超透镜集成显微镜的演示与超分辨率成像

摘要

由于超透镜在实时成像和与传统光学系统结合使用方面的简便性具有显著优势，其应用已被视为一种新颖的超分辨率成像技术。本文介绍了一种球面超透镜的制备及其成像应用的实验方案。

摘要

利用超分辨率成像技术突破传统显微镜的衍射极限，已引起生物学和纳米技术领域研究人员的广泛关注。尽管近场扫描显微镜和超透镜已提升了近场区域的分辨率，但实现实时远场成像仍面临重大挑战。近年来，能够放大并把倏逝波转换为传播波的超透镜（hyperlens）作为一种新型远场成像方法应运而生。本文报道了一种由交替的银（Ag）和二氧化钛（TiO₂）薄膜层构成的球形超透镜的制备方法。与传统的圆柱形超透镜不同，球形超透镜可实现二维放大，因此可直接集成于传统显微系统中。我们提出了一种集成了超透镜的新型光学系统，可在远场区域实时获得亚波长分辨率的图像。本研究详细阐述了该超透镜的制备方法及成像系统的构建过程。此外，本文还探讨了超透镜的可及性与应用前景，以及其在活细胞实时成像中的实际应用潜力，有望为生物学和纳米技术领域带来革命性进展。

引言

观察活细胞中生物分子的愿望推动了显微镜的发明，而显微镜的出现则在过去的几个世纪中推动了生物学、病理学和材料科学等多个领域的革命。然而，由于衍射效应的限制，研究的进一步发展受到阻碍，这种效应将传统显微镜的分辨率限制在波长的一半左右¹。因此，突破衍射极限的超分辨率成像成为近几十年来备受关注的研究领域。

由于衍射极限源于携带物体亚波长信息的倏逝波的衰减，早期研究致力于防止倏逝波衰减或实现其恢复^2,3。首次报道的突破衍射极限的方法是近场扫描光学显微镜，该技术通过在倏逝场耗散前紧邻物体表面进行采集来获取其信息²。然而，由于扫描整个成像区域并重建图像所需时间较长，该方法无法应用于实时成像。尽管另一种基于“"超透镜"”的方法能够放大倏逝波，从而具备实现实时成像的潜力，但其亚波长成像能力仅限于近场区域，无法在远离物体的位置实现成像^4,5,6,7。

近年来，超透镜（hyperlens）作为一种新型的实时远场光学成像方法受到关注^8,9,10,11,12。超透镜由高度各向异性的双曲超材料（hyperbolic metamaterials）¹³制成，具有平坦的双曲色散关系，因而能够以相同的相速度支持高空间频率信息的传播。此外，由于动量守恒定律，当光波穿过圆柱形结构时，其高的横向波矢会逐渐被压缩。因此，这些被放大的信息可在远场区域被常规显微镜探测到。这一点对于实现无需逐点扫描或图像重构的实时远场成像尤为重要。此外，超透镜还可应用于除成像之外的其他领域，例如纳米光刻。当光反向通过超透镜时，由于时间反演对称性，光会被聚焦到一个亚衍射极限的区域^14,15,16。

本文报道了一种在可见光频率下放大二维信息的球形超透镜。与传统的圆柱形结构不同，该球形超透镜可在两个横向维度上实现物体放大，从而便于实际成像应用。文中详细介绍了超透镜的制备方法及其成像系统的搭建，以实现高质量超透镜的可重复制备。为验证其超分辨能力，将亚波长物体刻写于超透镜表面。实验结果证实，刻写物体的微小特征可被超透镜有效放大，从而在远场区域实时获得清晰分辨的图像。这种新型球形超透镜因其易于与传统显微技术集成，为生物学、病理学及广义纳米科学领域的实际成像应用提供了可能，预示着一个崭新时代的来临。

方案

1. 底物制备

1. 获取高纯度石英晶圆。本实验所用晶圆厚度为 500 µm。
2. 以 2,000 rpm 的转速在石英晶圆上旋涂正性光刻胶，并在 90 °C 下烘烤 60 秒。
   注：涂覆正性光刻胶是为了在后续切割步骤中防止晶圆受损。
3. 使用划片机将带有光刻胶的晶圆切割成 20 × 20 mm² 的小片。
4. 使用压缩氮气枪吹扫，去除切割过程中产生的颗粒物。
5. 将晶圆片置于去离子水（DI 水）中超声清洗 5 分钟，温度为 45 °C。随后在丙酮中超声去除光刻胶层，条件为 45 °C、5 分钟。再依次在丙酮和异丙醇中超声清洗，每次 5 分钟，温度均为 45 °C，以清洁基底。
6. 用压缩氮气枪将基底吹干。

2. 刻蚀掩模图案

1. 将洁净的石英基底装入高真空电子束蒸发系统中，并确保开启基底旋转功能。
2. 以2 Å/s的沉积速率沉积铬层。
   注意：作为刻蚀掩模，沉积层厚度至少应达到100 nm，以防止因沉积过程产生针孔。
3. 按下排气按钮以排出腔室内的气体，然后使用导电铜胶带将样品固定在聚焦离子束（FIB）样品台上。
4. 将FIB样品台装入FIB腔室。
5. 关闭腔室门，按下泵按钮以抽空腔室。
6. 选择 "开启光束" 在束流控制选项卡下，为FIB模式设置离子束电流（7.7 pA）和加速电压（30 kV）。
7. 打开离子束系统。
8. 选择 "开启光束" 在光束控制选项卡下打开电子束，并使用软件以低倍率聚焦图像。
9. 在扫描电子显微镜（SEM）模式下，于导航选项卡中将工作距离（WD）设置为4 mm。
10. 将样品台倾斜角设为52°，在孔阵列掩模图案制备前，以不同放大倍数采集扫描电镜图像。
11. 在图案化选项卡下，选择图案化区域，并在铬层上制作一个50 nm的孔阵列。
    注意：在图案化选项卡下可使用简单的图案化工具。通过导入位图或生成脚本，可实现更复杂的几何结构和曝光控制。
12. 结束后，关闭电子束和离子束系统，并使系统冷却。
13. 按下排气按钮，用氮气对腔室进行排气。将样品台从腔室中取出。
14. 关闭腔室门，然后按下泵按钮以抽真空。

3. 湿法刻蚀过程及掩模层的去除

1. 将已制备图案的基底放入1:10的缓冲氧化物刻蚀液中处理5分钟。
   注意：石英会被该刻蚀液选择性且各向同性地进行湿法刻蚀，形成球形结构。透镜的形状可通过刻蚀掩模获得，其直径可通过刻蚀时间精确控制。较小的图案直径有助于形成更理想的球形。在5分钟内可获得直径为1.5 µm的半球结构。
2. 将已制备图案的基底放入去离子水中清洗缓冲氧化物刻蚀液（每次5分钟，重复两次）。
   注意：缓冲氧化物刻蚀液具有危险性，使用时需格外小心。
3. 用压缩氮气吹干样品。
4. 将已制备图案的基底放入CR-7铬刻蚀液中，以去除铬掩模层。
   注意：去除铬层后，可得到直径为1.5 µm的球形图案基底。
5. 将已制备图案的基底放入去离子水中清洗（5分钟）。

4. 多层沉积与纳米级物体刻写

注意：在球形石英基底上沉积一对层。此处使用银（Ag）和二氧化钛（TiO₂）作为沉积材料。银（Ag）和二氧化钛（TiO₂）以15 nm的厚度交替沉积。

1. 按下电子束蒸发系统的放气按钮，并等待放气完成。
2. 放气后，将图案化基底装入高真空电子束蒸发系统。
3. 关闭腔室门，将腔室抽真空至10^-7 通过按压泵按钮达到托（Torr）。
   注意：真空条件应保持在10^-7 托以减少表面粗糙度引起的散射。
4. 以1 Å/s的生长速率沉积银层，制备厚度为15 nm的银薄膜。
5. 银层沉积完成后，将基底冷却5分钟。
6. 通过选择另一个坩埚更换电子束蒸发系统的料槽，沉积TiO₂ 以1 Å/s的生长速率沉积一层15 nm厚的TiO₂ 层
   注意：在沉积过程中，保持较低的薄膜生长速率，以维持表面粗糙度的均匀性。
7. TiO沉积后₂ 层，使基底冷却5分钟。
8. 重复步骤 4.4 - 4.7 数十次循环，以沉积多层 Ag 和 TiO₂₂.
   注意：至此，超透镜的制备已完成。下一步是制作任意亚衍射极限特征结构，以测试超透镜的成像能力。纳米尺度的孔径和狭缝通过聚焦离子束（FIB）刻蚀技术加工形成。
9. 更换电子束蒸发系统的坩埚，并沉积50 nm厚的铬层。
10. 沉积铬层后，关闭电子束蒸发系统。按下放气按钮，通入氮气使腔室放气。
11. 排气后，打开腔室门，将支架 holder 从腔室内取出，取下制备好的超透镜器件。
12. 关闭腔室门，然后按下泵按钮抽空腔室。
13. 将沉积有铬的超透镜安装至聚焦离子束（FIB）刻蚀系统中，并根据制造商说明加工出纳米级结构。

5. 成像系统的设置与成像操作流程

1. 将传统的透射式光学显微镜放置在光学平台上。
   注：此处使用倒置光学显微镜作为主体。
2. 通过适配器将白光光源连接至显微镜的照明光路。
3. 放置中心波长为 410 nm 的光学带通滤光片。
   注：带通滤光片可选择性地透过特定波长的光；此处将 410 nm 的光照射到样品上。由 Ag 和 TiO₂ 构成的超透镜在 410 nm 波长下具有高性能。模拟结果（图 2c）显示了该超透镜在 410 nm 光照下满足双曲色散关系的性能表现。
4. 选择高倍率油浸物镜。使用高质量的 CCD 相机获取图像。
   注：该光学设置仅是将带通滤光片插入照明光路中，以筛选出 410 nm 波长的光。可不使用白光而直接采用特定波长的光照射样品，但在常规实验室中，光学显微镜通常配备白光光源，用于明场或荧光成像观察样品。
5. 在物镜上滴加一滴浸油。将超透镜放置于样品台，并采集图像。
   注：可利用 410 nm 的光照射超透镜内表面刻有的纳米级物体。借助超透镜，这些纳米级物体将被放大，并由物镜接收，最终通过 CCD 相机成像。

结果

超透镜器件分辨亚衍射特征的能力依赖于其均匀性以及高质量的制备工艺。此处的超透镜由交替沉积的银（Ag）和二氧化钛（TiO₂）多层结构组成。图2a展示了制备良好的超透镜的扫描电镜（SEM）图像¹⁷。截面图像显示，Ag与五氧化三钛（Ti₃O₅）薄膜的多层结构在半球形石英基底上以均匀的厚度沉积。最终超透镜结构的表面粗糙度小于1.5 nm均方根（r.m.s）。

我们采用 TiO₂ 而非 Ti₃O₅ 作为电介质材料，因为这两种材料的折射率均高于 2，在与银交替堆叠时均可实现有效的双曲色散。如实验方案中所述，由 Ag 和 TiO₂ 构成的超透镜在 410 nm 波长下表现出优...

讨论

超透镜的制备包含三个主要步骤：通过湿法刻蚀工艺在石英基底上定义半球形几何结构，使用电子束蒸发系统堆叠金属与介质多层膜，以及在铬层上刻写待成像物体。其中最重要的步骤是第二步，因为它会显著影响超透镜的质量。在薄膜沉积过程中，有两个条件需要特别注意，以获得清晰的超分辨图像。多层膜的保形堆叠是关键问题之一，因为非保形沉积会导致结构偏离理想的球形。如果薄膜沉积速率不够慢，由于电子束蒸发具有角度特性，半球中心与边缘处的薄膜厚度容易产生差异。这种空间上不均匀的膜厚会导致空间依赖性的放大率，从而引起图像畸变。因此，为了实现保形的多层膜结构，薄膜沉积速率应尽可能缓慢（低于0.1 nm/s）。

另一个可能导致成像不完美的因素是表面粗糙度，因为粗糙的表面会增加光散射的概率。已有报道指出，引入一层高表面能材料具有润湿效应，可显著减少银的渗透¹⁸。在此，TiO₂ 层起到润湿材料的作用。沉积在 TiO₂ 层上的银膜通常比常规情况下更平整。此外，整个沉积过程中真空度应保持在低于 10^-7 Torr，...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚焦离子束刻蚀机	FEI	Helios Nanolab G3 CX
电子束蒸发系统	Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
扫描电子显微镜	Hitachi	SU6600
倒置显微镜	Zeiss	Axiovert 200
光源	EXCELITAS Technologies	X-Cite 110 LED
带通滤光片	Chroma	ET405/30M
物镜	Zeiss	Plan-Apochromat	NA=1.3, 100X
CCD相机	Andor	Zyla 4.2
石英晶圆	CORNING	Fused Silica Corning 7980
缓冲氧化物刻蚀液	J.T Baker TM	J.T.Baker 5175
光刻胶	AZ electronic materials	GXR-601 PR
铬刻蚀液	SIGMA-ALDRICH	651826
丙酮	J.T Baker TM	UN1090
异丙醇	J.T Baker TM	UN1219
FEM仿真工具	COMSOL 5.1 Multiphysics