مظاهرة مجهر المتكاملة هايبرلينس وتصوير القرار فائقة

الهدف العام من هذا الإجراء التجريبي هو توضيح عملية تصنيع جهاز العدسة الفائقة (hyperlens) ثنائية الأبعاد والتصوير دون الحيود باستخدامه. وتتميز تقنية التصوير هذه ذات الدقة الفائقة بمزايا التصوير في الوقت الفعلي وسهولة التنفيذ في البصريات التقليدية. ويمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجال التصوير فائق الدقة، مثل تصوير الخلايا الحية والجسيمات النانوية الديناميكية التي تقل عن حد الحيود.

تُعد العدسة الفائقة (hyperlens) عدسة كروية خاصة ذات بنية متعددة الطبقات وتشتت زائدي مسطح، مما يدعم تكبير المعلومات عالية التردد ودقة البصريات المماثلة في المجال البعيد في الوقت الفعلي. وتتمثل الميزة الرئيسية للعدسة الفائقة الكروية في قدرتها على تكبير المعلومات ثنائية الأبعاد عند الترددات المرئية. كما يمكن دمج العدسة الفائقة الكروية بسهولة في المجهر التقليدي دون الحاجة إلى نظام معقد إضافي.

سيقوم باستعراض الإجراء كل من Dasol Lee و Inki Kim، وهما طالبان في مرحلة الدراسات العليا في مختبري. للبدء، قم بطلاء رقاقة الكوارتز باستخدام تقنية الطلاء الدوراني (spin coat) بمقاوم ضوئي موجب بسرعة 2, 000 rpm، ثم قم بالخبز لمدة 60 ثانية عند 90 درجة مئوية. بعد ذلك، استخدم آلة تقطيع الرقاقات لتقطيع الرقاقة المطلية بالمقاوم الضوئي إلى قطع صغيرة بحجم 20 في 20 ملم مربع.

قم بنفخ القطع باستخدام مسدس نيتروجين مضغوط لإزالة أي جزيئات ناتجة عن خطوة القطع. بعد ذلك، ضع الرقاقة المقطوعة في حمام بالموجات فوق الصوتية من الماء منزوع الأيونات لمدة خمس دقائق عند 45 درجة مئوية. أزل طبقة المقاوم الضوئي باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية من الأسيتون لمدة خمس دقائق عند 45 درجة مئوية.

بعد ذلك، قم بتنظيف الركيزة بوضعها في حمام موجات فوق صوتية يحتوي على كحول الإيزوبروبيل لمدة خمس دقائق عند 45 درجة مئوية. جفف الركيزة باستخدام مسدس نيتروجين مضغوط. لنقش نمط القناع، قم أولاً بتحميل ركائز الكوارتز النظيفة في نظام تبخير بالحزمة الإلكترونية تحت فراغ عالٍ.

قم بترسيب طبقة الكروم بمعدل ترسيب قدره 2 Å/s. اضغط على زر التنفيس (vent) لتفريغ الغرفة. قم بتثبيت العينة على حامل حزمة الأيونات المركزة (Focused Ion Beam) أو حامل FIB باستخدام شريط نحاسي موصل.

بعد ذلك، قم بتحميل حامل FIB في غرفة FIB. أغلق باب الغرفة واضغط على زر الضخ لتفريغ الغرفة. اختر Beam On تحت علامة تبويب التحكم في الحزمة (beam control) واضبط تيار حزمة الأيونات وجهد التسريع لوضع FIB.

قم بتشغيل نظام الحزمة الأيونية. اختر Beam On من علامة تبويب التحكم في الحزمة لتشغيل الحزمة الإلكترونية وتركيز الصورة باستخدام تكبير منخفض عبر البرنامج. بعد ذلك، اضبط مسافة العمل على 4 mm من علامة تبويب التنقل في وضع المجهر الإلكتروني الماسح.

اضبط زاوية ميل الحامل على 52 درجة والتقط صور SEM بتكبيرات مختلفة قبل تصنيع نمط قناع مصفوفة الثقوب. من علامة تبويب التشكيل (patterning)، اختر منطقة التشكيل وقم بعمل مصفوفة ثقوب بحجم 50 nanometer على طبقة الكروم. بعد الانتهاء، أوقف تشغيل أنظمة حزمة الإلكترونات وحزمة الأيونات وقم بتبريدهما.

اضغط على زر التنفيس لتفريغ الغرفة باستخدام غاز النيتروجين. ثم، أخرج الحامل من الغرفة. بعد ذلك، ضع الركيزة المنقوشة في محلول نقاش الأكسيد المنظم بنسبة 1:10 لمدة خمس دقائق.

ضع الركيزة المنقوشة في ماء منزوع الأيونات لتنظيف مادة حفر الأكسيد المنظمة. بعد ذلك، جفف العينة باستخدام غاز النيتروجين المضغوط. ضع الركيزة المنقوشة في محلول حفر الكروم لإزالة طبقة قناع الكروم.

أخيراً، ضع الركيزة المنقوشة في ماء منزوع الأيونات لمدة خمس دقائق لتنظيفها. اضغط على زر التنفيس في نظام التبخير بحزمة الإلكترونات وانتظر حتى تكتمل عملية التنفيس. بعد ذلك، قم بتحميل الركيزة المنقوشة في نظام التبخير بحزمة الإلكترونات تحت تفريغ عالٍ.

أغلق باب الغرفة وأفرغها من الهواء بالضغط على زر المضخة. قم بترسيب طبقة الفضة بمعدل نمو قدره 1 angstrom في الثانية، وقم بترسيب طبقة فضة بسمك 15 nanometer. بعد ترسيب طبقة الفضة، قم بتبريد الركيزة لمدة خمس دقائق.

قم بتغيير جيب نظام التبخير بحزمة الإلكترونات عن طريق اختيار بوطقة أخرى، ورسّب طبقة أكسيد التيتانيوم بمعدل نمو قدره 1 angstrom في الثانية. بعد ذلك، رسّب طبقة من أكسيد التيتانيوم بسمك 15 nanometer. وبعد ترسيب طبقة أكسيد التيتانيوم، قم بتبريد الركيزة لمدة خمس دقائق.

كرر خطوات الترسيب لعشرات الدورات لترسيب طبقة متعددة من الفضة وأكسيد التيتانيوم. قم بتغيير جيب نظام التبخير بحزمة الإلكترونات ورسّب طبقة الكروم بسماكة 50 nanometers. بعد ترسيب طبقة الكروم، قم بإيقاف تشغيل نظام التبخير بحزمة الإلكترونات.

اضغط على زر التنفيس وقم بتفريغ الغرفة عن طريق إدخال غاز النيتروجين. بعد التنفيس، افتح باب الغرفة وأخرج حامل التثبيت من الغرفة. قم بإزالة جهاز العدسة الفائقة (hyperlens) المُصنّع.

بعد ذلك، أغلق باب الغرفة وقم بتفريغها بالضغط على زر المضخة. قم بتركيب العدسة الفائقة (hyperlens) المرسبة بالكروم في نظام الحفر بالشعاع الأيوني المركّز (FIB) وقم بنمذجة هيكل نانوي وفقاً لتعليمات الشركة المصنعة. بعد ذلك، ضع مجهراً ضوئياً تقليدياً من النوع النافذ على الطاولة الضوئية.

قم بتوصيل مصدر ضوء أبيض بمسار إضاءة المجهر باستخدام محول. ضع مرشح تمرير نطاق بصري مركزه 410 nanometers. اختر عدسة شيئية غمر زيتية ذات تكبير عالٍ واستخدم كاميرا CCD عالية الجودة للحصول على الصور.

ضع قطرة من زيت الغمر على العدسة الشيئية. وأخيراً، ضع عدسة فائقة (hyperlens) على منصة العينة والتقط الصور. يظهر هنا عدسة فائقة تتكون من طبقات متعددة من الفضة وأكسيد التيتانيوم تم ترسيبها بالتناوب.

تظهر الصورة المقطعية أن الطبقة المتعددة من غشاء الفضة وأكسيد التيتانيوم الرقيق قد رُسبت بسمك منتظم على الركيزة الكوارتزية نصف الكروية. وتتمتع العدسة الفائقة (hyperlens) المكونة من الفضة وأكسيد التيتانيوم بأداء عالٍ عند طول موجي قدره 410 nanometers لأن علاقة التشتت للطبقات المتعددة المكدسة تمتلك منحنى تشتت زائدي كما هو موضح هنا. ويمكن لمكونات متجه الموجة المكانية العالية أن تنتشر على طول الاتجاه الشعاعي للعدسة الفائقة.

يمكن للميزات الصغيرة ذات المكونات عالية التردد، والتي لا يمكن التقاطها بواسطة البصريات التقليدية، أن تنتشر إلى المجال البعيد من خلال العدسة المفرطة (hyperlens) كما تم حسابه بواسطة محاكاة العناصر المحدودة. بعد التصنيع، يمكن دمج العدسة المفرطة في نظام المجهر التقليدي كما هو موضح في هذا المخطط البسيط لنظام التصوير بالعدسة المفرطة. حيث يتم وضع العدسة المفرطة على العدسة الشيئية.

لإثبات فعالية العدسة الفائقة (hyperlens)، يتم نقش نمط اصطناعي على السطح الداخلي للعدسة. وتُظهر النتائج الصور التي تم التقاطها عبر العدسة الفائقة. وتتراوح أحجام الفجوات من 160 nanometers إلى 180 nanometers في كل حالة.

يتم تحليل الميزات التي تقل عن حد الحيود، ويمكن تأكيد القدرة الفائقة للعدسة المفرطة (hyperlens) على التحليل. وقد مهد تطوير العدسة المفرطة الطريق لتقنيات التصوير فائق الدقة لاستكشاف الآليات الجزيئية الحيوية ذات الحجم النانوي والجسيمات النانوية غير العضوية. بعد مشاهدة هذا الفيديو، قد يكون لديك فهم جيد لكيفية تصنيع عدسة مفرطة عالية الجودة وإعداد نظام التصوير فائق الدقة الخاص بك.

نتوقع أن تتحسن الجوانب العملية لتقنية العدسة الفائقة (hyperlens) من خلال اعتماد طريقة تصنيع قابلة للتوسع والتكرار. ستسمح العدسة الفائقة للعلماء بمراقبة الديناميكيات الفيزيائية الحيوية التي تحدث على مقياس النانو في الوقت الفعلي، وأن تعمل كجيل قادم من التصوير فائق الدقة في تطبيقات متنوعة مثل علم الأحياء، والعلوم الطبية، وعلم المواد، وتكنولوجيا النانو.