<div> <div> <div> <p>Microfluidics is a new and emerging field that has applications in a myriad of microfluidic industrial applications such as biochemical engineering, analytical processing, biomedical engineering and separation of cells. Microfluidics operations are carried out in microfluidic chips, and the traditional method of fabrication is carried out in a cleanroom. However, this fabrication method is very costly and also requires professional trained personnel. In this thesis, a low-cost fabrication platform was developed based on soft-lithography technique developed to fabricate the microfluidic devices with resolution at microscale. This fabrication method is advantageous and novel because it is able to achieve the microscale fabrication capability with simple steps and lower-level laboratory configuration. In the developed fabrication platform, an array of ultraviolet light was illuminated onto a photoresist film that has a negative photomask with a microfluidic design on it. The photoresist film is then developed, and a silicon polymer of polydimethylsiloxane (PDMS) is chosen to be the material for the device. In this work, the performance and resolution of the fabrication system was evaluated using scanning electron microscopy (SEM), polymer resolution test and light intensity analysis. </p> <p>Based on the success of the development of microfluidics fabrication platform, various experiment of mixing and separation was conducted and studied because the utilization of the microfluidic device for mixing and separation is very valuable in biomedical and chemical engineering. Although there are a lot of applications reported, the precise separation and mixing at microscale still meet some difficulties. Mixing in micromixers is extremely time-consuming and requires very long microchannels due to laminar flow and low Reynolds number. Particle separation is also hard to be achieved because the size of micron bioparticles is very small and thus the force is not strong enough to manipulate their motion. The integration of magnetic field is an active method to strengthen both mixing and separation that has been widely applied in the biomedical industry overcome these difficulties because of its compatibility with organic particles. However, most magnetic mixing and separation use bulky permanent magnets that leave a large footprint or electromagnets that generate harmful Joule heat to organic and bio-particles. In this work, microscale magnet made of a mixture of neodymium powder and polydimethylsiloxane was developed and integrated into microfluidic system to achieve both rapid mixing of ferrofluids and separation of microparticles. Systematic experiments were conducted to discuss the effect of various parameters on the performance of magnetic mixing and separation of microparticles. It was found that channel geometry, flow filed, and magnetic properties will affect the transport phenomena of ferrofluid and microparticles, and thus mixing and separation efficiency. These findings are of great significance for the high throughput sorting of cancer cells and its mixing between drug for therapy treatment.</p></div></div></div>

<p>Laser shock imprinting (LSI) is a novel fabrication technique capable of manufacturing various membrane materials. This top-down imprinting process can fabricate membranes in high precision, high throughput, and large scalability. It reveals a variety of applications ranging from electronics to photonics, which is beneficial from its reliable and precise modulation of micro/nanostructures. </p> <p> In this thesis, we firstly proposed and developed a cost-effective LSI process to manufacture hierarchical micro/nanostructured power generators. By combining the conventional soft lithography technique, LSI is well compatible with it to fabricate metal membranes towards soft templates. It is a significant progress from the originally-developed silicon wafer template layout because it effectively reduces the process cost by replacing sophisticatedly developed silicon wafers with low-cost photocurable polymers. In addition, the use of polymer expands the boundary limit of geometrical complexity from simple patterns to hierarchical structures, as a result, we successfully conducted LSI technology to fabricate biomimic leaf structures into metallic membranes with the help of soft SU-8 templates. These fabricated metallic membraned are used as water-driven triboelectric nanogenerators. In addition to the introduction of polymer template, we further developed a successive laser shock imprinting (SLSI) process to fabricate hierarchical nanostructures in a higher resolution. Typically, grating templates are collected via recycling blank discs and used as soft templates. Then multiple times of LSI process are conducted to manufacture membranes into complex nanostructures. The use of blank disc further reduces cost and increase process resolution. The highlight of this part of work is to feature the introduction of metallic thin films on disc template, which plays a significant role during this high strain rate imprinting process. Then, the imprinting mechanism was investigated through the finite element method to validate the experimental findings. Lastly, this soft template LSI process was applied to fabricate low dimensional materials such as nanowires (1D) and nanomembranes (2D), potentially introducing homogeneous and inhomogeneous strain field. Kelvin probe force microscopy was used to directly probe strain-induced changes. This soft-template LSI process reveals a new route of precisely fabricating low dimensional membranes into nanoelectronics systems. </p>

Das moderne digitale Leben bringt eine steigende Nachfrage an immer kleineren kompakten Geräten mit höheren Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Multifunktionalität mit sich. Der in diesem Zusammenhang fortschreitende Prozess der Miniaturisierung findet damit in immer mehr Bereichen Anwendung. Der aktuelle Trend geht hierbei zu immer kleineren autonomen Systemen, welche vor allem einen wartungsfreien Betrieb mit guter Langlebigkeit garantieren sollen. Hierbei kommt die Integration von zusätzlichen Energiespeichereinheiten wie Mikro-Superkondensatoren (MSC) zum Einsatz. Die so genannten elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren können durch ihren rein elektrostatischen Energiespeichermechanismus innerhalb weniger Sekunden vollständig geladen und entladen werden und ermöglichen somit hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig hohen Lebensdauern. Strukturierungen im Mikrometerbereich können vor allem durch additive Druckmethoden (3D-Druck, Inkjet-Druck) realisiert werden, welche zudem eine sehr hohe Variabilität in der Zielgeometrie bieten. Ein weiteres vielversprechendes Verfahren hinsichtlich hoher Produktionsdurchsätze und einem geringen Preisaufwand stellt die weiche Lithographie dar. Sie ermöglicht Drucke mit hoher Auflösung bis in den Nanometerbereich. Aus diesem Grund soll im ersten Teil dieser Arbeit die Nanoprägelithographie (NIL) als softlithographische Technik für die Herstellung strukturierter Kohlenstoffelektroden genutzt werden. Die gewählten Elektrodenstrukturen zeichnen sich vor allem durch ihre hohe Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich aus und stellen damit die derzeit kleinsten literaturbekannten interdigitalen Kohlenstoffelektroden dar. Zielstellung dieser Arbeit war zunächst die Entwicklung verschiedener flüssiger, druckbarer Kohlenstoffpräkursoren. Die erhaltenen Mikrostrukturen wurden anschließend für die Anwendung in MSCs optimiert. Im ersten Teil der Arbeit konnten in diesem Sinne drei verschiedene Präkursorsysteme entwickelt werden. Das erste, Saccharose-basierte System setzte sich aus einer wässrigen Saccharoselösung zusammen, welche schwefelsäurekatalysiert zu Kohlenstoff umgesetzt wurde. Die zusätzliche Einbringung von Stickstoffgruppen in den Kohlenstoff erfolgte durch die Zugabe von Harnstoff. Das zweite Präkursorsystem basierte auf einem umweltfreundlichen Resol aus Phloroglucinol und Glyoxylsäure. Durch Weichtemplatverfahren unter Nutzung von Pluronic F127 gelang zudem eine Einbringung geordneter Porosität in die Kohlenstoffmatrix. Eine schnelle Assemblierung und Polymerisation der Edukte konnten durch den EISA-Prozess ermöglicht werden, sodass der Präkursor auch für die NIL genutzt werden konnte. Bei dem dritten System handelte es sich um einen Polymerpräkursor, welcher durch Auflösung von Polyacrylnitril in DMF hergestellt wurde. Dieses Polymersystem eignete sich zudem auch sehr gut als Matrixmaterial für die Einbettung von Nanopartikeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das System genutzt, um Polymerhohlkugeln einzubetten und diese in situ unter vollständiger Strukturerhaltung zu Kohlenstoff umzusetzen. Alle drei Präkursorsysteme konnten im nächsten Schritt erfolgreich in der Nanoprägelithographie angewendet werden. Die entsprechenden Strukturen besaßen Liniengrößen von 250 bis 500 nm mit Abständen zwischen 1 und 10 μm. Für alle Geometrien wurden hierbei vollständige und stabile Strukturen erhalten. Nach der Umsetzung der Präkursoren zu Kohlenstoff blieben die Strukturen weiterhin erhalten. Das Saccharose-basierte System wurde im Anschluss genutzt, um einen Hydrogel-Elektrolyten auf Basis von PVA und Schwefelsäure zu optimieren. Im Vergleich zu einem herkömmlichen wässrigen Elektrolyten konnten deutlich höhere Kapazitäten erreicht werden. Für die wässrige Li2SO4-Lösung wurde so eine Device-Kapazität von 0,02 mF cm-2 ermittelt, welche durch die Verwendung eines PVA/H2SO4-Gelelektrolyten auf 0,3 mF cm-2 gesteigert werden konnte. Zudem zeigte der Gel-Elektrolyt deutliche Vorteile bei der Langzeitstabilität und Auslaufsicherheit. Weiterhin wurden auch die Leitadditive und Konzentrationen variiert und getestet. Hierbei stellten sich Schwefelsäure als am besten geeignetes Additiv und ein Massenverhältnis von m(PVA): m(H2SO4) von 1:1 als optimale Konzentration heraus. Mit diesem Elektrolyten wurden im Anschluss die Einflüsse verschiedener Liniengrößen und Fingerabstände untersucht. Aufgrund des insgesamt besten Druckergebnisses zeigte die IDE500/10 auch die größten Kapazitäten. Weiterhin bewirkte eine N-Dotierung des Kohlenstoffes eine Verbesserung in der Benetzbarkeit und Leitfähigkeit der Elektroden, wodurch für alle Strukturen die Kapazität weiter gesteigert werden konnte. Auch der Resol-basierte Präkursor konnte genutzt werden, um Superkondensatoren herzustellen. Für beide Präkursorvarianten mit und ohne Templat wurden auch funktionsfähige Mikro-Superkondensatoren hergestellt. Hierbei konnte ebenfalls eine deutliche Kapazitätserhöhung durch die Einbringung des Templats beobachtet werden. Damit wurde gezeigt, dass auch in den Mikrostrukturen Porosität oder Oberflächenrauigkeit durch das Tensid erzeugt wird. Hierbei erhöhte sich die Flächenkapazität sogar um das Fünffache von 0,4 auf 2,0 mF cm-2. Mit dem dritten Präkursorsystem basierend auf PAN, konnte für IDE500/10 eine Flächenkapazität von 0,4 mF cm-2 erreicht werden. Auch die Integration der Hohlkugeln ermöglichte die Herstellung leitfähiger Elektroden. Für dieses System wurde eine Flächenkapazität von 0,2 mF cm-2 erreicht. Im Hinblick auf die Miniaturisierung ist oft die Größenbeschränkung des gesamten Bauteils limitierend für die erreichbare Leistung. Aus diesem Grund liegt der Fokus aktuell auch auf der Entwicklung multifunktionaler Bauteile. Weiterhin geht der Trend in Richtung intelligenter Systeme, welche beispielsweise biologische Prozesse nachahmen können. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte auf Basis dieser Entwicklungen ein schaltbarer Mikro-Superkondensator mit typischen Charakteristiken eines Feldeffekttranistors entwickelt werden. In diesem Sinn wurden die Einflüsse verschiedener Kenngrößen untersucht und ein Zusammenhang von Schaltverhalten und Architektur soll gefunden werden. Auf Basis des Saccharose-abgeleiteten Kohlenstoffes wurden mit Hilfe des piezoelektrischen Inkjet-Drucks Interdigitalelektroden angefertigt. Als dritte Gate-Elektrode wurde ein Kohlenstofffilm des gleichen Materials genutzt und im Schichtaufbau mit der Interdigitalelektrode und dem Hydrogel-Elektrolyten assembliert. Mit diesem Gate-Cap konnte der W-Cap mit sehr hohen Schaltraten an- und ausgeschaltet werden. Wird eine Bias-Spannung von -0,5 V genutzt, so kann die Kapazität auf 1,8 % der Ausgangskapazität verringert werden. Weiterhin wurde der Einfluss verschiedener Vorschubgeschwindigkeiten und Bias-Potentialen untersucht. Grundsätzlich eignen sich kleine Vorschubgeschwindigkeiten sehr gut, um effektivere Schaltraten zu generieren. Für unterschiedliche Gate-Spannungen konnten so unterschiedliche Schaltraten erhalten werden, sodass sich ein vergleichbares Verhalten mit einem FET ergab. Hierbei konnte zudem gezeigt werden, dass bereits für eine Spannung von -0,2 V eine Verringerung auf unter 3 % der Ausgangskapazität erhalten wurde. Dies ist vor allem für potenzielle Anwendungen in implantierbaren Mikrosystemen vorteilhaft, welche mit sehr kleinen Betriebsspannungen arbeiten. Die Langzeitstabilität des Gate-Caps wurde zum einen durch sehr schnelles wiederholtes Schalten als auch über einen Langzeitbetrieb im Aus-Zustand gezeigt. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Reproduzierbarkeit über mehrere Sequenzen. Über die verschiedenen Schaltversuche und die zusätzliche Variation des Elektrolyten unter Nutzung verdünnter Schwefelsäure konnte der Ablauf des vor allem protonengesteuerten Schaltprozesses näher betrachtet werden. Hierbei zeigte sich, dass vor allem ein unidirektionales Schaltverhalten vorliegt und der Gate-Cap nur durch das Anlegen negativer Potentiale effektiv geschalten werden kann.

Future developments in nanophotonics require facile, inexpensive and parallelizable fabrication methods and need a fundamental understanding of the spectroscopic properties of such nanostructures. These challenges can be met through colloidal self-assembly where pre-synthesized colloids are arranged over large areas at reasonable cost. As so-called colloidal building blocks, plasmonic nanoparticles and quantum dots are used because of their localized light confinement and localized light emission, respectively. These nanoscopic colloids acquires new hybrid spectroscopic properties through their structural arrangement. To explore the energy transfer between these nanoscopic building blocks, concepts from physical optics are used and implemented with the colloidal self-assembly approach from physical chemistry. Through an established synthesis, the nanocrystals are now available in large quantities, any they receive the tailored spectroscopic properties through directed self-assembly. Moreover, the tailored properties of the colloids and the use of stimuli-responsive polymers allow a functionality that goes beyond current developments. The basics developed in this habilitation thesis can lead to novel functional devices in the field of smart sensors, dynamic light modulators, and large-area quantum devices.:1 Abstract 2 2 State of the art 4 2.1 Metallic and semiconductive nanocrystals as colloidal building blocks 4 2.2 Concept of large-scale colloidal self-assembly 7 2.3 Functional optical nanomaterials by colloidal self-assembly 9 2.4 Scope 13 2.5 References 14 3 Single colloidal cavities 20 3.1 Nanorattles with tailored electric field enhancement 20 4 Colloidal -to-film coupled cavities 31 4.1 Template-assisted colloidal self-assembly of macroscopic magnetic metasurfaces 31 4.2 Single particle spectroscopy of radiative processes in colloid-to-film-coupled nanoantennas 50 4.3 Active plasmonic colloid-to-film coupled cavities for tailored light-matter interactions 65 5 Colloidal polymers 74 5.1 Direct observation of plasmon band formation and delocalization in quasi-infinite nanoparticle chains 74 6 Colloidal lattice 84 6.1 Hybridized guided-node resonances via colloidal plasmonic self-assembled grating 84 6.2 Mechanotunable surface lattice resonances in the visible optical range by soft lithography templates and directed self-assembly 94 6.3 Tunable Circular Dichroism by Photoluminescent Moiré Gratings 103 7 Conclusion and perspective 112 8 Appendix 113 8.1 Further publications during the habilitation period 113 8.2 Curriculum vitae of the author 116 9 Acknowledgments 117 10 Declaration 118 / Zukünftige Entwicklungen in der Nanophotonik erfordern einfache, kostengünstige und parallelisierbare Herstellungsmethoden und benötigen ein grundlegendes Verständnis der spektroskopischen Eigenschaften solcher Nanostrukturen. Diese Herausforderungen können durch kolloidale Selbstorganisation erfüllt werden, bei der kostengünstige und zuvor synthetisierte Kolloide großflächig angeordnet werden. Als sogenannte kolloide Bausteine werden wegen ihrer lokalisierten Lichtfokussierung unterhalb der Beugungsbegrenzung plasmonische Nanopartikel sowie wegen ihrer lokalisierten Lichtemission Quantenpunkte verwendet. Diese nanoskopischen Kolloide werden in dieser Habilitationsschrift verwendet und durch Selbstanordnung in ihre gewünschte Nanostruktur gebracht, die neue hybride Eigenschaften aufweist. Um den Energietransfer zwischen diesen nanoskopischen Bausteinen zu untersuchen, werden Konzepte aus der physikalischen Optik verwendet und mit dem kolloidalen Selbstorganisationskonzept aus der physikalischen Chemie großflächig umgesetzt. Durch eine etablierte Synthese sind die Nanokristalle nun in großen Mengen verfügbar, wobei sie durch gerichtete Selbstorganisation die gewünschten spektroskopischen Eigenschaften erhalten. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von stimulierbaren Polymeren eine Funktionalität, die über die bisherigen Entwicklungen hinausgeht. Die in dieser Habilitationsschrift entwickelten Grundlagen können bei der Entwicklung neuartiger Funktionsgeräte im Bereich für intelligente Sensorik, dynamischer Lichtmodulatoren und großflächiger Quantengeräte genutzt werden.:1 Abstract 2 2 State of the art 4 2.1 Metallic and semiconductive nanocrystals as colloidal building blocks 4 2.2 Concept of large-scale colloidal self-assembly 7 2.3 Functional optical nanomaterials by colloidal self-assembly 9 2.4 Scope 13 2.5 References 14 3 Single colloidal cavities 20 3.1 Nanorattles with tailored electric field enhancement 20 4 Colloidal -to-film coupled cavities 31 4.1 Template-assisted colloidal self-assembly of macroscopic magnetic metasurfaces 31 4.2 Single particle spectroscopy of radiative processes in colloid-to-film-coupled nanoantennas 50 4.3 Active plasmonic colloid-to-film coupled cavities for tailored light-matter interactions 65 5 Colloidal polymers 74 5.1 Direct observation of plasmon band formation and delocalization in quasi-infinite nanoparticle chains 74 6 Colloidal lattice 84 6.1 Hybridized guided-node resonances via colloidal plasmonic self-assembled grating 84 6.2 Mechanotunable surface lattice resonances in the visible optical range by soft lithography templates and directed self-assembly 94 6.3 Tunable Circular Dichroism by Photoluminescent Moiré Gratings 103 7 Conclusion and perspective 112 8 Appendix 113 8.1 Further publications during the habilitation period 113 8.2 Curriculum vitae of the author 116 9 Acknowledgments 117 10 Declaration 118

Micromotors – untethered, motile, microscopic devices – are implemented in this dissertation for two applications in the field of assisted reproductive technology. First, as synthetic motor units for individual sperm cells, representing a novel approach to counteract sperm immotility (asthenozoospermia), which is one of the most prevalent causes of male infertility. Second, as synthetic carriers of fertilized oocytes (zygotes) towards the realization of non-invasive intrafallopian transfer, representing a novel alternative to the current keyhole surgery (laparoscopy) approach to achieve early embryo transfer after in vitro fertilization. In both applications, magnetically actuated micromotors are utilized to capture, transport, and deliver individual cells in a reproducible, controllable manner. In comparison with established in vitro fertilization routines, the crucial advantage of employing micromotors for the manipulation of gametes, i.e. sperm and (fertilized) oocytes, lies in the potential transfer of decisive steps of the fertilization process back to its natural environment – the fallopian tube of the female patient – taking advantage of the untethered, non-invasive motion and manipulation capabilities of magnetic micromotors. When sperm motility can be restored with magnetic micromotors, sperm can travel to the oocyte under external actuation and control, and the oocyte does not need to be explanted for in vitro fertilization. However, if in vitro fertilization was necessary, fertilized oocytes can be transferred back to the fallopian tube by micromotors in a non-invasive manner, to undergo early embryo development in the natural environment. These novel concepts of micromotor-assisted reproduction are presented and investigated in this thesis, and their potential is analyzed on the basis of proof-of-concept experiments.:1 Introduction 6 1.1 Background and Motivation 6 1.2 Objectives and Structure of this Dissertation 9 2 Fundamentals 11 2.1 Micromotors Definition and Concept 11 2.2 Micromotors for Biomedical Applications 13 2.3 Magnetic Micropropellers 15 2.3.1 Theory 15 2.3.2 Implementation 20 2.4 Microfabrication: Direct Laser Writing 21 2.5 Assisted Reproductive Technology 23 2.5.1 In vitro Fertilization and Intracytoplasmic Sperm Injection 24 2.5.2 Embryo Transfer and Zygote Intrafallopian Transfer 25 2.5.3 The Sperm Cell and the Oocyte 26 2.6 Towards Micromotor-Assisted Reproduction 28 3 Materials and Methods 30 3.1 Fabrication of Microfluidic Channel Platforms 30 3.1.1 Tailored Parafilm Channels 30 3.1.2 Polymer Channels Cast from Micromolds 31 3.1.3 Tubular Channels to Mimic In vivo Ducts 32 3.2 Fabrication of Magnetic Micropropellers 32 3.2.1 Direct Laser Writing of Polymeric Resin 33 3.2.1.1 Design and Programming 33 3.2.1.2 Exposure and Development 35 3.2.1.3 In Situ Direct Laser Writing 35 3.2.2 Critical Point Drying 35 3.2.3 Magnetic Metal Coatings 36 3.2.4 Surface Functionalization 37 3.3 Sample Characterization 38 3.3.1 Optical Microscopy 38 3.3.2 Scanning Electron Microscopy 38 3.4 Cell Culture and Analysis 39 3.4.1 Sperm Cells 39 3.4.2 Oocytes 39 3.4.3 In vitro Fertilization 41 3.4.4 Hypoosmotic Swelling Test 44 3.4.5 Cell Viability Assays 44 3.5 Magnetic Actuation 45 3.5.1 Modified Helmholtz Coil Setup 46 3.5.2 MiniMag Setup 47 3.5.3 Experimental Procedure 48 3.5.3.1 Micromotor Performance Evaluation 48 3.5.3.2 Cell Transport Experiments 49 3.5.3.3 Cell Transfer Experiments 50 4 Micromotor-assisted Sperm Delivery 51 4.1 Micromotor Design and Fabrication 51 4.2 Actuation and Propulsion Performance 53 4.3 Capture, Transport, and Release of Sperm 56 4.4 Delivery to the Oocyte 59 4.5 Sperm Viability and the Ability to Fertilize 61 5 Micromotor-assisted Zygote Transfer 68 5.1 Micromotor Design and Fabrication 68 5.2 Actuation and Propulsion Performance 70 5.3 Capture, Transport, and Release of Zygotes 76 5.4 Transfer between Separate Environments 80 5.5 Zygote Viability and Further Development 82 6 Conclusions and Prospects 85 Appendix 87 Bibliography 93 List of Figures and Tables 108 List of Abbreviations and Terms 109 Theses 111 Selbstständigkeitserklärung 112 Acknowledgments 113 List of Publications 115 Curriculum Vitae 116

L'objectif de la thèse est la fabrication et caractérisation de microlasers 3D à base de polymères dopés par des colorants organiques et des nanoparticules d'erbium et Ytterbium. Au début, nous avons étudié des structures polymères avec de très bons facteurs d'aspect, ainsi que le déplacement de nanoparticules lors de l'exposition à un éclairement périodique. La réalisation majeure de cette thèse est l'obtention de microlasers 3D par lithographie UV. Ensuite nous avons comparé les seuils lasers de ces structures pour différentes méthodes de fabrication. Dans des micro-cubes, nous avons identifié des orbites périodiques planes en forme de carré. L'analyse des orbites périodiques dans des microlasers Fabry-Perot 3D a montré que leur forme dépend du colorant, de la nature du substrat et de la taille de la structure (largeur et épaisseur).La dernière partie de ce travail consiste en la synthèse de nanoparticules d'oxyde d'erbium et ytterbium à basse température et en milieu anhydre. Ces nano-particules ont ensuite été introduites dans des composites à base de polymères qui ont donné lieu à la fabrication de micro-lasers 3D et à leur caractérisation. / The aim of the thesis is the fabrication and optical characterization of three-dimensional organic microlasers based on organic dyes and luminescent erbium/ytterbium nanoparticles.At the beginning, we considered submicron polymer structures with high aspect ratio, as well as the phenomenon of redistribution of nanoparticles in the volume of the composite during the exposure by a periodic light field pattern.The main part of the work is devoted to obtaining three-dimensional polymer microlasers by UV-lithography. Comparison of the lasing threshold for microcavities obtained by different methods was performed. Periodic orbits in cuboid microlasers with square cross-section were identified. Analysis of possible periodic orbits in microlasers Fabry-Perot showed that the shape of the orbit depends on the dye, the type of substrate and the size of the microlaser (width, height).The last part of the work contains a study of low-temperature synthesis of luminescent nanoparticles of erbium and ytterbium oxides in a anhydrous medium, and polymer composites based on them. Three dimensional organic microlasers doped by these luminescent nanoparticles were obtained and investigated.

abstract: One of the single-most insightful, and visionary talks of the 20th century, “There’s plenty of room at the bottom,” by Dr. Richard Feynman, represented a first foray into the micro- and nano-worlds of biology and chemistry with the intention of direct manipulation of their individual components. Even so, for decades there has existed a gulf between the bottom-up molecular worlds of biology and chemistry, and the top-down world of nanofabrication. Creating single molecule nanoarrays at the limit of diffraction could incentivize a paradigm shift for experimental assays. However, such arrays have been nearly impossible to fabricate since current nanofabrication tools lack the resolution required for precise single-molecule spatial manipulation. What if there existed a molecule which could act as a bridge between these top-down and bottom-up worlds? At ~100-nm, a DNA origami macromolecule represents one such bridge, acting as a breadboard for the decoration of single molecules with 3-5 nm resolution. It relies on the programmed self-assembly of a long, scaffold strand into arbitrary 2D or 3D structures guided via approximately two hundred, short, staple strands. Once synthesized, this nanostructure falls in the spatial manipulation regime of a nanofabrication tool such as electron-beam lithography (EBL), facilitating its high efficiency immobilization in predetermined binding sites on an experimentally relevant substrate. This placement technology, however, is expensive and requires specialized training, thereby limiting accessibility. The work described here introduces a method for bench-top, cleanroom/lithography-free, DNA origami placement in meso-to-macro-scale grids using tunable colloidal nanosphere masks, and organosilane-based surface chemistry modification. Bench-top DNA origami placement is the first demonstration of its kind which facilitates precision placement of single molecules with high efficiency in diffraction-limited sites at a cost of $1/chip. The comprehensive characterization of this technique, and its application as a robust platform for high-throughput biophysics and digital counting of biomarkers through enzyme-free amplification are elucidated here. Furthermore, this technique can serve as a template for the bottom-up fabrication of invaluable biophysical tools such as zero mode waveguides, making them significantly cheaper and more accessible to the scientific community. This platform has the potential to democratize high-throughput single molecule experiments in laboratories worldwide. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Biomedical Engineering 2019

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This dissertation presents advances in the development of planar electrode ion traps. An ion trap is a device that can be used in mass analysis applications. Electrode surfaces create an electric field profile that trap ionized molecules of an analyte. The electric fields can then be manipulated to mass-selectively eject ions out of the trap into a detector. The resulting data can be used to analyze molecular structure and composition of an unknown compound. Conventional ion traps require machined electrode surfaces to form the electric trapping field. This class of electrode presents significant obstacles when attempting to miniaturize ion traps to create portable mass spectrometers. Machined electrodes lose required precision in shape, smoothness, and alignment as trapping dimensions decrease. Simplified electrode geometries are essential to open the way to miniaturized ion traps. The planar electrode ion trap presents a simplified geometry that utilizes photolithography processes in its fabrication. Patterns of electrodes are patterned on a planar ceramic substrate. Electric fields generated by these patterns can be nearly identical to those of ideal ion traps. The microfabrication processes involve the challenge of patterning on ceramic, patterning on two sides of a substrate, and patterning on a substrate with high topographic features. Four successful designs of planar ion traps are presented in this work: the planar Paul, toroidal, coaxial, and linear ion trap. These four designs have different strengths and weaknesses. The planar Paul trap is simpler to design and operate, the toroidal has a larger ion storage volume and so can be a more sensitive instrument, and the coaxial trap is a hybrid planar Paul and toroidal trap. The linear trap combines the simplicity of the planar Paul trap with the increased storage capacity of the toroidal trap. This work presents how these four designs advance work in miniaturized ion traps. In addition, microfabrication techniques and trap performance for these designs are presented.

The recent development of extreme ultraviolet (EUV) sources has increased the need for diagnostic tools, and has opened up a previously limited portion of the spectrum. With ultrafast laser systems and spectroscopy moving into shorter timescales and wavelengths, the need for nanosecond scale imaging of EUV is increasing. EUV’s high absorption has limited the number of imaging options due to the many atomic resonances in this spectrum. Currently EUV is imaged with photodiodes and X-ray CCDs. However photodiodes are limited in that they can only resolve intensity with respect to time and X-ray CCDs are limited to temporal resolution in the microsecond range. This work shows a novel approach to imaging EUV light over a nanosecond time scale, by using an EUV scintillator to convert EUV to visible light imaged by a conventional streak camera. A laser produced plasma, using a mass-limited tin based target, provided EUV light which was imaged by a grazing incidence flat field spectrometer onto a Ce:YAG scintillator. The EUV spectrum (5 nm-20 nm) provided by the spectrometer is filter by a zirconium filter and then converted by the scintillator to visible light (550 nm) which can then be imaged with conventional optics. Visible light was imaged by an electron image tube based streak camera. The streak camera converts the visible light image to an electron image using a photocathode, and sweeps the image across a recording medium. The streak camera also provides amplification and gating of the image by the means of a micro channel plate, within the image tube, to compensate for low EUV intensities. The system provides 42 ns streaked images of light with a iii temporal resolution of 440 ps at a repetition rate of 1 Hz. Upon calibration the EUV streak camera developed in this work will be used in future EUV development.