Demonstration eines Hyperlens integriert Mikroskop und super-Resolution Imaging

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Verfahrens ist es, den Herstellungsprozess und die Subbeugungsbildgebung der zweidimensionalen Hyperlinsenbaugruppe zu demonstrieren. Dieses neuartige superhochauflösende Bildgebungsverfahren hat die Vorteile der Echtzeit-Bildgebung und der einfachen Implementierung in konventionelle Optiken. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der superauflösenden Bildgebung zu beantworten, wie z. B. die Abbildung lebender Zellen und dynamischer Nanopartikel unterhalb der Fraktionsgrenze.

Die Hyperlinse ist eine spezielle sphärische Linse mit Mehrschichtstruktur und flacher hyperbolischer Dispersion, die die Vergrößerung hochfrequenter Informationen und die Auflösung ähnlicher Optiken im Fernfeld in Echtzeit unterstützt. Der Hauptvorteil der sphärischen Hyperlinse besteht darin, dass sie zweidimensionale Informationen bei sichtbaren Frequenzen vergrößern kann. Eine sphärische Hyperlinse lässt sich auch ohne zusätzliches komplexes System problemlos in die konventionelle Mikroskopie integrieren.

Das Verfahren wird von Dasol Lee und Inki Kim, Doktoranden meines Labors, demonstriert. Zu Beginn wird der Quarzwafer mit einem positiven Fotolack bei 2.000 U/min geschleudert und 60 Sekunden lang bei 90 Grad Celsius gebacken. Schneiden Sie dann den Wafer mit Fotolack mit einer Würfelmaschine in kleine Stücke von 20 x 20 Quadratmillimetern Größe.

Blasen Sie die Stücke mit einer komprimierten Stickstoffpistole, um alle Partikel zu entfernen, die durch den Schneidschritt entstehen. Legen Sie dann den geschnittenen Wafer für fünf Minuten bei 45 Grad Celsius in ein Ultraschallbad mit deionisiertem Wasser. Entfernen Sie die Fotolackschicht mit einem Ultraschallbad aus Aceton für 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 Isopropylalkohol legen. Trocknen Sie das Substrat mit einer komprimierten Stickstoffpistole. Um das Maskenmuster zu ätzen, laden Sie zunächst die sauberen Quarzsubstrate in ein Hochvakuum-Elektronenstrahlverdampfungssystem.

Die Chromschicht wird mit einer Abscheidungsrate von zwei Ångström pro Sekunde abgeschieden. Drücken Sie die Entlüftungstaste, um die Kammer zu entlüften. Montieren Sie eine Probe mit leitfähigem Kupferband auf dem fokussierten Ionenstrahl oder FIB-Halter.

Laden Sie dann den FIB-Halter in die FIB-Kammer. Schließen Sie die Kammertür und drücken Sie den Pumpenknopf, um die Kammer zu evakuieren. Wählen Sie Beam On auf der Registerkarte Beam-Steuerung und stellen Sie den Ionenstrahlstrom und die Beschleunigungsspannung für den FIB-Modus ein.

Schalten Sie das Ionenstrahlsystem ein. Wählen Sie auf der Registerkarte "Strahlsteuerung" die Option "Strahl ein", um den Elektronenstrahl einzuschalten und das Bild mit Hilfe der Software mit geringer Vergrößerung zu fokussieren. Stellen Sie dann den Arbeitsabstand unter der Registerkarte "Navigation" im Rasterelektronenmikroskop-Modus auf vier Millimeter ein.

Stellen Sie den Neigungswinkel des Halters auf 52 Grad ein und nehmen Sie die REM-Bilder in verschiedenen Vergrößerungen auf, bevor Sie das Loch-Array-Maskenmuster erstellen. Wählen Sie auf der Registerkarte "Strukturierung" den Strukturierungsbereich aus und erstellen Sie ein 50-Nanometer-Locharray auf der Chromschicht. Schalten Sie nach Beendigung die Elektronenstrahl- und Ionenstrahlsysteme aus und kühlen Sie sie ab.

Drücken Sie den Entlüftungsknopf, um die Kammer mit Stickstoffgas zu entlüften. Nehmen Sie dann den Halter aus der Kammer. Legen Sie anschließend das gemusterte Substrat fünf Minuten lang in ein bis 10 gepuffertes Oxidätzmittel.

Legen Sie das gemusterte Substrat in entionisiertes Wasser, um das gepufferte Oxidätzmittel zu reinigen. Trocknen Sie dann die Probe mit komprimiertem Stickstoffgas. Legen Sie das gemusterte Substrat in Chromätzmittel, um die Chrommaskenschicht zu entfernen.

Legen Sie zum Schluss das gemusterte Substrat fünf Minuten lang in entionisiertes Wasser, um es zu reinigen. Drücken Sie die Entlüftungstaste des Elektronenstrahlverdampfungssystems und warten Sie, bis die Entlüftung beendet ist. Laden Sie dann das gemusterte Substrat in ein Hochvakuum-Elektronenstrahlverdampfungssystem nach der Entlüftung.

Schließen Sie die Kammertür und evakuieren Sie die Kammer, indem Sie den Pumpenknopf drücken. Die Silberschicht mit einer Wachstumsrate von einem Angström pro Sekunde abscheiden und eine 15 Nanometer dicke Silberschicht abscheiden. Nach der Abscheidung der Silberschicht kühlen Sie das Substrat fünf Minuten lang ab.

Tauschen Sie die Tasche des Elektronenstrahlverdampfungssystems aus, indem Sie einen anderen Tiegel wählen und die Titanoxidschicht mit einer Wachstumsrate von einem Angström pro Sekunde abscheiden. Anschließend scheiden Sie eine 15 Nanometer dicke Titanoxidschicht ab. Nach der Abscheidung der Titanoxidschicht kühlen Sie das Substrat fünf Minuten lang ab.

Wiederholen Sie die Abscheidungsschritte für Dutzende von Zyklen, um eine Mehrschicht aus Silber und Titanoxid abzuscheiden. Tauschen Sie die Tasche des Elektronenstrahlverdampfungssystems aus und scheiden Sie die Chromschicht mit einer Dicke von 50 Nanometern ab. Nach der Abscheidung einer Chromschicht schalten Sie das Elektronenstrahlverdampfungssystem aus.

Drücken Sie die Entlüftungstaste und entlüften Sie die Kammer durch Einleiten von Stickstoffgas. Öffnen Sie nach der Entlüftung die Kammertür und nehmen Sie die Halterung aus der Kammer. Entfernen Sie das hergestellte Hyperlinsengerät.

Schließen Sie dann die Kammertür und evakuieren Sie die Kammer, indem Sie den Pumpenknopf drücken. Montieren Sie die mit Chrom abgeschiedene Hyperlinse in das FIB-Frässystem und modellieren Sie eine nanoskalige Struktur gemäß den Anweisungen des Herstellers. Stellen Sie als Nächstes ein herkömmliches optisches Transmissionsmikroskop auf den optischen Tisch.

Schließen Sie eine Weißlichtquelle mit einem Adapter an den Beleuchtungspfad des Mikroskops an. Platzieren Sie einen optischen Bandpassfilter, der bei 410 Nanometern zentriert ist. Wählen Sie ein Öl-Immersionsobjektiv mit hoher Vergrößerung und verwenden Sie eine hochwertige CCD-Kamera, um die Bilder zu erhalten.

Geben Sie einen Tropfen Immersionsöl auf die Objektivlinse. Platzieren Sie abschließend eine Hyperlinse auf dem Probentisch und nehmen Sie die Bilder auf. Hier ist eine Hyperlinse zu sehen, die aus abwechselnd abgeschiedenen Silber- und Titanoxid-Multischichten besteht.

Das Schnittbild zeigt, dass die Mehrschicht aus Silber- und Titanoxid-Dünnschicht mit gleichmäßiger Dicke auf dem halbkugelförmigen Quarzsubstrat abgeschieden ist. Eine Hyperlinse aus Silber und Titanoxid hat eine hervorragende Leistung bei einer Wellenlänge von 410 Nanometern, da das Dispersionsverhältnis der gestapelten Multischichten eine hyperbolische Dispersionskurve aufweist, wie hier gezeigt. Komponenten mit hohen räumlichen Wellenvektoren können sich entlang der radialen Richtung der Hyperlinse ausbreiten.

Die kleinen Strukturen mit hochfrequenten Komponenten, die mit herkömmlichen Optiken nicht erfasst werden können, können sich durch die Hyperlinse in das Fernfeld ausbreiten, wie durch Finite-Elemente-Simulation berechnet. Nach der Herstellung kann die Hyperlinse in das konventionelle Mikroskopsystem integriert werden, wie in diesem einfachen Schema des Hyperlinsen-Bildgebungssystems gezeigt. Die Hyperlinse wird auf die Objektivlinse aufgesetzt.

Zur Demonstration der Hyperlinse wird ein künstliches Muster auf die Innenfläche der Hyperlinse eingraviert. Die Ergebnisse zeigen die Bilder, die durch die Hyperlinse aufgenommen wurden. Die Spaltgrößen reichen jeweils von 160 Nanometern bis 180 Nanometern.

Die subbeugungsbegrenzten Merkmale werden aufgelöst und das Superauflösungsvermögen der Hyperlinse kann bestätigt werden. Die Entwicklung der Hyperlinse ebnete den Weg für superhochauflösende Bildgebungsverfahren zur Erforschung von Biomolekülmaschinen in Nanogröße und anorganischen Nanopartikeln. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, haben Sie vielleicht ein gutes Verständnis dafür, wie Sie eine hochwertige Hyperlinse herstellen und für Ihr eigenes hochauflösendes Bildgebungssystem einrichten können.

Wir gehen davon aus, dass die Hyperlinsentechnik durch die Einführung einer skalierbaren und reproduzierbaren Herstellungsmethode in der Praxis verbessert wird. Die Hyperlinse wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die biophysikalische Dynamik im Nanomaßstab in Echtzeit zu beobachten und als superhochauflösende Bildgebung der nächsten Generation in verschiedenen Anwendungen wie Biologie, Medizin, Materialwissenschaft und Nanotechnologie zu arbeiten.