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

L’objectif général de cette procédure expérimentale est de démontrer le processus de fabrication et l’imagerie de sous-diffraction du dispositif hyperlentille bidimensionnel. Cette nouvelle technique d’imagerie à super-résolution présente les avantages de l’imagerie en temps réel et d’une mise en œuvre simple de l’optique conventionnelle. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de l’imagerie à super-résolution, telles que l’imagerie de cellules vivantes et de nanoparticules dynamiques en dessous de la limite de fraction.

L’hyperlentille est une lentille sphérique spéciale avec une structure multicouche ayant une dispersion hyperbolique plate qui prend en charge l’amplification des informations à haute fréquence et la résolution d’optiques similaires dans le champ lointain en temps réel. Le principal avantage de l’hyperlentille sphérique est qu’elle peut amplifier des informations bidimensionnelles à des fréquences visibles. Une hyperlentille sphérique peut également être facilement intégrée à la microscopie conventionnelle sans système complexe supplémentaire.

Dasol Lee et Inki Kim, qui sont des étudiants diplômés de mon laboratoire, feront la démonstration de la procédure. Pour commencer, enduisez la plaquette de quartz d’une photorésine positive à 2 000 tr/min et faites cuire pendant 60 secondes à 90 degrés Celsius. Ensuite, utilisez une machine à découper la gaufrette avec photorésine en petits morceaux de 20 par 20 millimètres carrés.

Soufflez les pièces à l’aide d’un pistolet à azote comprimé pour éliminer les particules résultant de l’étape de coupe. Ensuite, placez la plaquette coupée dans un bain ultrasonique d’eau déminéralisée pendant cinq minutes à 45 degrés Celsius. Retirez la couche de résine photosensible à l’aide d’un bain d’acétone à ultrasons pendant cinq minutes à 45 degrés Celsius.

Ensuite, nettoyez le substrat en le plaçant dans un bain à ultrasons d’alcool isopropylique pendant cinq minutes à 45 degrés Celsius. Séchez le support avec un pistolet à azote compressé. Pour graver le motif du masque, chargez d’abord les substrats de quartz propres dans un système d’évaporation par faisceau d’électrons sous vide poussé.

Déposez la couche de chrome avec un taux de dépôt de deux angströms par seconde. Appuyez sur le bouton de ventilation pour ventiler la chambre. Montez un échantillon sur le support de faisceau d’ions focalisés ou FIB à l’aide de ruban de cuivre conducteur.

Ensuite, chargez le support FIB dans la chambre FIB. Fermez la porte de la chambre et appuyez sur le bouton de la pompe pour évacuer la chambre. Sélectionnez Faisceau activé sous l’onglet de contrôle du faisceau et définissez le courant du faisceau ionique et la tension d’accélération pour le mode FIB.

Allumez le système de faisceau d’ions. Sélectionnez Faisceau activé sous l’onglet de contrôle du faisceau pour activer le faisceau d’électrons et faire la mise au point de l’image avec un faible grossissement à l’aide d’un logiciel. Ensuite, réglez la distance de travail à quatre millimètres sous l’onglet de navigation en mode microscope électronique à balayage.

Réglez l’angle d’inclinaison du support à 52 degrés et prenez les images MEB à différents grossissements avant la fabrication du motif de masque de perçage. Sous l’onglet Motifs, choisissez la région de motifs et créez un réseau de trous de 50 nanomètres sur la couche de chrome. Une fois que vous avez terminé, éteignez les systèmes de faisceaux d’électrons et de faisceaux d’ions et refroidissez-les.

Appuyez sur le bouton de ventilation pour ventiler la chambre avec de l’azote gazeux. Ensuite, sortez le support de la chambre. Ensuite, placez le substrat à motifs dans un à 10 agents de gravure à l’oxyde tamponnés pendant cinq minutes.

Mettez le substrat à motifs dans de l’eau déminéralisée pour nettoyer le mordançant à l’oxyde tamponné. Ensuite, séchez l’échantillon avec de l’azote gazeux comprimé. Placez le substrat à motifs dans un agent de gravure au chrome pour enlever la couche de masque de chrome.

Enfin, mettez le substrat à motifs dans de l’eau déminéralisée pendant cinq minutes pour le nettoyer. Appuyez sur le bouton d’évent du système d’évaporation par faisceau d’électrons et attendez que l’évent soit terminé. Ensuite, chargez le substrat à motifs dans un système d’évaporation par faisceau d’électrons sous vide poussé après l’évent.

Fermez la porte de la chambre et évacuez la chambre en appuyant sur le bouton de la pompe. Déposez la couche d’argent avec un taux de croissance d’un angström par seconde et déposez une couche d’argent de 15 nanomètres d’épaisseur. Après le dépôt de la couche d’argent, refroidissez le substrat pendant cinq minutes.

Changez la poche du système d’évaporation par faisceau d’électrons en choisissant un autre creuset et déposez la couche d’oxyde de titane avec un taux de croissance d’un angström par seconde. Ensuite, déposez une couche d’oxyde de titane de 15 nanomètres d’épaisseur. Après le dépôt de la couche d’oxyde de titane, refroidissez le substrat pendant cinq minutes.

Répétez les étapes de dépôt pendant des dizaines de cycles pour déposer une multicouche d’argent et d’oxyde de titane. Changez la poche du système d’évaporation par faisceau d’électrons et déposez la couche de chrome à une épaisseur de 50 nanomètres. Après le dépôt d’une couche de chrome, désactivez le système d’évaporation par faisceau d’électrons.

Appuyez sur le bouton de ventilation et aérez la chambre en introduisant de l’azote gazeux. Après l’évent, ouvrez la porte de la chambre et sortez le support de montage de la chambre. Retirez le dispositif hyperobjectif fabriqué.

Ensuite, fermez la porte de la chambre et évacuez la chambre en appuyant sur le bouton de la pompe. Montez l’hyperlentille déposée avec du chrome dans le système de fraisage FIB et modélisez une structure de taille nanométrique selon les instructions du fabricant. Ensuite, placez un microscope optique à transmission conventionnel sur la table optique.

Connectez une source de lumière blanche à la trajectoire d’éclairage du microscope à l’aide d’un adaptateur. Placez un filtre passe-bande optique centré à 410 nanomètres. Sélectionnez un objectif à immersion dans l’huile à fort grossissement et utilisez une caméra CCD de haute qualité pour obtenir les images.

Placez une goutte d’huile d’immersion sur l’objectif. Enfin, placez un hyperobjectif sur la platine d’échantillonnage et capturez les images. On voit ici une hyperlentille composée de multicouches d’argent et d’oxyde de titane déposées en alternance.

L’image en coupe transversale montre que la multicouche de film mince d’argent et d’oxyde de titane est déposée avec une épaisseur uniforme sur le substrat de quartz hémisphérique. Une hyperlentille composée d’argent et d’oxyde de titane a une grande performance à la longueur d’onde de 410 nanomètres car la relation de dispersion des multicouches empilées a une courbe de dispersion hyperbolique comme indiqué ici. Les composantes vectorielles à ondes spatiales élevées peuvent se propager le long de la direction radiale de l’hyperlentille.

Les petites caractéristiques ayant des composantes à haute fréquence qui ne peuvent pas être capturées par l’optique conventionnelle peuvent se propager au champ lointain à travers l’hyperlentille, comme calculé par simulation par éléments finis. Après la fabrication, l’hyperlentille peut être intégrée au système de microscope conventionnel, comme le montre ce schéma simple du système d’imagerie hyperlent. L’hyperlentille est placée sur la lentille de l’objectif.

Pour la démonstration de l’hyperlentille, un motif artificiel est inscrit sur la surface intérieure de l’hyperlentille. Les résultats montrent les images capturées à travers l’hyperlentille. Les tailles d’espace sont de 160 nanomètres à 180 nanomètres dans chaque cas.

Les caractéristiques limitées par la sous-diffraction sont résolues et le pouvoir de super-résolution de l’hyperlentille peut être confirmé. Le développement de l’hyperlentille a ouvert la voie à la technique d’imagerie à super-résolution pour explorer la machinerie des biomolécules de taille nanométrique et les nanoparticules inorganiques. Après avoir regardé cette vidéo, vous aurez peut-être une bonne compréhension de la fabrication d’un hyperobjectif de haute qualité et de la configuration de votre propre système d’imagerie à super-résolution.

Nous nous attendons à ce que la technique des hyperlentilles soit améliorée en termes pratiques en adoptant une méthode de fabrication évolutive et reproductible. L’hyperlentille permettra aux scientifiques d’observer la dynamique biophysique se produisant à l’échelle nanométrique en temps réel et de fonctionner comme la prochaine génération d’imagerie à super-résolution dans diverses applications telles que la biologie, les sciences médicales, la science des matériaux et la nanotechnologie.