman-laser består av ett Raman-gainmedium placerat i en resonator, som exciteras av en extern laser. I denna konfiguration genereras Raman-laserljus genom stimulerad Raman-spridning, där det infallande pump-ljuset och det utspridda Raman-ljuset hålls inom resonatorn. När en halvledare används som Raman-medium, sker laseroscillation om energin för Raman-ljuset är lägre än bandgapenergin för materialet. För att en Raman-laser ska kunna fungera behövs en extern pump-laser, vilket gör att applikationerna är mer begränsade jämfört med elektriskt injicerade halvledarlasrar.

Fördelarna med Raman-silikonlasrar är flera. För det första är de kapabla att oscillera över ett brett våglängdsintervall. Det har rapporterats att Raman-silikonlasrar kan fungera för pumpvåglängder mellan 1,20 och 1,68 µm, och det har till och med visats att en enda Raman-silikonlaser kan ge justerbara våglängder från 1,33 till 1,84 µm. En annan fördel är den höga SMSR (side mode suppression ratio) som dessa lasrar uppvisar, vilket gör att bakgrundsbrus och störningar från excitationljuset minimeras. Eftersom Raman-skiftet för kisel är hela 15,6 THz, reduceras effekten från spontana Raman-spridningar kraftigt i förhållande till stimulerad Raman-spridning.

Det finns även möjlighet till kaskadlaseroscillation i Raman-silikonlasrar, vilket innebär att nära infraröd pump-ljus kan konverteras till medel-infraröda våglängder. Trots dessa fördelar har Raman-laserar fortfarande vissa nackdelar, såsom stora enhetsstorlekar och höga oscillationströsklar. Till exempel krävdes den första kontinuerliga våglängdssatta fiber-Ramanlasern mer än 10 meter av silica fiber och hade en tröskel för oscillation på cirka 3 W.

Stimulerad Raman-spridning i kisel rapporterades för första gången 1970. Kisel har en mycket hög Raman-vinstkoefficient, 10–70 cm/GW, vilket är 3–4 gånger högre än för silica-fiber. Utvecklingen av mikrofabriceringstekniker för kisel under 1990-talet ledde till utvecklingen av lågförlust kiseldrahtguide, där den höga brytningsindexen för kisel gör att man kan minska tvärsnittsarean för waveguides och därmed förstärka de icke-linjära optiska effekterna.

Raman-silikonlasrar baserade på rib-waveguide-resonatorer demonstrerades för första gången 2005. En sådan resonator använder en ringformad struktur som gör det möjligt att uppnå mycket höga kvalitetsfaktorer (Q-faktorer), vilket gör det möjligt att ha längre waveguides inom en liten yta. En rib-waveguide, som är placerad på den övre kiselskiktet av ett SOI-substrat, kan innehålla både p- och n-dopade områden, vilket skapar en p-i-n-diodstruktur. Denna struktur är avgörande för att extrahera fria bärartjänster som genereras inom rib-waveguiden genom tvåfotonabsorption (TPA).