Demonstration eines Hyperlens integriert Mikroskop und super-Resolution Imaging

Zusammenfassung

Die Verwendung von einem Hyperlens gilt als eine neuartige Höchstauflösung bildgebendes Verfahren wegen seiner Vorteile in Echtzeit-Bildgebung und die einfache Umsetzung mit konventioneller Optik. Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll beschreibt die Herstellung und imaging-Anwendungen von einem sphärischen Hyperlens.

Zusammenfassung

Die Verwendung von Super-Resolution imaging um zu überwinden, die Beugungsgrenze der konventionellen Mikroskopie hat das Interesse der Forscher in der Biologie und Nanotechnologie angezogen. Obwohl Nahfeld-scanning-Mikroskopie und Superlenses die Auflösung der Nahfeld-Region verbessert haben, bleibt Fernfeld Bildgebung in Echtzeit eine große Herausforderung dar. Vor kurzem hat die Hyperlens, die vergrößert und wandelt evaneszenten Wellen in Wellen zu propagieren, einen neuartigen Ansatz zur Fernfeld Bildgebung entwickelt. Hier berichten wir über die Herstellung von einer kugelförmigen Hyperlens, bestehend aus abwechselnd Silber (Ag) und Titan (TiO₂) dünne Oxidschichten. Im Gegensatz zu einem konventionellen zylindrischen Hyperlens ermöglicht die sphärischen Hyperlens zweidimensionaler Vergrößerung. Einbindung in konventionellen Mikroskopie ist so einfach. Ein neues optisches System integriert mit der Hyperlens wird vorgeschlagen, so dass für eine Sub-Wellenlänge-Bild in der Fernfeld Region in Echtzeit abgerufen werden. In dieser Studie werden die Fertigung und bildgebende Methoden der Einrichtung ausführlich erläutert. Diese Arbeit beschreibt auch die Zugänglichkeit und die Möglichkeit der Hyperlens sowie praktische Anwendungen der Echtzeit-Bildgebung in lebenden Zellen, was zu einer Revolution in der Biologie und Nanotechnologie führen kann.

Einleitung

Ein Wunsch, Biomoleküle in lebenden Zellen beobachten führte zur Erfindung der Mikroskopie, und das Aufkommen der Mikroskopie propagiert der Revolution von verschiedenen Bereichen wie Biologie, Pathologie und Materialkunde, über letzten Jahrhunderte. Weiterentwicklung der Forschung hat jedoch durch Beugung, die die Auflösung der konventionellen Mikroskopen über Grenzen beschränkt die Hälfte der Wellenlänge¹. Super-Resolution imaging um zu überwinden, die Beugungsgrenze ist daher ein interessantes Forschungsgebiet in den letzten Jahrzehnten gewesen.

Da die Beugungsgrenze den Verlust der evaneszenten Wellen, die Sub-Wellenlängeninformationen über Objekte enthalten zugeschrieben wird, wurden das Frühstudium evaneszenten Wellen abhalten, verblassen oder, sie zurückzugewinnen,^2,3durchgeführt. Die Bemühungen um die Beugungsgrenze überwunden wurde zuerst berichtet, mit Nahfeld-optische Rasterelektronenmikroskopie, die sammelt der evaneszenten Feldes in unmittelbarer Nähe zum Objekt, bevor es verschleuderten²ist. Aber wie der gesamte Bildbereich scannen und rekonstruieren es sehr lange dauert, kann es zu Echtzeit-Bildgebung angewendet werden. Obwohl ein anderer Ansatz, basierend auf der "Superlens," dem evaneszenten Wellen verstärkt, die Möglichkeit der Echtzeit-Bildgebung bietet, Sub Wellenlänge Bildgebung ist nur in der Nahfeld-Region in der Lage und nicht weit über die Objekte^4, erreichen ^{5 , 6 , 7}.

Vor kurzem hat die Hyperlens einen neuartigen Ansatz zur Echtzeit-Fernfeld optische Bildgebung^8,9,10,11,12entwickelt. Die Hyperlens, die stark anisotrope hyperbolische Metamaterialien¹³erfolgt, weist eine flache hyperbolische Verteilung so dass es hohe räumliche Informationen mit der gleichen Phasengeschwindigkeit unterstützt. Darüber hinaus ist aufgrund der Impuls-Erhaltungssatz der hohen transversalen Wavevector allmählich komprimiert die zylindrische Geometrie der Welle durchläuft. Diese vergrößerten Informationen kann somit von einem herkömmlichen Mikroskop in der Fernfeld Region erfasst werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für Echtzeit-Fernfeld Bildgebung erfordert nicht die jeder Punkt für Punkt scannen oder Bild-Rekonstruktion. Darüber hinaus kann die Hyperlens für andere Anwendungen als Bildgebung, einschließlich Nanolithografie verwendet werden. Licht, das durch die Hyperlens in umgekehrter Richtung geht konzentriert sich auf eine Sub-Beugung durch die Zeitumkehr Symmetrie^14,15,16.

Hier berichten wir über eine sphärische Hyperlens, die zweidimensionale Informationen bei der sichtbaren Frequenz vergrößert. Im Gegensatz zu konventionellen zylindrischen Geometrie vergrößert die sphärischen Hyperlens Objekte in zwei seitliche hervorragen, praktische imaging-Anwendungen zu erleichtern. Die Herstellungsverfahren und imaging-Setup mit dem Hyperlens sind für die Wiedergabe von einem qualitativ hochwertigen Hyperlens ausführlich vorgestellt. Ein Sub-Wellenlänge-Objekt ist auf dem Hyperlens Willen beweisen seine Super-Lösung macht eingeschrieben. Es wird bestätigt, dass kleine Merkmale der beschrifteten Objekte sind durch die Hyperlens vergrößert. Somit ergeben sich klar aufgelöste Bilder der Fernfeld Region in Echtzeit. Diese neue Art der kugelförmigen Hyperlens, mit der einfachen Integration mit konventionellen Mikroskopie, bietet die Möglichkeit der praktischen imaging-Anwendungen, was zu Beginn einer neuen Ära in der Biologie, Pathologie und allgemeine Nanoscience.

Protokoll

1. Substrataufbereitung

1. erhalten sehr raffiniert Quarz Wafer. Für die Herstellung berichtet hier verwenden einen Wafer mit einer Dicke von 500 µm.
2. Spin-Mantel der Quarz-Wafer mit einer positiven Photoresist auf 2.000 u/min und im vorgeheizten Backofen 60 s bei 90 ° c
   Hinweis: Die positiven Photoresist-Schicht beschichtet wird, um Schäden während der anschließenden schneiden Schritt zu vermeiden.
3. Eine dicing Maschine benutzen, um dem Wafer mit Fotolack in kleine Stücke 20 x 20 mm ² Zoll Größe geschnitten.
4. Schlag mit einer komprimierten Stickstoff-Pistole entfernen Partikel aus dem Schneiden Schritt.
5. Legen Sie sie in ein Ultraschallbad in deionisiertes (DI) Wasser für 5 min bei 45 ° C. Entfernen Sie die Photoresist-Schicht mit einem Ultraschallbad in Aceton für 5 min bei 45 ° c Reinigen Sie das Substrat mit zwei Ultraschallbäder, Aceton und Isopropyl-Alkohol, jeweils für 5 min bei 45 ° c
6. Trocknen Sie das Substrat mit einer komprimierten Stickstoff-Pistole.

2. Das Maskenmuster Ätzen

1. Last den sauberen Quartz Substrate in einem Hochvakuum-Elektron Lichtstrahl Verdampfungssystem. Sicherzustellen, dass Substrat Drehung aktiviert wird.
2. Einzahlen der Chromschicht mit einer Abscheiderate von 2 Å/s.
   Hinweis: Sollte eine Schicht von mindestens 100 nm Dicke für die Ätzmaske Nadellöcher hergestellt aus Ablagerung zu verhindern hinterlegt werden.
3. Der Taste Vent Entlüften der Kammers und montieren Sie eine Probe auf dem fokussierten Ion Beam (FIB) Halter mit Durchführung von Kupferband.
4. Laden die FIB-Halter in die Kammer FIB.
5. Schließen die Kammertür und die Pumpe drücken, um die Kammer zu evakuieren.
6. Wählen Sie " Strahlen auf " unter dem Reiter Beam Control und Satz das Ion beam Strom (7,7 pA) und Beschleunigungsspannung (30 kV) für FIB Modus.
7. Ion Beam einschalten.
8. Wählen Sie " Strahlen auf " auf der Registerkarte Strahl Kontrolle der Elektronenstrahl einschalten und das Bild mit geringer Vergrößerung mit Software zu konzentrieren.
9. 4 mm unter der Registerkarte "Navigation" im Rasterelektronenmikroskop (REM) Modus den Arbeitsabstand (WD) festgesetzt.
10. Den Neigungswinkel des Inhabers 52° und die REM-Bilder bei verschiedenen Vergrößerungen vor Loch Array Maske Muster Fertigung.
11. Unter der Registerkarte "Muster" wählen Sie die Musterung Region und stellen eine 50 nm Loch Array auf die Chromschicht.
    Hinweis: Es gibt einfache Strukturierung Werkzeuge unter der Registerkarte "Muster" zur Verfügung. Komplexer Geometrie und Belichtung Steuerung erreicht werden, indem Sie Bitmaps importieren oder Skripts generieren.
12. Nach Beendigung, schalten Sie den Elektronenstrahl und Ionenstrahl Systeme und das System abkühlen.
13. Drücken Sie die Schaltfläche "Vent" und die Kammer mit Stickstoffgas zu entlüften. Den Halter aus der Kammer nehmen.
14. Schließen die Kammertür und Evakuierung die Kammer durch Drücken der Schaltfläche "Pumpe".

3. Nass-Ätzen Prozess- und Entfernung der Maskenebene

1. Put das gemusterte Substrat in 01:10 gepuffert Oxid Ätzmittel für 5 min.
   Hinweis: Die Quarz ist selektiv und isotropically nass-geätzt mit der Ätzmittel und bildet eine Kugelform. Die Form der Linse die Ätzmaske erzielt werden, und der Durchmesser ist durch die Radierung Zeit exakt gesteuert. Eine bessere Kugelform kann mit kleinerem Durchmesser Muster gebildet werden. Eine Halbkugel 1,5 µm Durchmesser erhalten Sie innerhalb von 5 min.
2. Setzen das gemusterte Substrat in VE-Wasser zu reinigen die gepufferten Oxid Ätzmittel (5 min, zweimal).
   Hinweis: Gepufferte Oxid Ätzmittel kann gefährlich sein, also seien Sie vorsichtig bei der Verwendung dieses Ätzmittel.
3. Trocknen Sie die Probe mit komprimierte Stickstoffgas.
4. CR-7 Chrom Ätzmittel, die Chromschicht Maske zu entfernen das gemusterte Substrat umgesetzt.
   Hinweis: Nach dem Entfernen der Chromschicht, eine sphärische gemusterten Substrat 1,5 µm im Durchmesser erzielt werden.
5. DI Wasser zu reinigen (5 min) das gemusterte Substrat umgesetzt.

4. Mehrschichtige Deposition und Nanogrösse Objekt Inschrift

Hinweis: ein paar Schichten lagern sich auf dem kugelförmigen Quarz Substrat. Hier, werden Ag und TiO ₂ als die Ablagerung Materialien verwendet. AG und TiO ₂ lagern sich abwechselnd bei einer Dicke von 15 nm.

1. Vent die Taste des Trägersystems Verdunstung Elektron und warten Sie, bis der Schlot über ist.
2. Laden die gemusterte Substrat in ein Hochvakuum-Elektron-Trägersystem Verdunstung nach Vent.
3. Schließen die Kammertür und evakuieren die Kammer zu gewisser 10 ^-7 Torr Vakuum durch Drücken der Schaltfläche "Pumpe".
   Hinweis: Der Vakuum Zustand aufbewahrt werden bei 10 ^-7 Torr zur Verringerung der Streuung von der Oberflächenrauheit.
4. Hinterlegen die Ag-Schicht mit einer Wachstumsrate von 1 Å / s und Hinterlegung einer 15 nm dicken Ag Schicht.
5. Nach der Absetzung der Schicht Ag das Substrat für 5 min. abkühlen
6. Ändern die Tasche des Trägersystems Verdunstung Elektron durch die Wahl einer anderen Tiegel und hinterlegen der TiO ₂ Schicht mit einer Wachstumsrate von 1 Å/s. Einzahlung eine 15 nm dicken TiO ₂ Schicht.
   Hinweis: Während der Abscheidung, die Film-Wachstumsrate wird gering gehalten, die Rauheit der Oberfläche Gleichförmigkeit beizubehalten.
7. Nach der Absetzung der TiO ₂ Schicht das Substrat für 5 min. abkühlen
8. Wiederholen Sie Schritte 4.4-4.7 für Zehntausende Zyklen ein Multilayer Ag und TiO ₂ einzahlen.
   Hinweis: an dieser Stelle ist die Herstellung von Hyperlens über. Der nächste Schritt ist für die Herstellung einer willkürlichen sub-diffraction-Limited-Funktion zum Testen der Hyperlens imaging-Fähigkeit. Nanometergroßen Öffnungen und Schlitze sind eingeschrieben durch FIB Fräsen.
9. Die Tasche des Trägersystems Verdunstung Elektron zu ändern und die Chromschicht zu hinterlegen, bei einer Dicke von 50 nm.
10. Nach der Absetzung eines Cr-Layers, schalten Sie das Balkensystem Verdunstung Elektron. Drücken Sie die Schaltfläche "Vent" und Entlüften die Kammer durch die Einführung von Stickstoffgas.
11. Nach den Schlot, öffnen Sie die Tür und nehmen Sie die Halterung aus der Kammer. Fabrizierte Hyperlens Gerät abzustreifen.
12. Schließen die Kammertür und Evakuierung die Kammer durch Drücken der Schaltfläche "Pumpe".
13. Der Hyperlens, hinterlegt mit Chrom in der FIB Fräsen System montieren und Muster eine Nanogrösse Struktur pro Hersteller ' Anweisungen s.

5. Einstellung von the Imaging System und bildgebende Verfahren

1. Ort ein konventionelles Getriebe-Art Lichtmikroskop auf dem optischen Tisch.
   Hinweis: Hier eine umgekehrte Lichtmikroskop diente als Hauptteil.
2. Schließen eine Weißlicht-Quelle an den Mikroskop-Beleuchtung-Pfad mit Hilfe eines Adapters.
3. Legen Sie einen optischen Bandpassfilter zentriert auf 410 nm.
   Hinweis: Der Bandpassfilter dringt selektiv die spezifische Wellenlänge des Lichtes; Hier wird auf die Probe 410 nm Licht beleuchtet. Ein Hyperlens bestehend aus Ag und TiO ₂ hat hohen Leistung bei einer 410 nm Wellenlänge. Das Simulationsergebnis ( Abbildung 2 c) zeigt die Leistung von Hyperlens, welche die hyperbolische Dispersion Relation bei 410 nm Licht erfüllt.
4. Wählen Sie eine hohe Vergrößerung Ölimmersion Objektivlinse. Verwenden Sie eine qualitativ hochwertige CCD-Kamera, um die Bilder zu erhalten.
   Hinweis: Diese optische Einstellung legt nur das VerbotDpass in der Beleuchtung Weg zu sortieren, das 410 nm Wellenlänge Licht filtern. Eine spezifische Wellenlänge des Lichtes kann auf die Probe ohne Verwendung von weißem Licht beleuchtet werden, aber in einem normalen Labor können optische Mikroskope eine Weißlichtquelle zur Beobachtung der Proben durch Hellfeld oder Fluoreszenz-Bildgebung haben.
5. Geben Sie einen Tropfen Immersionsöl auf das Objektiv. Legen Sie eine Hyperlens auf Bühne und erfassen die Beispielbilder.
   Hinweis: Die beschrifteten Nanogrösse Objekte auf der inneren Oberfläche der Hyperlens können mit 410 nm Licht beleuchtet werden. Mit der Hyperlens der Nanogrösse Objekte vergrößert werden und durch das Objektiv erfasst und durch CCD-Kamera abgebildet.

Ergebnisse

Die Fähigkeit des Hyperlens Geräts Sub Beugung Funktionen lösen basiert auf seiner Gleichmäßigkeit und eine qualitativ hochwertige Fertigung. Hier besteht ein Hyperlens aus einem mehrschichtigen Ag und TiO₂ abwechselnd hinterlegt. Abbildung 2a zeigt die REM-Aufnahme einer gut gemachten Hyperlens¹⁷. Das Cross-sectional Bild zeigt, dass die Multilayer Ag und Ti₃O₅ Dünnschicht mit gleichmäßiger Dicke auf d...

Diskussion

Die Herstellung von einem Hyperlens beinhaltet drei Hauptschritte: Definition halbkugelförmigen Geometrie in das Quarz Substrat durch eine nasse Ätzprozess Stapeln der Metall- und dielektrische Multilayer verwenden ein Elektron Lichtstrahl Verdampfungssystem und Beschriftung der Objekt auf dem Cr-Layer. Der wichtigste Schritt ist die zweite, da es die Qualität der Hyperlens erheblich beeinträchtigen kann. In der Dünnschicht-Abscheidung gibt es zwei Bedingungen, die spezielle für ein klares Bild super gelöst Pflege. Stape...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Fokussierte Ionenstrahl-Fräsmaschine	FEI	Helios Nanolab G3 CX
E-Beam-Verdampfungssystem	Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
Rasterelektronenmikroskopie	Hitachi	SU6600
Inverse Mikroskopie	Zeiss	Axiovert 200
Lichtquelle	EXCELITAS Technologies	X-Cite 110 LED
Bandpassfilter	Chroma	ET405/30M
Objektiv	Zeiss	Plan-Apochromat	NA=1.3, 100X
CCD-Kamera	Andor	Zyla 4.2
Quarzwafer	CORNING	Quarzglas Corning 7980
Gepuffertes Oxidätzmittel	J.T Baker TM	J.T.Baker 5175
Fotolack	AZ elektronisch Materialien	GXR-601 PR
Chromätzmittel	SIGMA-ALDRICH	651826
Aceton	J.T Baker TM	UN1090
Isopropylalkohol	J.T Baker TM	UN1219
FEM-Simulationswerkzeug	COMSOL 5.1 Multiphysik