Demonstration eines Hyperlens integriert Mikroskop und super-Resolution Imaging

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Verfahrens besteht darin, den Herstellungsprozess und die subdiffraktive Abbildung des zweidimensionalen Hyperlinsengeräts zu demonstrieren. Diese neuartige Technik zur Super-Auflösungsabbildung bietet die Vorteile der Echtzeitabbildung und einer einfachen Integration in herkömmliche optische Systeme. Mit dieser Methode lassen sich zentrale Fragen im Bereich der Super-Auflösungsabbildung beantworten, beispielsweise die Abbildung lebender Zellen und dynamischer Nanopartikel unterhalb der Bruchgrenze.

Die Hyperlinse ist eine spezielle sphärische Linse mit mehrschichtiger Struktur, die eine flache hyperbolische Dispersion aufweist und die Vergrößerung von hochfrequenten Informationen sowie die Auflösung ähnlicher Optiken im Fernfeld in Echtzeit ermöglicht. Der Hauptvorteil der sphärischen Hyperlinse besteht darin, dass sie zweidimensionale Informationen bei sichtbaren Frequenzen vergrößern kann. Eine sphärische Hyperlinse kann außerdem problemlos in die konventionelle Mikroskopie integriert werden, ohne dass ein zusätzlich komplexes System erforderlich ist.

Das Verfahren wird von Dasol Lee und Inki Kim demonstriert, die Doktoranden in meinem Labor sind. Zunächst beschichten Sie die Quarzwafer mit einem positiven Photoresist bei 2.000 U/min und backen diesen 60 Sekunden lang bei 90 Grad Celsius. Anschließend schneiden Sie den Wafer mit Photoresist mithilfe einer Dicingsäge in kleine Stücke mit einer Größe von 20 mal 20 Quadratmillimetern.

Blasen Sie die Stücke mit einer Druckstickstoffpistole ab, um Partikel, die beim Schneiden entstanden sind, zu entfernen. Anschließend wird der geschnittene Wafer fünf Minuten lang bei 45 Grad Celsius in ein Ultraschallbad aus entionisiertem Wasser gegeben. Entfernen Sie die Photoresist-Schicht durch ein Ultraschallbad mit Aceton über einen Zeitraum von fünf Minuten bei 45 Grad Celsius.

Reinigen Sie dann das Substrat, indem Sie es fünf Minuten lang bei 45 Grad Celsius in ein Ultraschallbad mit Isopropanol geben. Trocknen Sie das Substrat mit einer Druckstickstoffpistole. Um das Maskenmuster zu ätzen, laden Sie zunächst die sauberen Quarzsubstrate in ein Hochvakuumelektronenstrahlverdampfungssystem ein.

Tragen Sie die Chromschicht mit einer Abscheidungsrate von zwei Ångström pro Sekunde auf. Drücken Sie die Entlüftungstaste, um die Kammer zu entlüften. Befestigen Sie eine Probe auf dem Halter für das Focused Ion Beam (FIB) mithilfe von leitendem Kupferband.

Danach den FIB-Halter in die FIB-Kammer einsetzen. Die Kammertür schließen und die Pump-Taste drücken, um die Kammer zu evakuieren. Unter dem Reiter Strahlsteuerung „Beam On“ auswählen und den Ionenstrahlstrom sowie die Beschleunigungsspannung für den FIB-Modus einstellen.

Schalten Sie das Ionenstrahlsystem ein. Wählen Sie unter der Registerkarte Strahlsteuerung „Beam On“, um den Elektronenstrahl einzuschalten, und fokussieren Sie das Bild mit niedriger Vergrößerung über die Software. Stellen Sie anschließend den Arbeitsabstand unter der Registerkarte Navigation im Rasterelektronenmikroskop-Modus auf vier Millimeter ein.

Stellen Sie den Neigungswinkel des Halteres auf 52 Grad ein und nehmen Sie die REM-Aufnahmen bei verschiedenen Vergrößerungen vor der Herstellung des Lochraster-Maskenmusters auf. Wählen Sie unter dem Reiter „Patterning“ den Strukturierungs-Bereich aus und erzeugen Sie ein 50 Nanometer großes Lochraster auf der Chromschicht. Schalten Sie nach Beendigung des Vorgangs den Elektronenstrahl- und Ionenstrahl-System aus und kühlen Sie diese ab.

Drücken Sie die Entlüftungstaste, um die Kammer mit Stickstoffgas zu entlüften. Nehmen Sie dann den Halter aus der Kammer heraus. Anschließend geben Sie das strukturierte Substrat für fünf Minuten in einen gepufferten Oxidätzmittel von 1 zu 10.

Legen Sie das strukturierte Substrat zur Reinigung des gepufferten Oxidätzmittels in destilliertes Wasser. Anschließend trocknen Sie die Probe mit komprimiertem Stickstoffgas. Geben Sie das strukturierte Substrat in das Chromätzmittel, um die Chrom-Maske abzutragen.

Schließlich das strukturierte Substrat fünf Minuten lang zur Reinigung in destilliertes Wasser geben. Drücken Sie die Entlüftungstaste des Elektronenstrahl-Verdampfungssystems und warten Sie, bis die Entlüftung abgeschlossen ist. Danach das strukturierte Substrat nach der Entlüftung in ein Hochvakuum-Elektronenstrahl-Verdampfungssystem einlegen.

Schließen Sie die Kammertür und evakuieren Sie die Kammer, indem Sie den Pumpknopf drücken. Tragen Sie die Silberschicht mit einer Wachstumsrate von einem Ångström pro Sekunde auf und scheidet eine 15 Nanometer dicke Silberschicht ab. Kühlen Sie das Substrat nach der Abscheidung der Silberschicht fünf Minuten lang ab.

Wechseln Sie die Tasche des Elektronenstrahl-Verdampfungssystems, indem Sie einen anderen Tiegel wählen, und tragen Sie die Titandioxid-Schicht mit einer Wachstumsrate von einem Ångström pro Sekunde auf. Anschließend tragen Sie eine 15 Nanometer dicke Titandioxid-Schicht auf. Nach dem Aufbringen der Titandioxid-Schicht kühlen Sie das Substrat fünf Minuten lang ab.

Wiederholen Sie die Abscheidungsschritte für mehrere Zehnerzyklen, um einen mehrschichtigen Aufbau aus Silber und Titanoxid abzuscheiden. Wechseln Sie die Tasche des Elektronenstrahl-Verdampfungssystems und bringen Sie die Chromschicht mit einer Dicke von 50 Nanometern auf. Schalten Sie nach der Abscheidung der Chromschicht das Elektronenstrahl-Verdampfungssystem aus.

Drücken Sie die Entlüftungstaste und entlüften Sie die Kammer, indem Sie Stickstoffgas zuführen. Öffnen Sie nach der Entlüftung die Kammertür und nehmen Sie den Halterträger aus der Kammer heraus. Entfernen Sie das hergestellte Hyperlinsengerät.

Danach schließen Sie die Kammertür und evakuieren die Kammer, indem Sie den Pumpknopf drücken. Befestigen Sie die mit Chrom beschichtete Hyperlinse im FIB-Ätzsystem und strukturieren Sie eine nanostrukturierte Anordnung gemäß den Herstelleranweisungen. Anschließend stellen Sie ein herkömmliches durchgehendes optisches Mikroskop auf den optischen Tisch.

Verbinden Sie eine weiße Lichtquelle mithilfe eines Adapters mit dem Beleuchtungsweg des Mikroskops. Platzieren Sie einen optischen Bandpassfilter mit einer Wellenlänge von 410 Nanometern. Wählen Sie ein Objektiv mit hoher Vergrößerung und Ölimmersion aus, und verwenden Sie eine hochwertige CCD-Kamera, um die Bilder aufzunehmen.

Platzieren Sie einen Tropfen Immersionsöl auf dem Objektiv. Schließlich bringen Sie eine Hyperlinse auf dem Probentisch an und nehmen die Bilder auf. Gezeigt ist hier eine aus Silber und Titanoxid bestehende Hyperlinse mit abwechselnd aufgebrachten Mehrfachschichten.

Das Querschnittsbild zeigt, dass die mehrschichtige dünne Schicht aus Silber und Titanoxid gleichmäßig auf dem halbkugelförmigen Quarzsubstrat abgeschieden wurde. Eine Hyperlinse, die aus Silber und Titanoxid besteht, weist bei einer Wellenlänge von 410 Nanometern eine hervorragende Leistung auf, da die Dispersionsrelation der geschichteten Mehrschichten eine hyperbolische Dispersionskurve aufweist, wie hier dargestellt. Hohe Komponenten des räumlichen Wellenvektors können entlang der radialen Richtung der Hyperlinse propagieren.

Die kleinen Strukturen mit hochfrequenten Anteilen, die von herkömmlichen optischen Systemen nicht erfasst werden können, können durch die Hyperlinse in den Fernfeldbereich gelangen, wie durch Finite-Elemente-Simulationen berechnet. Nach der Herstellung kann die Hyperlinse in das herkömmliche Mikroskopsystem integriert werden, wie in diesem einfachen Schema des Hyperlinsen-Abbildungs-Systems dargestellt. Die Hyperlinse wird auf dem Objektiv platziert.

Zur Demonstration des Hyperlins wird ein künstliches Muster auf die innere Oberfläche des Hyperlins eingebracht. Die Ergebnisse zeigen die durch den Hyperlin erfassten Bilder. Die Spaltgrößen liegen in jedem Fall zwischen 160 Nanometern und 180 Nanometern.

Die subdiffraktionsbegrenzten Strukturen werden aufgelöst, und die überauflösende Leistungsfähigkeit des Hyperlinsen kann bestätigt werden. Die Entwicklung der Hyperlinse ebnete den Weg für die Super-Auflösungs-Bildgebungstechnik, um nanoskalige Biomolekülstrukturen und anorganische Nanopartikel zu untersuchen. Nach dem Ansehen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine hochwertige Hyperlinse herstellt und ein eigenes Super-Auflösungs-Bildgebungssystem aufbaut.

Wir erwarten, dass die Hyperlinse-Technik durch die Anwendung einer skalierbaren und reproduzierbaren Herstellungsmethode hinsichtlich ihrer Praktikabilität verbessert wird. Die Hyperlinse wird es Wissenschaftlern ermöglichen, biophysikalische Vorgänge, die im Nanomaßstab in Echtzeit ablaufen, zu beobachten, und sie wird als bildgebende Methode der nächsten Generation mit Super-Auflösung in verschiedenen Anwendungen wie Biologie, Medizin, Materialwissenschaft und Nanotechnologie eingesetzt werden können.