Artículo de método

Demostración de un microscopio integrado de Hyperlens y proyección de imagen de súper resolución

DOI:

10.3791/55968

⸱

8 de septiembre de 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

En este artículo

Resumen

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

El uso de un hyperlens ha sido considerado como una técnica de imagen de resolución súper novela debido a sus ventajas en la proyección de imagen en tiempo real y su puesta en práctica simple con óptica convencional. Aquí, presentamos un protocolo que describe la fabricación y aplicaciones de una hyperlens esférica de la proyección de imagen.

Resumen

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

El uso de súper resolución de imagen para superar el límite de difracción de la microscopia convencional ha atraído el interés de los investigadores en biología y nanotecnología. Aunque superlentes y microscopía de campo cercano han mejorado la resolución de la región de campo cercano, campo lejano la proyección de imagen en tiempo real sigue siendo un desafío significativo. Recientemente, el hyperlens, que magnifica y convierte ondas evanescentes en la propagación de las ondas, ha surgido como un nuevo enfoque a la imagen de campo lejano. Aquí, divulgamos la fabricación de una hyperlens esférica compuesta de alternancia de capas delgadas de titanio óxido (TiO2) y plata (Ag). A diferencia de un convencional cilíndrico hyperlens, el hyperlens esférico permite aumento bidimensional. Así, la incorporación en microscopía convencional es sencillo. Se propone un nuevo sistema óptico integrado con el hyperlens, lo que permite una imagen de longitud de onda sub a obtenerse en la región de campo lejano en tiempo real. En este estudio, la fabricación y los métodos de instalación imagen se explican en detalle. Este trabajo también describe la accesibilidad y posibilidad de la hyperlens, así como aplicaciones prácticas de la imagen en tiempo real en células vivas, que puede conducir a una revolución en la biología y la nanotecnología.

Introducción

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

El deseo de observar biomoléculas en células vivas llevó a la invención de la microscopía y el advenimiento de la microscopía propagó la revolución de varios campos, tales como la biología, patología y la ciencia de los materiales, sobre últimos siglos. Sin embargo, más avance de la investigación ha sido restringido por difracción, que limita la resolución de los microscopios convencionales hasta la mitad de la longitud de onda1. Por lo tanto, súper resolución de imagen para superar el límite de difracción ha sido un interesante área de investigación en las últimas décadas.

Como el límite de difracción es atribuido a la pérdida de las ondas evanescentes que contienen información de longitud de sub-onda sobre los objetos, se han realizado los primeros estudios para evitar ondas evanescentes desapareciendo o recuperarlos de2,3. El esfuerzo por superar el límite de difracción primero fue divulgado con microscopía óptica, que recoge el campo evanescente en proximidad cercana al objeto antes de que sea disipada2cerca del campo. Sin embargo, como exploración de la región de la imagen entera y reconstruyéndolo lleva mucho tiempo, no se puede aplicar a la imagen en tiempo real. Aunque otro enfoque basado en el "superlente", que amplifica las ondas evanescentes, proporciona la posibilidad de imagen en tiempo real, imágenes de longitud de sub-onda sólo es capaz de la región de campo cercano y no pueden llegar más allá de los objetos4, 5 , 6 , 7.

Recientemente, la hyperlens ha surgido como un nuevo enfoque en tiempo real campo lejano óptico imagen8,9,10,11,12. El hyperlens, que se hace de metamateriales hiperbólicos altamente anisotrópico13, exhibe una dispersión plano hiperbólica de modo que es compatible con alta información espacial con la misma velocidad de fase. Además, debido a la ley de conservación del ímpetu, el wavevector transversal alta se comprime gradualmente mientras la onda pasa a través de la geometría cilíndrica. Esta información ampliada así puede detectarse por un microscopio convencional en la región de campo lejano. Esto es de particular importancia a la imagen de campo lejano en tiempo real, como no requiere cualquier reconstrucción de imagen o análisis punto por punto. Por otra parte, el hyperlens puede utilizarse para aplicaciones que no sean la proyección de imagen, como la Nanolitografía. La luz que pasa a través de la hyperlens en la dirección contraria se centrará en un área de la secundario-difracción debido a la simetría de la revocación del tiempo14,15,16.

Aquí, Divulgamos sobre una hyperlens esférica que magnifica información bidimensional en la frecuencia visible. A diferencia de geometría cilíndrica convencional, los hyperlens esféricos magnifica objetos en dos dimensiones laterales, facilitando aplicaciones prácticas. El método de fabricación y la instalación de imagen con el hyperlens se presentan en detalle para la reproducción de un hyperlens de alta calidad. Un objeto de longitud de sub-onda está inscrito en el hyperlens para demostrar su poder de súper-resolución. Se confirma que las pequeñas características de los objetos inscritos se potencian en el hyperlens. Así, se obtienen las imágenes claramente resueltos en la región de campo lejano en tiempo real. Este nuevo tipo de hyperlens esférica, con su facilidad de integración con microscopia convencional, ofrece la posibilidad de aplicaciones prácticas, lleva a los albores de una nueva era en biología, patología y Nanociencia general.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

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

1. preparación del sustrato

  1. obtener altamente refinado oblea de cuarzo. Para la fabricación registrada aquí, utiliza una oblea con un espesor de 500 μm.
    2. S
  2. spin-capa la oblea de cuarzo con un photoresist positivo a 2.000 rpm y hornear durante 60 a 90 ° C.
    Nota: La capa de photoresist positivo está cubierta para evitar daños durante el paso de corte subsecuente.
  3. Utilizar una máquina de corte en cuadritos para cortar la oblea con fotoresistencia en pequeños trozos de 20 x 20 mm 2 tamaño.
  4. Golpe con una pistola de nitrógeno comprimido para retirar las partículas resultantes de la etapa de corte.
  5. Colocarlo en un baño ultrasónico en agua desionizada (DI) durante 5 minutos a 45 ° C. retirar la capa de photoresist usando un baño ultrasónico en acetona por 5 min a 45 º C. limpiar el sustrato con dos baños por ultrasonidos, acetona y alcohol isopropílico, cada uno por 5 min a 45 ° C.
  6. Secar el sustrato con una pistola de nitrógeno comprimido.

2. El patrón de la máscara de la aguafuerte

sustratos de cuarzo
  1. la limpieza de la carga en un electrón de alto vacío sistema de evaporación de la viga. Asegúrese de que está activado rotación sustrato.
  2. Depósito de la capa de cromo con una tasa de deposición de 2 Å/s.
    Nota: Una capa de al menos 100 nm de espesor debe ser depositada para que la máscara de la aguafuerte evitar agujeros de deposición.
  3. Presione el botón de ventilación para ventilar la cámara y montar una muestra sobre el soporte de viga (FIB) ion enfocada mediante la realización de la cinta de cobre.
  4. El titular de la FIB de la carga en la recámara de la FIB.
  5. Cerrar la puerta y presione el botón de la bomba para evacuar la cámara de.
  6. Seleccionar " de la viga en " bajo la ficha de control de la viga y el conjunto el ion viga corriente (7,7 pA) y el voltaje de aceleración (30 kV) para el modo FIB.
  7. Activar el sistema de viga de ion.
  8. Seleccionar " de la viga en el " debajo de la ficha de control de haz en el haz de electrones y enfocar la imagen con la ampliación baja, utilizando el software de.
  9. Fijar la distancia de trabajo (WD) en 4 mm bajo la pestaña de navegación en el modo de microscopio electrónico de barrido (SEM).
  10. Ajustar el ángulo de inclinación del soporte a 52° y tomar las imágenes de SEM en diferentes aumentos antes de la fabricación de patrón de agujero matriz máscara.
  11. En la ficha Diseño, elegir la región de modelar y hacer un arreglo de discos de orificio nm 50 sobre la capa de cromo.
    Nota: Hay simple accesible en la ficha Diseño de herramientas de dibujo. Control de geometría y de la exposición más complejo se puede alcanzar por importar mapas de bits o generación de secuencias de comandos de.
  12. , Después de apagar el haz de electrones y la viga de ion sistemas y enfriar el sistema.
  13. Presione el botón de ventilación y ventilación de la cámara con gas nitrógeno. Sacar el titular de la cámara de.
  14. Cerrar la puerta de la cámara y evacuar la cámara presionando el botón de la bomba.

3. Grabado húmedo proceso y eliminación de la capa de máscara

  1. poner el sustrato modelado en 1:10 tampón reactivo óxido por 5 min
    Nota: El cuarzo es selectivamente y isotropically mojado-grabada por el grabador y formas una forma esférica. La forma de la lente puede obtenerse con la máscara de grabado, y el diámetro es controlado precisamente por el tiempo de grabado. Puede formar mejor forma esférica con un diámetro más pequeño del patrón. Un hemisferio de 1.5 μm de diámetro se puede obtener dentro de 5 minutos
  2. Poner el sustrato modelado en DI agua para limpiar el óxido con grabador (5 min, dos veces).
    Nota: Grabador de óxido tamponado puede ser peligroso, así que tenga cuidado cuando utilice este grabador.
  3. Seco de la muestra con gas nitrógeno comprimido.
  4. Poner el sustrato modelado en CR 7 cromo etchant para eliminar la capa de máscara de cromo.
    Nota: Después de quitar la capa de cromo, un sustrato con motivos esféricos 1.5 μm de diámetro se puede obtener.
  5. Poner el sustrato modelado en DI agua para limpiarlo (5 min).

4. Deposición multicapa y objetos de tamaño nanométrico inscripción

Nota: un par de capas se depositan sobre el substrato de cuarzo esférico. Aquí, Ag y TiO 2 se utilizan como los materiales de deposición. AG y TiO 2 se depositan alternativamente a un espesor de 15 nm.

  1. Presione el botón de ventilación del sistema de evaporación de viga del electrón y espere hasta que la ventilación es.
  2. Carga el sustrato modelado en un sistema de evaporación de haz de electrones de alto vacío después de la salida.
  3. Cerrar la puerta de la cámara y evacuar la cámara a un grado de vacío de 10 -7 Torr pulsando el botón de la bomba.
    Nota: La condición del vacío debe ser mantenida de 10 -7 Torr para reducir la dispersión de la aspereza superficial.
  4. Depósito de la capa de Ag con una tasa de crecimiento de 1 Å / s y el depósito de una capa de Ag 15 nm de espesor.
  5. Después de la deposición de la capa de Ag, enfriar el sustrato por 5 min
  6. Cambiar el bolsillo del sistema de evaporación de haz de electrón eligiendo otro crisol y depositar la capa de TiO 2 con una tasa de crecimiento de 1 Å/s. depósito una capa de 2 15 nm de grosor TiO.
    Nota: Durante el proceso de deposición, la tasa de crecimiento de la película se mantiene baja para mantener la uniformidad de la rugosidad de la superficie.
  7. Después de la deposición de la capa de TiO 2, enfriar el sustrato por 5 min
  8. Repita pasos 4.4-4.7 para decenas de ciclos para depositar una multicapa de Ag y TiO 2.
    Nota: en este punto, la fabricación de hyperlens es sobre. El siguiente paso es para hacer una función sub-diffraction-limited arbitraria para la hyperlens capacidad de la proyección de imagen de la prueba. Aberturas de tamaño de nanómetros y las aberturas están inscritos por fresado FIB.
  9. Cambiar el bolsillo del sistema de evaporación de viga del electrón y depositar la capa de cromo en un espesor de 50 nm.
  10. Después de la deposición de una capa de Cr, apague el sistema de evaporación de haz de electrones. Presione el botón de ventilación y ventilación de la cámara mediante la introducción de gas nitrógeno.
  11. Después de la ventilación, abrir la puerta y saque el soporte de la cámara. Tira el dispositivo fabricado hyperlens.
  12. Cerrar la puerta de la cámara y evacuar la cámara presionando el botón de la bomba.
  13. Monte hyperlens depositado con cromo en la FIB sistema de fresado y una estructura de tamaño nanométrico, por el fabricante del patrón ' instrucciones s.

5. Ajuste la proyección de imagen del sistema y procedimiento de la proyección de imagen

  1. lugar un convencional microscopio óptico de transmisión tipo sobre la mesa óptica.
    Nota: Aquí, un microscopio óptico invertido fue utilizado como el principal cuerpo.
  2. Conectarse una fuente de luz blanca de la ruta de iluminación del microscopio usando un adaptador de.
  3. Colocar un filtro óptico pasabanda centrado en 410 nm.
    Nota: El filtro bandpass selectivamente penetra la longitud de onda específica de luz; aquí, 410 nm se enciende en la muestra. Un hyperlens de Ag y TiO 2 tiene alto rendimiento en una longitud de onda de 410 nm. El resultado de la simulación ( figura 2 c) muestra el rendimiento de la hyperlens, que satisface la relación de dispersión hiperbólico en el 410 la luz nm.
  4. Seleccionar un objetivo de inmersión en aceite alta magnificación. Utilizar una cámara de CCD de alta calidad para obtener las imágenes.
    Nota: Esta configuración óptica sólo pone la prohibicióndpass filtro en el camino de la luz para arreglar la luz de longitud de onda 410 nm. Una longitud de onda específica de luz se puede iluminar en la muestra sin utilizar luz blanca, pero en un laboratorio normal, microscopios ópticos pueden tener una fuente de luz blanca para la observación de muestras a través de imágenes de fluorescencia o campo brillante.
  5. Coloque una gota de aceite de inmersión en el objetivo. Colocar un hyperlens en las imágenes de la etapa y la captura de muestra.
    Nota: Los objetos de tamaño nanométrico inscritos en la superficie interna de la hyperlens pueden ser iluminados con luz de 410 nanómetro. Con el hyperlens, los objetos de tamaño nanométrico serán ampliados y capturados por el lente objetivo y reflejados por cámara CCD.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

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

La capacidad del dispositivo de hyperlens para resolver características de la secundario-difracción confía en su uniformidad y una fabricación de alta calidad. Aquí, un hyperlens está compuesto por una multicapa de Ag y TiO2 depositadas alternadamente. Figura 2a muestra la imagen SEM de un hyperlens bien hecho17. La imagen corte transversal muestra que las múltiples capas de Ag y Ti3O5 la película fina ...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

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

La fabricación de un hyperlens incluye tres grandes pasos: definición de geometría semiesférica en el substrato de cuarzo mediante un proceso húmedo-aguafuerte, apilando las metálicas y dieléctricas de múltiples capas utilizando un sistema de evaporación de haz de electrón y la inscripción la objeto en la capa del Cr. El paso más importante es la segunda, ya que puede afectar significativamente la calidad de la hyperlens. En el proceso de deposición de película delgada, hay dos condiciones que requieren un cuidado especi...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

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

Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

Agradecimientos

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

Este trabajo es apoyado por el programa de joven investigador (NRF-2015R1C1A1A02036464), programa del centro de investigación de ingeniería (NRF-2015R1A5A1037668) y programa de frontera Global (CAMM-2014M3A6B3063708), I.K. M.K., S.S., reconoce el doctor Global Becas (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) a través de la subvención nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de ciencia, TIC y planeación de futuro (MSIP) del gobierno coreano.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Fresadora de haz de iones focalizadosFEIHelios Nanolab G3 CX
Sistema de evaporación E-beamKorea Vacuum TechKVE-E4000
Microscopía electrónica de barridoHitachiSU6600
Microscopía invertidaZeissAxiovert 200
Fuente de luzEXCELITAS TechnologiesX-Cite 110 LED
Filtro de paso de bandaChromaET405/30M
Lenteobjetivo ZeissPlan-ApochromatNA=1.3, cámara CCD 100X
AndorZyla 4.2
Oblea de cuarzoCORNINGSílice fundida Corning 7980
Grabador de óxido tamponadoJ.T Baker TMJ.T.Baker 5175
PhotoresistAZ electrónico materialesGXR-601 PR
Grabador de cromoSIGMA-ALDRICH651826
AcetónJ.T Baker TMUN1090
Alcohol isopropílicoJ.T Baker TMUN1219
Herramienta de simulación FEMCOMSOL 5.1 Multifísica

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Archiv für mikroskopische Anatomie. 9 (1), 413-418 (1873).
  2. Dürig, U., Pohl, D. W., Rohner, F. Near-field optical-scanning microscopy. J Appl Phys. 59 (10), 3318-3327 (1986).
  3. Pendry, J. B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens. Phys Rev Lett. 85 (18), 3966-3969 (2000).
  4. Fang, N., Liu, Z., Yen, T. -J., Zhang, X. Regenerating evanescent waves from a silver superlens. Opt Express. 11 (7), 682-687 (2003).
  5. Fang, N., Lee, H., Sun, C., Zhang, X. Sub-Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens. Science. 308 (5721), 534-537 (2005).
  6. Melville, D. O. S., Blaikie, R. J. Super-resolution imaging through a planar silver layer. Opt Express. 13 (6), 2127-2134 (2005).
  7. Taubner, T., Korobkin, D., Urzhumov, Y., Shvets, G., Hillenbrand, R. Near-Field Microscopy Through a SiC Superlens. Science. 313 (5793), 1595-1595 (2006).
  8. Jacob, Z., Alekseyev, L. V., Narimanov, E. Optical Hyperlens: Far-field imaging beyond the diffraction limit. Opt Express. 14 (18), 8247-8256 (2006).
  9. Lee, H., Liu, Z., Xiong, Y., Sun, C., Zhang, X. Development of optical hyperlens for imaging below the diffraction limit. Opt Express. 15 (24), 15886-15891 (2007).
  10. Liu, Z., Lee, H., Xiong, Y., Sun, C., Zhang, X. Far-Field Optical Hyperlens Magnifying Sub-Diffraction-Limited Objects. Science. 315 (5819), 1686-1686 (2007).
  11. Kim, M., Rho, J. Metamaterials and imaging. Nano Converg. 2 (1), 22(2015).
  12. Byun, M., et al. Demonstration of nanoimprinted hyperlens array for high-throughput sub-diffraction imaging. Sci Rep. 7, 46314(2017).
  13. Shekhar, P., Atkinson, J., Jacob, Z. Hyperbolic metamaterials: fundamentals and applications. Nano Converg. 1 (1), 14(2014).
  14. Liu, L., et al. Sub-diffraction demagnification imaging lithography by hyperlens with plasmonic reflector layer. RSC Advances. 6 (98), 95973-95978 (2016).
  15. Sun, J., Xu, T., Litchinitser, N. M. Experimental demonstration of demagnifying hyperlens. Nano Lett. 16 (12), 7905-7909 (2016).
  16. Kim, M., et al. Deep sub-wavelength nanofocusing of UV-visible light by hyperbolic metamaterials. Sci Rep. 6, 38645(2016).
  17. Rho, J., et al. Spherical hyperlens for two-dimensional sub-diffractional imaging at visible frequencies. Nat Commun. 1, 143(2010).
  18. Chen, W., et al. Ultra-thin ultra-smooth and low-loss silver films on a germanium wetting layer. Opt Express. 18 (5), 5124-5134 (2010).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Hyperlens ImagingSuper resolution MicroscopySilver Titanium OxideElectron Beam EvaporationFocused Ion BeamOptical Bandpass FilterReal time ImagingSubdiffraction ImagingNanoparticle ImagingLiving Cell Imaging

Artículos relacionados