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 por debajo del límite de difracción del dispositivo hiperlente bidimensional. Esta novedosa técnica de imágenes de superresolución presenta las ventajas de permitir imágenes en tiempo real y una implementación sencilla en óptica convencional. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la imagenología de superresolución, como la visualización de células vivas y nanopartículas dinámicas por debajo del límite de resolución.

La hiperylente es una lente esférica especial con estructura multicapa que presenta una dispersión hiperbólica plana, capaz de amplificar información de alta frecuencia y resolver ópticas similares en campo lejano en tiempo real. La principal ventaja de la hiperylente esférica es que puede amplificar información bidimensional a frecuencias visibles. Una hiperylente esférica también puede integrarse fácilmente a la microscopía convencional sin necesidad de sistemas adicionales complejos.

El procedimiento será demostrado por Dasol Lee e Inki Kim, quienes son estudiantes de posgrado de mi laboratorio. Para comenzar, aplique por centrifugado el sustrato de cuarzo con una resina fotosensible positiva a 2,000 rpm y hornee durante 60 segundos a 90 grados Celsius. Luego, utilice una máquina cortadora para dividir el sustrato con la resina fotosensible en pequeños trozos de 20 por 20 milímetros cuadrados de tamaño.

Sople las piezas con una pistola de nitrógeno comprimido para eliminar cualquier partícula resultante del corte. A continuación, coloque la oblea cortada en un baño ultrasónico de agua desionizada durante cinco minutos a 45 grados Celsius. Retire la capa de fotoresina mediante un baño ultrasónico de acetona durante cinco minutos a 45 grados Celsius.

Luego, limpie el sustrato colocándolo en un baño ultrasónico de alcohol isopropílico durante cinco minutos a 45 grados Celsius. 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 velocidad de deposición de dos angstroms por segundo. Presione el botón de ventilación para ventilar la cámara. Monte una muestra en el portaobjetos de haces de iones enfocados o FIB utilizando cinta de cobre conductora.

Luego, cargue el portaobjetos de FIB en la cámara de FIB. Cierre la puerta de la cámara y presione el botón de bombeo para evacuar la cámara. Seleccione Activar haz en la pestaña de control del haz y ajuste la corriente del haz iónico y el voltaje de aceleración para el modo FIB.

Encienda el sistema de haz de iones. Seleccione "Haz activado" en la pestaña de control del haz para encender el haz de electrones y enfoque la imagen con baja magnificación utilizando el software. Luego, establezca la distancia de trabajo en cuatro milímetros en la pestaña de navegación en el modo de microscopio electrónico de barrido.

Configure el ángulo de inclinación del portador a 52 grados y obtenga imágenes de MEB a diferentes aumentos antes de la fabricación del patrón de máscara de matriz de orificios. En la pestaña de patrones, seleccione la región de patrones y cree una matriz de orificios de 50 nanómetros en la capa de cromo. Una vez finalizado, apague los sistemas de haz de electrones y haz de iones y déjelos enfriar.

Presione el botón de ventilación para ventilar la cámara con gas nitrógeno. Luego, saque el portador de la cámara. A continuación, coloque el sustrato con el patrón en uno a 10 de etchant de óxido amortiguado durante cinco minutos.

Coloque el sustrato con patrón en agua desionizada para limpiar el grabador bufferizado de óxido. Luego, seque la muestra con gas nitrógeno comprimido. Coloque el sustrato con patrón en el grabador de cromo para eliminar la capa de máscara de cromo.

Finalmente, coloque el sustrato con el patrón 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 finalice la ventilación. Luego, cargue el sustrato con el patrón 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 pulsando el botón de la bomba. Deposite la capa de plata con una velocidad de crecimiento de un angstrom por segundo y forme una capa de plata de 15 nanómetros de espesor. Tras la deposición de la capa de plata, enfríe el sustrato durante cinco minutos.

Cambie el crisol del sistema de evaporación por haz de electrones seleccionando otro crisol y deposite la capa de óxido de titanio con una tasa de crecimiento de un angstrom por segundo. A continuación, deposite una capa de óxido de titanio de 15 nanómetros de espesor. Después del depósito 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 plata y óxido de titanio. Cambie el bolsillo del sistema de evaporación por haz de electrones y deposite la capa de cromo con un espesor de 50 nanómetros. Tras la deposición de la capa de cromo, apague el sistema de evaporación por haz de electrones.

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

A continuación, cierre la puerta de la cámara y evacúe la cámara presionando el botón de la bomba. Monte el hiperlente depositado con cromo en el sistema de mecanizado por haces iónicos (FIB) y elabore una estructura de tamaño nanométrico siguiendo las instrucciones del fabricante. A continuación, coloque un microscopio óptico convencional de tipo transmisión sobre la mesa óptica.

Conecte una fuente de luz blanca al camino de iluminación del microscopio utilizando un adaptador. Coloque un filtro óptico de paso de banda centrado a 410 nanómetros. Seleccione una lente objetiva de inmersión en aceite con alto aumento y utilice una cámara CCD de alta calidad para obtener las imágenes.

Coloque una gota de aceite de inmersión sobre el objetivo. Finalmente, coloque una hipelente en la platina de la muestra y capture las imágenes. Aquí se muestra una hipelente compuesta por capas múltiples alternadas de plata y óxido de titanio.

La imagen de sección transversal muestra que el multilayer de película delgada de plata y óxido de titanio se deposita con un espesor uniforme sobre el sustrato de cuarzo hemisférico. Una hiperlente compuesta de plata y óxido de titanio tiene un excelente rendimiento a la longitud de onda de 410 nanómetros porque la relación de dispersión de los multilayers apilados presenta una curva de dispersión hiperbólica como se muestra aquí. Las componentes del vector de onda con alta frecuencia espacial pueden propagarse a lo largo de la dirección radial de la hiperlente.

Las pequeñas características que tienen componentes de alta frecuencia, los cuales no pueden ser capturados por óptica convencional, pueden propagarse al campo lejano a través de la hiperlente, como se calculó mediante simulación por elementos finitos. Después de la fabricación, la hiperlente puede integrarse al sistema convencional de microscopio, como se muestra en este esquema simple del sistema de imagen de hiperlente. La hiperlente se coloca sobre la lente objetivo.

Para la demostración del hiperlente, se graba un patrón artificial en la superficie interna del hiperlente. Los resultados muestran las imágenes capturadas a través del hiperlente. Los tamaños de separación oscilan entre 160 nanómetros y 180 nanómetros en cada caso.

Se resuelven las características subdifractivas y se puede confirmar la capacidad de superresolución de la hiperlente. El desarrollo de la hiperlente allanó el camino para que la técnica de imagen de superresolución explore maquinarias de biomoléculas a nanoescala y nanopartículas inorgánicas. Después de ver este video, es posible que tenga una buena comprensión de cómo fabricar una hiperlente de alta calidad y configurar su propio sistema de imagen de superresolución.

Se espera que la técnica del hiperylente mejore en cuanto a practicidad mediante la adopción de un método de fabricación escalable y reproducible. El hiperylente permitirá a los científicos observar en tiempo real la dinámica biofísica que ocurre a nanoescala y funcionará como una imagen de superresolución de próxima generación en diversas aplicaciones como la biología, la ciencia médica, la ciencia de materiales y la nanotecnología.