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

El objetivo general de este procedimiento experimental es demostrar el proceso de fabricación y la obtención de imágenes de subdifracción del dispositivo de hiperlente bidimensional. Esta novedosa técnica de imagen de superresolución tiene las ventajas de la obtención de imágenes en tiempo real y una implementación sencilla en comparación con la óptica convencional. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la obtención de imágenes de superresolución, como la obtención de imágenes de células vivas y nanopartículas dinámicas por debajo del límite de fracción.

La hiperlente es una lente esférica especial con estructura multicapa que tiene una dispersión hiperbólica plana que admite la ampliación de la información de alta frecuencia y la resolución de ópticas similares en el campo lejano en tiempo real. La principal ventaja de la hiperlente esférica es que puede ampliar la información bidimensional a frecuencias visibles. Una hiperlente esférica también puede integrarse fácilmente a la microscopía convencional sin necesidad de un sistema complejo adicional.

Los que demuestren el procedimiento serán Dasol Lee e Inki Kim, estudiantes graduados de mi laboratorio. Para comenzar, recubre la oblea de cuarzo con una fotorresistencia positiva a 2.000 rpm y hornea durante 60 segundos a 90 grados centígrados. Luego, use una máquina cortadora de cubitos para cortar la oblea con fotorresistencia en trozos pequeños de 20 por 20 milímetros cuadrados de tamaño.

Sople las piezas con una pistola de nitrógeno comprimido para eliminar las partículas resultantes de la etapa de corte. A continuación, coloque la oblea cortada en un baño ultrasónico de agua desionizada durante cinco minutos a 45 grados centígrados. Retire la capa fotorresistente mediante un baño ultrasónico de acetona durante cinco minutos a 45 grados centígrados.

A continuación, limpie el sustrato colocándolo en un baño ultrasónico de alcohol isopropílico durante cinco minutos a 45 grados centígrados. Seque el sustrato con una pistola de nitrógeno comprimido. Para grabar el patrón de la máscara, primero cargue los sustratos de cuarzo limpios en un sistema de evaporación por haz de electrones de alto vacío.

Deposite la capa de cromo con una tasa de deposición de dos angstroms por segundo. Presione el botón de ventilación para ventilar la cámara. Monte una muestra en el haz de iones enfocados o en el soporte FIB utilizando cinta de cobre conductora.

A continuación, cargue el soporte FIB en la cámara FIB. Cierre la puerta de la cámara y presione el botón de la bomba para evacuar la cámara. Seleccione Beam On en la pestaña de control del haz y configure la corriente del haz de iones y el voltaje de aceleración para el modo FIB.

Encienda el sistema de haz de iones. Seleccione Haz activado en la pestaña de control de haz para activar el haz de electrones y enfocar la imagen con un aumento bajo mediante el software. A continuación, establezca la distancia de trabajo en cuatro milímetros en la pestaña de navegación en el modo de microscopio electrónico de barrido.

Establezca el ángulo de inclinación del soporte en 52 grados y tome las imágenes SEM con diferentes aumentos antes de la fabricación del patrón de máscara de matriz de orificios. En la pestaña de patrones, elija la región de patrones y cree una matriz de agujeros de 50 nanómetros en la capa de cromo. Después de terminar, apague los sistemas de haz de electrones y haz de iones y enfríelos.

Presione el botón de ventilación para ventilar la cámara con gas nitrógeno. Luego, saque el soporte de la cámara. A continuación, coloque el sustrato estampado en un cantador de óxido tamponado de uno a 10 durante cinco minutos.

Coloque el sustrato estampado en agua desionizada para limpiar el grabador de óxido tamponado. A continuación, seque la muestra con gas nitrógeno comprimido. Coloque el sustrato estampado en un grabador de cromo para eliminar la capa de máscara de cromo.

Finalmente, coloque el sustrato estampado en agua desionizada durante cinco minutos para limpiarlo. Presione el botón de ventilación del sistema de evaporación por haz de electrones y espere hasta que termine la ventilación. Luego, cargue el sustrato estampado en un sistema de evaporación por haz de electrones de alto vacío después de la ventilación.

Cierre la puerta de la cámara y evacúe la cámara presionando el botón de la bomba. Deposite la capa de plata con una tasa de crecimiento de un angstrom por segundo y deposite una capa de plata de 15 nanómetros de espesor. Después de la deposición de la capa de plata, enfríe el sustrato durante cinco minutos.

Cambie la bolsa del sistema de evaporación por haz de electrones eligiendo otro crisol y deposite la capa de óxido de titanio con una tasa de crecimiento de un angstrom por segundo. Luego, deposite una capa de óxido de titanio de 15 nanómetros de grosor. Después de la deposición de la capa de óxido de titanio, enfríe el sustrato durante cinco minutos.

Repita los pasos de deposición durante decenas de ciclos para depositar una multicapa de óxido de plata y titanio. Cambie la bolsa del sistema de evaporación por haz de electrones y deposite la capa de cromo a un espesor de 50 nanómetros. Después de la deposición de una capa de cromo, apague el sistema de evaporación por haz de electrones.

Presione el botón de ventilación y ventile la cámara introduciendo gas nitrógeno. Después de la ventilación, abra la puerta de la cámara y saque el soporte de montaje de la cámara. Retire el dispositivo de hiperlente fabricado.

A continuación, cierre la puerta de la cámara y evacúe la cámara pulsando el botón de la bomba. Monta la hiperlente depositada con cromo en el sistema de fresado FIB y diseña una estructura de tamaño nanométrico según las instrucciones del fabricante. A continuación, coloque un microscopio óptico convencional de tipo transmisión sobre la mesa óptica.

Conecte una fuente de luz blanca a la ruta de iluminación del microscopio mediante un adaptador. Coloque un filtro óptico de paso de banda centrado a 410 nanómetros. Seleccione una lente de objetivo de inmersión en aceite de alto aumento y use una cámara CCD de alta calidad para obtener las imágenes.

Coloque una gota de aceite de inmersión en la lente del objetivo. Por último, coloque una hiperlente en la platina de muestra y capture las imágenes. Aquí se muestra una hiperlente compuesta de multicapas de óxido de plata y titanio depositadas alternativamente.

La imagen transversal muestra que la película delgada multicapa de óxido de plata y titanio se deposita con un espesor uniforme sobre el sustrato de cuarzo hemisférico. Una hiperlente compuesta por plata y óxido de titanio tiene un gran rendimiento a una longitud de onda de 410 nanómetros porque la relación de dispersión de las multicapas apiladas tiene una curva de dispersión hiperbólica como se muestra aquí. Los componentes vectoriales de onda espacial alta pueden propagarse a lo largo de la dirección radial de la hiperlente.

Las características pequeñas que tienen componentes de alta frecuencia que no pueden ser capturadas por la óptica convencional pueden propagarse al campo lejano a través de la hiperlente según lo calculado por la simulación de elementos finitos. Después de la fabricación, la hiperlente se puede integrar al sistema de microscopio convencional, como se muestra en este esquema simple del sistema de imágenes de hiperlente. La hiperlente se coloca en la lente del objetivo.

Para la demostración de la hiperlente, se inscribe un patrón artificial en la superficie interna de la hiperlente. Los resultados muestran las imágenes capturadas a través de la hiperlente. Los tamaños de los espacios van desde los 160 nanómetros hasta los 180 nanómetros en cada caso.

Las características limitadas de subdifracción se resuelven y se puede confirmar el poder super-resolutivo de la hiperlente. El desarrollo de la hiperlente allanó el camino para la técnica de imagen de superresolución para explorar la maquinaria de biomoléculas de tamaño nanométrico y las nanopartículas inorgánicas. Después de ver este video, es posible que tenga una buena comprensión de cómo fabricar una hiperlente de alta calidad y la configuración de su propio sistema de imágenes de súper resolución.

Esperamos que la técnica de hiperlente mejore en practicidad mediante la adopción de un método de fabricación escalable y reproducible. La hiperlente permitirá a los científicos observar la dinámica biofísica que ocurre a escala nanométrica en tiempo real y trabajar como la próxima generación de imágenes de superresolución en diversas aplicaciones, como la biología, la ciencia médica, la ciencia de los materiales y la nanotecnología.