הפגנה של מיקרוסקופ משולבת Hyperlens וכן הדמיה ברזולוציה סופר

המטרה הכללית של הליך ניסיוני זה היא להדגים את תהליך הייצור והדימות התת-דיפרקטיבי של התקן ההיפר-עדשה (hyperlens) דו-ממדי. לטכניקת דימות רזולוציה-עילאית חדשנית זו יש יתרונות של דימות בזמן אמת ויישום פשוט באופטיקה קונבנציונלית. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום הדימות ברזולוציה-עילאית, כגון דימות של תאים חיים וננו-חלקיקים דינמיים מתחת למגבלת הדיפרקציה.

ההיפר-עדשה (hyperlens) היא עדשה כדורית מיוחדת בעלת מבנה רב-שכבתי עם פיזור היפרבולי שטוח, התומך בהגדלה של מידע בתדרים גבוהים וברזולוציה של אופטיקה דומה בשדה הרחוק בזמן אמת. היתרון המרכזי של ההיפר-עדשה הכדורית הוא יכולתה להגדיל מידע דו-ממדי בתדרים נראים. ניתן לשלב היפר-עדשה כדורית בקלות במיקרוסקופיה קונבנציונלית ללא צורך במערכת מורכבת נוספת.

את הפרוצדורה ידגימו Dasol Lee ו-Inki Kim, סטודנטים לתואר מתקדם במעבדה שלי. לתחילת הדברים, בצעו ציפוי ספין (spin coat) של פרוטורזיסט חיובי על גבי פרוסת קוורץ במהירות של 2,000 rpm ואפּו למשך 60 שניות בטמפרטורה של 90 °C. לאחר מכן, השתמשו במכונת חיתוך (dicing machine) כדי לחתוך את הפרוסה עם הפוטורזיסט לחתיכות קטנות בגודל של 20 על 20 ריבועים של מילימטרים.

נשפו את החלקים באמצעות אקדח חנקן דחוס כדי להסיר חלקיקים שנוצרו בשלב החיתוך. לאחר מכן, הניחו את הפרוסה החתוכה בתוך אמבט אולטרסוני של מים דאיוניים למשך חמש דקות בטמפרטורה של 45 °C. הסירו את שכבת הפוטורזיסט באמצעות אמבט אולטרסוני של אצטון למשך חמש דקות בטמפרטורה של 45 °C.

לאחר מכן, נקה את התשתית על ידי הנחתה באמבט אולטרסוני של isopropyl alcohol למשך חמש דקות בטמפרטורה של 45 °C. ייבש את התשתית באמצעות אקדח חנקן דחוס. כדי לתחריט את תבנית המסכה, טען תחילה את תשתיות הקוורץ הנקיות למערכת אידוי באלומה אלקטרונית בוואקום גבוה.

שקיעו את שכבת הכרום בקצב השקיעה של two angstroms per second. לחצו על כפתור ה-vent כדי לשחרר את הוואקום בתא. רכבו דגימה על תומך ה-Focused Ion Beam או ה-FIB באמצעות סרט נחושת מוליך.

לאחר מכן, הכניסו את מחזיק ה-FIB לתא ה-FIB. סגרו את דלת התא ולחצו על כפתור השאיבה כדי לרוקן את התא מהאוויר. בחרו ב-Beam On תחת לשונית בקרת האלומה (beam control) והגדירו את זרם אלומה היונים ואת מתח ההאצה עבור מצב FIB.

הפעל את מערכת קרן היונים. בחר ב-Beam On תחת לשונית בקרת הקרן כדי להפעיל את קרן האלקטרונים, ומקד את התמונה בהגדלה נמוכה באמצעות התוכנה. לאחר מכן, הגדר את מרחק העבודה לארבעה מילימטרים תחת לשונית הניווט במצב מיקרוסקופ אלקטרונים סורק.

כוון את זווית ההטיה של המחזיק ל-52 מעלות ודגום תמונות SEM בהגדלות שונות לפני ייצור תבנית מערך החורים. תחת לשונית ה-patterning, בחר את אזור התבנית וצור מערך חורים של 50 nanometer על שכבת הכרום. עם הסיום, כבה את מערכות קרן האלקטרונים וקרן היונים וקרר אותן.

לחץ על כפתור הנישוף (vent) כדי לנשוף חנקן לגוף התא. לאחר מכן, הוצא את המחזיק מהתא. בשלב הבא, הנח את המצע עם התבנית בתוך תמיססת תחמוצת בבפר (buffered oxide etchant) בריכוז של 1:10 למשך חמש דקות.

הנח את הת substrat בעל התבנית למים דה-יוניים כדי לנקות את ה-buffered oxide etchant. לאחר מכן, ייבש את הדגימה באמצעות גז חנקן דחוס. הנח את ה-substrat בעל התבנית לתוך תמיסת הטיפה (etchant) של כרום כדי להסיר את שכבת מסיכת הכרום.

לבסוף, הכניסו את התשתית המודפסת למים דה-יוניים למשך חמש דקות לצורך ניקוי. לחצו על כפתור האוורור (vent) של מערכת האידוי באלומה אלקטרונית והמתינו עד לסיום תהליך האוורור. לאחר מכן, טענו את התשתית המודפסת לתוך מערכת אידוי באלומה אלקטרונית בוואקום גבוה.

סגרו את דלת התא ובצעו ריקום של התא על ידי לחיצה על כפתור המשאבה. השקיעו את שכבת הכסף בקצב גדילה של 1 angstrom לשנייה, עד להשקה של שכבת כסף בעובי 15 nanometer. לאחר השקעת שכבת הכסף, קררו את התשתית למשך חמש דקות.

החליפו את התא במערכת האידוי באלומה אלקטרונית על ידי בחירת כור היתוך אחר, והשקיעו שכבת טיטניום תחמוצת בקצב גידול של אנגסטרם אחד לשנייה. לאחר מכן, השקיעו שכבת טיטניום תחמוצת בעובי של 15 ננומטר. לאחר השקעת שכבת הטיטניום תחמוצת, קררו את המצע למשך חמש דקות.

חזור על שלבי השקיעה למשך עשרות מחזורים כדי להשקיע שכבה רב-שכבתית של כסף ותיטניום תחמוצה. החלף את הכריכה (pocket) של מערכת השקיעה בקרן אלקטרונים והשקיע את שכבת הכרום בעובי של 50 nanometers. לאחר השקיעת שכבת הכרום, כבה את מערכת השקיעה בקרן אלקטרונים.

לחצו על כפתור השחרור (vent) ושחררו את הלחץ בתא על ידי הזרקת גז חנקן. לאחר השחרור, פתחו את דלת התא והוציאו את מחזיק התושבת מהתא. הסירו את התקן ההיפר-עדשה (hyperlens) שהוכנה.

לאחר מכן, סגרו את דלת התא ורוקנו את האוויר מהתא על ידי לחיצה על כפתור המשאבה. התקינו את ה-hyperlens שעליו הטרספ chromium במערכת ה-FIB milling וצרו תבנית של מבנה בננו-מטרים לפי הנחיות היצרן. לאחר מכן, הניחו מיקרוסקופ אופטי קונבנציונלי מסוג תמסירה (transmission) על השולחן האופטי.

חברו מקור אור לבן למסלול ההארה של המיקרוסקופ באמצעות מתאם. הניחו מסנן חסימה אופטי (bandpass filter) המרוכז ב-410 ננומטר. בחרו עדשה אובייקטיבית עם הגדלה גבוהה המותאמת לטבילה בשמן והשתמשו במצלמת CCD באיכות גבוהה כדי לקבל את התמונות.

יש להניח טיפה של שמן טבילה על עדשת העדשה. לבסוף, יש להניח hyperlens על במת הדגימה וללכוד את התמונות. מוצג כאן hyperlens המורכב משכבות רב-שכבתיות של כסף ותיטניום אוקסיד שהורספו לסירוגין.

התמונה בחתך רוחב מראה כי השכבה המרובת של סרט דק של כסף ותיטניום תחמוצה הופקדה בעובי אחיד על מצע הקוורץ ההמיספרי. להיפר-עדשה המורכבת מכסף ותיטניום תחמוצה ביצועים גבוהים באורך גל של 410 nanometers כיוון שקשר הפיזור של השכבות המרובות המונחות זו על זו הוא בעל עקומת פיזור היפרבולית, כפי שמוצג כאן. רכיבים בעלי וקטור גל מרחבי גבוה יכולים להתפשט לאורך הכיוון הרדיאלי של ההיפר-עדשה.

מאפיינים קטנים בעלי רכיבי תדר גבוה, אשר אינם ניתנים ללכידה באמצעות אופטיקה קונבנציונלית, יכולים להתפשט לשדה הרחוק דרך ההיפר-עדשה (hyperlens), כפי שחושב באמצעות סימולציית אלמנטים סופיתים. לאחר הייצור, ניתן לשלב את ההיפר-עדשה במערכת מיקרוסקופ קונבנציונלית, כפי שמוצג בסכימה פשוטה זו של מערכת ההדמיה של ההיפר-עדשה. ההיפר-עדשה ממוקמת על עדשת העצם.

להדגמת ה-hyperlens, תבנית מלאכותית נחרטה על פני השטח הפנימיים של ה-hyperlens. התוצאות מציגות את התמונות שנקלטו דרך ה-hyperlens. גדלי הרווחים הם בין 160 nanometers ל-180 nanometers בכל מקרה.

המאפיינים המוגבלים מתחת לסף הדיפרקציה נפתרים, וניתן לאשש את כושר ההרזולוציה-העליונה של ההיפר-עדשה (hyperlens). פיתוח ההיפר-עדשה סלל את הדרך לטכניקות דימוי ברזולוציה-עליונה לצורך חקר מכניקת ביו-מולקולות בננו-סדר וננו-חלקיקים אנאורגניים. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי אופן הייצור של היפר-עדשה באיכות גבוהה והקמה של מערכת דימוי ברזולוציה-עליונה משלכם.

אנו מצפים כי טכניקת ההיפר-לנס (hyperlens) תשתפר מבחינה מעשית באמצעות אימוץ שיטת ייצור ניתנת להרחבה ולשחזור. ההיפר-לנס תאפשר למדעים לצפות בדינמיקה ביופיזית המתרחשת בקנה מידה ננומטרי בזמן אמת, ותשמש כדור הבא של דימות ברזולוציה-על ביישומים שונים כגון ביולוגיה, מדעים רפואיים, מדע החומרים וננוטכנולוגיה.