方法文章

Hyperlens 综合显微镜和超分辨率成像的演示

DOI：

10.3791/55968

⸱

2017年9月8日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, 3Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

hyperlens 的应用是一种新型的超分辨率成像技术, 由于其在 real-time 成像中的优越性和常规光学的简单实现。在这里, 我们提出了一个描述球面 hyperlens 的制作和成像应用的协议。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

利用超分辨率成像克服传统显微镜的衍射极限, 引起了生物学和纳米技术研究人员的兴趣。虽然近场扫描显微镜和 superlenses 改善了近场区域的分辨率, 但远场成像在 real-time 仍然是一个重大挑战。最近, 将倏逝波放大并转化为传播波的 hyperlens, 已经成为远场成像的一种新方法。在这里, 我们报告的制造一个球形 hyperlens 由交替银 (银) 和氧化钛 (2) 薄层组成。与传统的圆柱形 hyperlens 不同, 球面 hyperlens 允许 two-dimensional 放大。因此, 纳入常规显微镜是直接的。提出了一种新的与 hyperlens 集成的光学系统, 使得在远场区域能实时获得波长图像。在本研究中, 详细说明了制作和成像的设置方法。这项工作还描述了 hyperlens 的可及性, 以及 real-time 成像在活细胞中的实际应用, 这可能导致生物学和纳米技术的革命。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在活细胞中观察生物分子的愿望导致了显微镜的发明, 显微镜的问世在过去的几个世纪里传播了生物学、病理学和材料科学等各个领域的革命。然而, 进一步的研究进展受到了衍射的限制, 这限制了常规显微镜的分辨率约为波长的一半1。因此, 克服衍射极限的超分辨率成像是近几十年来的一个有趣的研究领域。

由于衍射极限是由于倏逝波的损失, 其中包含波长信息的对象, 早期研究已经进行, 以保持倏逝波消失或恢复他们2,3。为了克服衍射极限的努力, 首次报道了近场扫描光学显微镜, 它收集的倏逝场在接近对象之前, 它被驱散2。然而, 由于扫描整个图像区域和重建需要很长的时间, 它不能用于 real-time 成像。虽然另一种基于 "透镜" 的方法, 它放大了倏逝波, 提供了 real-time 成像的可能性, 但波长成像只能在近场区域中进行, 无法远远超过对象4,5,6,7。

最近, hyperlens 已成为一种新的方法来 real-time 远场光学成像8,9,10,11,12。hyperlens 是由高各向异性双曲型材料13组成的, 它具有平坦的双曲色散, 因此它支持具有相同相速度的高空间信息。此外, 由于动量守恒定律, 高横向波随着波通过圆柱形几何而逐渐压缩。这种放大的信息可以通过远场区域的传统显微镜来检测。这对于 real-time 远场成像是特别重要的, 因为它不需要任何定点扫描或图像重建。此外, hyperlens 可以用于除成像以外的其他应用, 包括纳米。由于反对称14、15、16, 通过反向方向的 hyperlens 的光线将聚焦到 sub-diffraction 区域。

在这里, 我们报告的球状 hyperlens, 放大 two-dimensional 信息在可见光的频率。与传统的圆柱形几何不同, 球形 hyperlens 在两个侧面尺寸中放大物体, 从而促进实际的成像应用。详细介绍了 hyperlens 的制作方法和成像装置, 并对高质量的 hyperlens 进行了详细的再现。为了证明它的 super-resolving 力, 波长的物体被刻在 hyperlens 上。证实了被 hyperlens 的小特征被放大。因此, 在远场区域中实时地得到了清晰解析的图像。这种新型的球形 hyperlens, 其易于与传统的显微镜结合, 提供了实际的成像应用的可能性, 导致了一个新的时代, 生物学, 病理学和一般纳米。

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方案

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1. 基板制备

  1. 获得高度精炼的石英晶片。对于在这里报告的制造, 使用500和 #181; m 厚度的硅片.
  2. 自旋涂层石英晶圆片与正光刻胶在 2000 rpm 和烘烤六十年代在90和 #176; C.
    注: 正光刻胶层涂层, 以防止在随后的切割步骤损害.
  3. 使用划片机将光刻胶切成小块 20 x 20 mm 2 大小.
  4. 用压缩的氮气枪吹掉切割步骤产生的微粒.
  5. 在去 (DI) 水中的超声波浴中放置5分钟, 在45和 #176; c. 用丙酮超声波浴去除光刻胶层5分钟, 在45和 #176; c. 用两个超声波浴, 丙酮和异丙醇清洁基板, 每在5分钟45和 #176; C.
  6. 用压缩的氮气枪将基体干燥.

2。蚀刻掩码图案

  1. 将清洁的石英衬底装入真空电子束蒸发系统。确保基板旋转已启用.
  2. 沉积率为2和 #197 的铬层;/s.
    注: 在蚀刻掩模上应放置至少100纳米厚度的层, 以防止由沉积物制成的针孔.
  3. 按下排气口按钮以释放腔室, 并使用导电铜带将样品安装在聚焦离子束 (纤维蛋白原) 支架上.
  4. 将心室支架装入心室室.
  5. 关闭会议厅门并按下泵按钮以疏散会议厅.
  6. 选择和 #34; 横梁和 #34; 在光束控制卡舌下, 将离子束电流 (7.7 pA) 和加速度电压 (30 伏) 设置为心室模式.
  7. 打开离子束系统.
  8. 选择和 #34; 横梁和 #34; 在 "光束控制" 选项卡下打开电子束, 并使用 "低放大率" 软件聚焦图像.
  9. 在扫描电子显微镜 (SEM) 模式下的导航标签下设置工作距离 (WD) 4 毫米.
  10. 将支架的倾斜角度设置为52和 #176; 在孔阵列掩模制作前, 以不同放大的扫描电镜图像.
  11. 在 "图案" 选项卡下, 选择图案区域并在铬层上制作一个 50 nm 孔阵列.
    注意: 在 "模式" 选项卡下可以访问简单的模式工具。通过导入位图或生成脚本, 可以实现更复杂的几何和曝光控制.
  12. 完成后, 关闭电子束和离子束系统, 冷却系统.
  13. 按下排气口按钮, 用氮气将燃烧室排出。把持有者带出会议厅.
  14. 关闭会议厅门并按下泵按钮以疏散会议厅.

3。湿法蚀刻工艺和去除掩膜层

  1. 将图案基板放入1:10 缓冲氧化物蚀刻中 5 min.
    注: 石英是有选择和各向同性湿蚀刻的蚀刻和形成一个球形的形状。所用蚀刻掩模可获得透镜的形状, 其直径由蚀刻时间精确控制。一个更好的球形形状可以形成一个较小的图案直径。1.5 和 #181; m 直径半球可在5分钟内获得.
  2. 将图案衬底放入 DI 水中以清洗缓冲氧化物蚀刻 (5 分钟, 2 次).
    注: 缓冲氧化物蚀刻可能是危险的, 所以使用此蚀刻时要小心.
  3. 用压缩氮气干燥样品.
  4. 将图案衬底放入 CR-7 铬蚀刻中以除去铬面膜层.
    注: 除去铬层后, 可获得直径为1.5 和 #181 的球形衬底.
  5. 将图案基片放入 DI 水中以进行清洁 (5 分钟).

4。多层沉积和纳米物体的题字

注意: 在球面石英衬底上放置一对层。在这里, Ag 和 2 被用作沉积材料。Ag 和 2 在厚度为 15 nm 的情况下交替沉积.

  1. 按下电子束蒸发系统的排气按钮, 然后等待通风口结束.
  2. 将图案的基板装入真空电子束蒸发系统后的排气口.
  3. 关闭会议厅门并将真空度疏散到 10 -7 乇通过按下泵按钮.
    注: 真空状态应保持在 10 -7 乇, 以减少表面粗糙度的散射.
  4. 将1和 #197 的增长率存入银层, 并沉积15纳米厚的银层.
  5. 在 Ag 层的沉积之后, 冷却基体为 5 min.
  6. 改变电子束蒸发系统的口袋, 选择另一个坩埚, 并存放在 2 层的增长率为1和 #197;/s. 存入 15 nm 厚的包 2 层.
    注: 在沉积过程中, 薄膜的生长速率保持在较低的水平, 以维持表面粗糙度的均匀性.
  7. 在沉积后的 "2" 层, 冷却基板为5分钟.
  8. 重复步骤 4.4-4.7, 为数十个周期存入一个多层 Ag 和. 2 .
    注意: 在这一点上, hyperlens 的制作已经结束。下一步是为测试 hyperlens 成像能力而制作任意 sub-diffraction 限制的功能。纳米孔和狭缝是由纤维蛋白原铣削.
  9. 改变电子束蒸发系统的口袋, 并将铬层沉积在50纳米的厚度上.
  10. 铬层沉积后, 关闭电子束蒸发系统。按下排气按钮, 通过引入氮气来排出腔室.
  11. 在通风口后, 打开舱门, 将支架带出会议厅。脱下制作的 hyperlens 装置.
  12. 关闭会议厅门并按下泵按钮以疏散会议厅.
  13. 根据制造商和 #39 的说明, 将含铬的 hyperlens 装入到 "纤维蛋白原" 铣削系统和图案的纳米结构中.

5。设置成像系统和成像过程

  1. 将常规传输型光学显微镜放在光学表上.
    注: 在这里, 用倒置光学显微镜作为主体.
  2. 使用适配器将白光光源连接到显微镜照明路径.
  3. 放置一个以 410 nm 为中心的光学带通滤波器.
    注: 带通滤波器有选择地穿透特定波长的光;在这里, 410 nm 光照亮了样品。由 Ag 和 2 组成的 hyperlens 具有 410 nm 波长的高性能。仿真结果 ( 图 2c ) 显示了 hyperlens 的性能, 它满足了 410 nm 光下的双曲色散关系.
  4. 选择一个高倍油浸物镜。使用高质量的 CCD 摄像机获取图像.
    注意: 这个光学设置只是把禁令dpass 过滤到光照明路径, 以排序出 410 nm 波长光。在不使用白光的情况下, 可以在样品上照射特定波长的光, 但在普通的实验室中, 光学显微镜可以通过亮场或荧光成像来观察样品的白光源.
  5. 在物镜上放置一滴浸入式油。在采样阶段放置一个 hyperlens 并捕获图像.
    注: 在 hyperlens 的内表面上刻有纳米级的物体可以用410纳米光照亮。随着 hyperlens, 纳米级的物体将被放大并被物镜捕捉, 并被 CCD 摄像机所成像.

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结果

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hyperlens 装置解决 sub-diffraction 特性的能力依赖于其均匀性和高质量的制造。在这里, 一个 hyperlens 是由一个多层的 Ag 和总2交替存入。图 2a显示了制作精良的 hyperlens17的 SEM 图像。横断面图像显示, 在半球石英衬底上沉积有均匀厚度的 Ag 和 Ti3O5薄膜的多层膜。最终 hyperlens 结构的表面粗糙度小于 1.5 nm 的根均方根 (rm s)。

我们使用了2 , 而不是 Ti3O5作为一个介质, 因为这两种材料, 有高折射率超过 2, 产生有效的双曲色散当堆叠与银。如协议中所述, 由 ag 和 hyperlens ...

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讨论

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hyperlens 的制作包括三主要步骤: 通过湿蚀刻过程将半球形几何定义为石英基底, 用电子束蒸发系统堆叠金属和介电多层, 并刻在 Cr 层上的对象。最重要的步骤是第二, 因为它可以显著地影响质量的 hyperlens。在薄膜沉积过程中, 有两个条件需要特别注意清晰的构图像。堆叠多层形是其中的一个关键问题, 由于 non-conformal 沉积的多层导致一个偏离完美的球形形状。如果薄膜沉积速度不够慢, 在中心和半球几何边缘的薄膜厚度往往由于电子束蒸发的倾斜性质而不同。空间上不同的膜厚产生空间依赖性放大, 导致图像失真。因此, 薄膜沉积速率应尽可能慢 (小于 0.1 nm/秒), 以实现共形多层。

另一个可能的因素, 可以提出一个不完美的图像是表面粗糙度, 因为粗糙的表面增加了光散射的概率。据报道, 包含一层薄薄的 high-surface 能材料具有润湿作用, 大大减少了银的渗流18。在这里,2层作为润湿材料工作。在2层上沉积的银往往比往常更平坦。此外, 真空条件应小于 10-...

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披露

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作者声明他们没有竞争的金融利益。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

这项工作是由年轻的研究员项目 (NRF-2015R1C1A1A02036464), 工程研究中心计划 (NRF-2015R1A5A1037668) 和全球前沿计划 (CAMM-2014M3A6B3063708), m.k, 轮, I.K. 承认全球博士学位资助。奖学金 (NRF-2017H1A2A1043204、NRF-2017H1A2A1043322、NRF-2016H1A2A1906519) 通过韩国国家研究基金会 (NRF) 资助, 由韩国政府科学、信息和通信技术和未来规划部 (MSIP) 提供。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
聚焦离子束铣床FEIHelios Nanolab G3 CX
电子束蒸发系统韩国真空科技KVE-E4000
扫描电子显微镜日立SU6600
倒置显微镜蔡司Axiovert 200
光源EXCELITAS TechnologiesX-Cite 110 LED
带通滤光片ChromaET405/30M
物镜蔡司Plan-ApochromatNA=1.3,100X
CCD 相机AndorZyla 4.2
石英片康宁熔融石英 康宁 7980
缓冲氧化物蚀刻剂J.T Baker TMJ.T.Baker 5175
光刻胶AZ 电子材料GXR-601 PR
铬蚀刻剂SIGMA-ALDRICH651826
丙酮J.T Baker TMUN1090
异丙醇J.T Baker TMUN1219
FEM 仿真工具COMSOL 5.1 多物理场

参考文献

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