Démonstration d’un Microscope intégré Hyperlens et Super-resolution Imaging

Summary

L’utilisation d’un hyperlens a été considérée comme une technique d’imagerie de Super-résolution roman en raison de ses avantages dans l’imagerie en temps réel et de sa mise en œuvre simple avec une optique classique. Nous présentons ici un protocole décrivant la fabrication et les applications d’un hyperlens sphérique de l’imagerie.

Abstract

L’utilisation de Super-resolution imaging pour contourner la limite de diffraction de microscopie conventionnelle a suscité l’intérêt des chercheurs en biologie et en nanotechnologie. Bien que superlenses et microscopie en champ proche ont amélioré la résolution dans la région de champ proche, lointain l’imagerie en temps réel reste un défi important. Récemment, le hyperlens, ce qui amplifie et transforme la propagation des ondes ondes évanescentes, est apparue comme une nouvelle approche pour l’imagerie grand champ. Nous rapportons ici la fabrication d’un hyperlens sphérique composée d’une alternance d’argent (Ag) et des couches minces de titane oxyde (TiO₂). Contrairement à un hyperlens cylindrique conventionnelle, la hyperlens sphérique permet de grossissement à deux dimensions. Ainsi, l’incorporation dans la microscopie conventionnelle est simple. Un nouveau système optique intégré avec le hyperlens est proposé, permettant une image secondaire de longueur d’onde d’obtenir dans la région de champ lointain en temps réel. Dans cette étude, la fabrication et les méthodes d’installation d’imagerie sont expliqués en détail. Cet ouvrage décrit également l’accessibilité et la possibilité de la hyperlens, ainsi que des applications pratiques de l’imagerie en temps réel dans les cellules vivantes, qui peut conduire à une révolution en biologie et en nanotechnologie.

Introduction

Un désir d’observer les molécules dans les cellules vivantes a conduit à l’invention de la microscopie et l’avènement de la microscopie propagées à la révolution de divers domaines, tels que la biologie, pathologie et sciences des matériaux, sur derniers siècles. Cependant, autre avancement de la recherche a été restreint par diffraction, qui limite la résolution des microscopes classiques à environ la moitié de la longueur d’onde¹. Donc, Super-resolution imaging pour contourner la limite de diffraction a été une zone de recherche intéressant au cours des dernières décennies.

Comme la limite de diffraction est attribuée à la perte des ondes évanescentes qui contiennent des informations de longueur d’onde secondaire sur les objets, les premières études ont été menées pour empêcher les ondes évanescentes de disparaître ou de les récupérer^2,3. Les efforts visant à surmonter la limite de diffraction a été pour la première fois avec la microscopie optique, qui recueille le champ évanescent à proximité immédiate de l’objet avant qu’il soit dissipée²contigu. Cependant, comme le balayage de la région de l’ensemble de l’image et à la reconstruction il prennent beaucoup de temps, il ne s’applique à l’imagerie en temps réel. Bien qu’une autre approche basée sur le « superlens », qui amplifie les ondes évanescentes, donne la possibilité de l’imagerie en temps réel, longueur d’onde sous imagerie n’est capable que dans la région de champ proche et qu’il ne peut pas dépasser les objets^{4, 5 , 6 , 7}.

Récemment, le hyperlens est apparu comme une nouvelle approche pour en temps réel champ lointain optique d’imagerie^8,9,10,11,12. Le hyperlens, qui est faite des métamatériaux hyperbolique fortement anisotrope¹³, présente une dispersion plat hyperbolique afin qu’il prend en charge l’information spatiale élevée avec la même vitesse de phase. En outre, en raison de la Loi de conservation d’élan, le wavevector transversale élevée est progressivement comprimé comme la vague passe par la géométrie cylindrique. Cette information agrandie peut ainsi être détectée par un microscope classique dans la région de champ lointain. C’est d’une importance particulière pour l’imagerie en temps réel de champ éloigné, car elle ne nécessite pas une reconstruction de balayage ou image point par point. En outre, le hyperlens peut être utilisé pour des applications autres que l’imagerie, y compris la nanolithographie. Lumière qui traverse le hyperlens dans le sens inverse se concentrera sur une zone de diffraction sous en raison de la symétrie de renversement du temps^14,15,16.

Ici, nous présentons un hyperlens sphérique qui magnifie les informations à deux dimensions à la fréquence visible. Contrairement à la géométrie cylindrique conventionnelle, la hyperlens sphérique magnifie objets dans deux dimensions latérales, facilitant des applications pratiques d’imagerie. Le procédé de fabrication et l’installation d’imagerie avec l’hyperlens sont présentés en détail pour la reproduction d’un hyperlens de haute qualité. Un objet secondaire de longueur d’onde est inscrit sur le hyperlens dans un souci de prouver son pouvoir de résolution super. Il est confirmé que petites caractéristiques des objets inscrits sont magnifiées par la hyperlens. Ainsi, clairement résolues images sont obtenues dans la région de champ lointain en temps réel. Ce nouveau type de hyperlens sphérique, avec sa facilité d’intégration avec la microscopie conventionnelle, offre la possibilité de pratiques applications d’imagerie, conduisant à l’aube d’une ère nouvelle en biologie et pathologie générale nanoscience.

Protocol

1. préparation du substrat

1. obtenir très sophistiquée des plaquettes de quartz. Pour la fabrication rapportée ici, utiliser une plaquette avec une épaisseur de 500 µm.
S
2. spin-manteau la gaufrette de quartz avec une photorésine positive à 2 000 tr/mn et cuire au four pendant 60 à 90 ° C.
   Remarque : La couche de résine photosensible positive est recouverte pour éviter les dommages lors de l’étape de découpe ultérieure.
3. Utiliser une machine de découpe pour couper la plaquette avec résine photosensible en petits morceaux de 20 x 20 mm ² taille.
4. Souffler l’aide d’un pistolet d’azote comprimé pour enlever les particules résultant de l’étape de la coupe.
5. Placer dans un bain à ultrasons dans l’eau désionisée (DI) pendant 5 min à 45 ° C. Retirer la couche de résine photosensible à l’aide d’un bain à ultrasons dans l’acétone pendant 5 min à 45 ° C. nettoyer le substrat à l’aide de deux bains à ultrasons, l’acétone et l’alcool isopropylique, chacun pendant 5 min à 45 ° C.
6. Sécher le substrat avec un fusil de l’azote comprimé.

2. Le modèle de masque de gravure

1. charge le nettoyage des substrats de quartz dans un électron de vide élevé faisceau système d’évaporation. Assurez-vous que la rotation du substrat est activée.
2. Déposer la couche de chrome avec un taux de dépôt de 2 Å/s.
   Remarque : Une couche d’au moins 100 nm d’épaisseur devrait être déposée pour le masque de la gravure éviter les piqûres de dépôts.
3. Appuyez sur le bouton de vent pour aérer la chambre et monter un échantillon sur le support de faisceau (FIB) ionique focalisé à l’aide de conduite ruban cuivre.
4. Charger le titulaire de la FIB dans la chambre de la FIB.
5. Fermer la porte de la chambre, puis appuyez sur le bouton de la pompe pour évacuer de la chambre de.
6. Sélectionnez " du faisceau sur " sous l’onglet contrôle de faisceau et l’ensemble de l’ion faisceau courant (7,7 AP) et la tension d’accélération (30 kV) pour le mode de la FIB.
7. Allumez le système de faisceau ionique.
8. Sélectionnez " du faisceau sur " sous l’onglet contrôle de faisceau pour activer le faisceau d’électrons et de concentrer l’image avec faible grossissement, à l’aide de logiciels.
9. Régler la distance de travail (WD) à 4 mm sous l’onglet de navigation en mode microscope électronique à balayage (MEB).
10. Régler l’angle d’inclinaison du titulaire à 52° et prendre des images de la SEM à différents grossissements avant fabrication de modèle trou tableau masque.
11. Sous l’onglet motifs, choisissez la région de structuration et de faire un tableau de trou 50 nm sur la couche de chrome.
    Remarque : Il y a simple répétition d’outils accessibles sous l’onglet motifs. Contrôle de géométrie et de l’exposition plus complexe peut être atteint par importation d’images bitmap ou générer des scripts de.
12. Après avoir terminé, éteindre le faisceau d’électrons et faisceau d’ions systèmes et refroidir le système.
13. Appuyez sur le bouton de l’évent et aérer la chambre à l’azote. Le titulaire de la sortir de la chambre.
14. Fermer la porte de la chambre et évacuer la chambre en appuyant sur le bouton de la pompe.

3. Wet-eau-forte processus et enlèvement de la couche de masque

1. mettre le substrat à motifs en 01:10 buffered oxide etchant pendant 5 min.
   Remarque : Le quartz est sélectivement et isotrope humide-gravé par le gel de mordançage et forme une forme sphérique. La forme de la lentille peut être obtenue avec le masque de la gravure et le diamètre est contrôlé avec précision lors de la gravure. Une meilleure forme sphérique peut être formée avec un diamètre plus petit de modèle. Un hémisphère 1,5 µm de diamètre peut être obtenu au sein de 5 min.
2. Mettre le substrat à motifs dans l’eau distillée pour nettoyer le gel de mordançage oxyde tamponné (5 min, deux fois).
   NOTE : Oxyde tamponné etchant peut être dangereux, alors soyez prudent lorsque vous utilisez ce gel de mordançage.
3. Sécher l’échantillon à l’azote comprimé.
4. Mettre le substrat à motifs en CR-7 chromium etchant pour enlever la couche de masque chrome.
   NOTE : Après avoir enlevé la couche de chrome, un substrat à motifs sphériques 1.5 de µm de diamètre peut être obtenue.
5. Mettre le substrat à motifs dans l’eau distillée pour le nettoyer (5 min).

4. Dépôts multicouches et taille Nano objet Inscription

Remarque : une paire de couches sont déposées sur le substrat de quartz sphériques. Ici, Ag et TiO ₂ sont utilisées comme les matériaux de dépôts. AG et TiO ₂ sont déposés en alternance sur une épaisseur de 15 nm.

1. Appuyez sur le bouton de vent de la système d’évaporation de faisceau électronique et attendre que le vent dépasse.
2. Charger le substrat à motifs dans un système d’évaporation sous vide électron faisceau après l’évent.
3. Fermer la porte de la chambre et évacuer la chambre à un degré de vide de 10 ^-7 Torr en appuyant sur le bouton de la pompe.
   Remarque : L’état de vide doit être maintenue à 10 ^-7 Torr à réduire la dispersion de la rugosité de surface.
4. Déposer la couche Ag avec un taux de croissance de 1 Å / s et dépôt, une couche de Ag nm d’épaisseur 15.
5. Après la déposition de la couche de Ag, refroidir le substrat pendant 5 min.
6. Changer la poche de la système d’évaporation de faisceau électronique en choisissant un autre creuset et déposer la couche de ₂ TiO avec un taux de croissance de 1 Å/s. dépôt, une couche de ₂ TiO nm d’épaisseur 15.
   Remarque : Au cours du processus de dépôt, le taux de croissance de film est maintenu bas pour maintenir l’uniformité de la rugosité de surface.
7. Après la déposition de la couche de ₂ TiO, refroidir le substrat pendant 5 min.
8. Répéter les étapes 4.4 à 4.7 pour des dizaines de cycles à déposer une multicouche de Ag et TiO ₂.
   Remarque : À ce stade, la fabrication de hyperlens est au-dessus. La prochaine étape est de faire une fonction arbitraire de sous-sous-diffraction-limited pour tester la hyperlens capacité d’imagerie. Ouvertures de taille nanométrique et fentes sont inscrits par fraisage FIB.
9. Changer la poche de la système d’évaporation de faisceau électronique et déposer la couche de chrome sur une épaisseur de 50 nm.
10. Après la déposition d’une couche de Cr, éteindre le système d’évaporation de faisceau électronique. Appuyez sur le bouton d’évacuation et d’aérer la chambre en introduisant l’azote gazeux.
11. Après l’évent, ouvrir la porte de la chambre et le support a sortir de la chambre. Enlever le dispositif fabriqué hyperlens.
12. Fermer la porte de la chambre et évacuer la chambre en appuyant sur le bouton de la pompe.
13. Monter les hyperlens déposés avec du chrome dans le FIB système de fraisage et une structure de taille nanométrique, par le fabricant de mires ' instructions de s.

5. Configuration le du système d’imagerie et la procédure d’imagerie

1. Place un classique-type de transmission optique microscope sur la table optique.
   NOTE : Ici, un microscope optique inversé a été utilisé comme le principal organe.
2. Se connecter à une source de lumière blanche vers le chemin d’illumination de microscope à l’aide d’un adaptateur.
3. Placer un filtre optique passe-bande centré à 410 nm.
   Remarque : Le filtre passe-bande sélectivement pénètre la longueur d’onde spécifique de la lumière ; ici, les 410 nm voyant est allumé sur l’échantillon. Une hyperlens consistant en Ag et TiO ₂ a haute performance à une longueur d’onde nm 410. Le résultat de la simulation ( Figure 2c) indique les performances de l’hyperlens, qui satisfait la relation de dispersion hyperbolique à 410 lumière nm.
4. Sélectionner un objectif à immersion dans l’huile-fort grossissement. Utiliser une caméra CCD de haute qualité pour obtenir les images.
   Remarque : Ce paramètre optique met juste l’interdictiondpass filtrer dans le chemin de lumière éclairage à trier à la lumière de longueur d’onde 410 nm. Une longueur d’onde spécifique de la lumière peut être éclairée sur l’échantillon sans utiliser de lumière blanche, mais dans un laboratoire normal, microscopes optiques peuvent avoir une source de lumière blanche pour l’observation d’échantillons à travers le champ lumineux ou en imagerie de fluorescence.
5. Déposer une goutte d’huile à immersion sur la lentille de l’objectif. Placez un hyperlens sur les images de scène et capture d’exemple.
   Remarque : Les objets de taille nanométrique inscrits sur la surface intérieure de la hyperlens peuvent être éclairées à 410 nm. Avec les hyperlens, les objets de taille nanométrique seront être grossies et capturés par l’objectif et photographiés par la caméra CCD.

Results

La capacité de l’appareil de hyperlens pour résoudre les caractéristiques secondaires de diffraction repose sur son uniformité et une fabrication de haute qualité. Ici, un hyperlens est composé d’une multicouche de Ag et TiO₂ déposés en alternance. Figure 2 a montre l’image de SEM d’un hyperlens bien fait¹⁷. L’image coupe transversale montre que le multicouche d’Ag et Ti₃O₅ film mince est déposé avec un...

Discussion

La fabrication d’un hyperlens comporte trois étapes majeures : définissant la géométrie hémisphérique dans le substrat de quartz grâce à un processus de gravure humide, empiler les multicouches métalliques et diélectriques à l’aide d’un système d’évaporation électron faisceau et inscrivant le objet sur le calque de Cr. L’étape la plus importante est la deuxième, car il peut affecter considérablement la qualité de la hyperlens. Dans le procédé de dépôt de couche mince, il y a deux conditions qui nécessitent des soins spéc...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fraiseuse à faisceau d’ions focalisés	FEI	Helios Nanolab G3 CX
Système d’évaporation par faisceau d’électrons	Electrique à balayage Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
Hitachi		SU6600
Microscopie inversée	Zeiss	Axiovert 200
Source lumineuse	EXCELITAS Technologies	X-Cite 110 LED
Filtre passe-bande	Chroma	ET405/30M
Objectif	Zeiss	Plan-Apochromat	NA=1.3, Caméra CCD 100X
	Andor	Zyla 4.2
Plaquette	de quartz CORNING	Silice fondue Corning 7980
Tampon d’oxyde de mordançage	J.T Baker TM	J.T.Baker 5175
Photoresist	AZ electronic matériaux	GXR-601 PR
Agent de gravure au chrome	SIGMA-ALDRICH	651826
Aceton	J.T Baker TM	UN1090
Alcool isopropylique	J.T Baker TM	UN1219
Outil de simulation FEM	COMSOL 5.1 Multiphysics