Articolo metodologico

Dimostrazione di un microscopio Hyperlens-integrato e super-resolution Imaging

DOI:

10.3791/55968

⸱

8 settembre 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, 3Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L'uso di un hyperlens è stato considerato come una tecnica di imaging ad alta super-risoluzione romanzo a causa di suoi vantaggi nella formazione immagine in tempo reale e la sua attuazione semplice con ottiche convenzionali. Qui, presentiamo un protocollo che descrive la fabbricazione e applicazioni di un hyperlens sferica di imaging.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L'uso di Super-risoluzione imaging per superare il limite di diffrazione di microscopia convenzionale ha attirato l'interesse dei ricercatori nella biologia e nella nanotecnologia. Anche se superlenses e microscopia a scansione a campo hanno migliorato la risoluzione della regione di campo vicino, far field imaging in tempo reale resta una sfida significativa. Recentemente, il hyperlens, che ingrandisce e converte le onde evanescenti in propagazione delle onde, è emerso come un nuovo approccio all'imaging di campo lontano. Qui, segnaliamo la realizzazione di un hyperlens sferica composto di argento (Ag) e strati sottili di titanio (TiO2) ossido alternati. A differenza di un convenzionale hyperlens cilindrici, il hyperlens sferica permette ingrandimento bidimensionale. Così, l'inserimento nella microscopia convenzionale è semplice. È proposto un nuovo sistema ottico integrato con il hyperlens, permettendo per un'immagine di sub-lunghezza d'onda per essere ottenuto nella regione di campo lontano in tempo reale. In questo studio, la fabbricazione e i metodi di installazione imaging sono spiegati in dettaglio. Questo lavoro descrive anche l'accessibilità e la possibilità dell'hyperlens, così come le applicazioni pratiche di formazione immagine in tempo reale in cellule viventi, che può portare a una rivoluzione nella biologia e nella nanotecnologia.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Un desiderio di osservare biomolecole in cellule viventi ha condotto all'invenzione del microscopio, e l'avvento della microscopia propagato la rivoluzione di vari campi, quali biologia, patologia e scienza dei materiali, negli ultimi secoli. Tuttavia, ulteriore avanzamento della ricerca è stata limitata dalla diffrazione, che limita la risoluzione dei microscopi convenzionali a circa metà della lunghezza d'onda1. Super-resolution imaging per superare il limite di diffrazione è stato, quindi, un'interessante area di ricerca negli ultimi decenni.

Come il limite di diffrazione è attribuito alla perdita delle onde evanescenti che contengono informazioni sugli oggetti di sub-lunghezza d'onda, i primi studi sono stati condotti per impedire che le onde evanescenti scomparendo o recuperarli2,3. Lo sforzo per superare il limite di diffrazione in primo luogo è stato segnalato con microscopia ottica a scansione, che raccoglie il campo evanescente nella prossimità vicina all'oggetto prima che sia dissipata2near field. Tuttavia, come la regione intera immagine di scansione e ricostruendolo richiede molto tempo, non può essere applicato a imaging in tempo reale. Anche se un altro approccio basato sulla "superlente," che amplifica le onde evanescenti, fornisce la possibilità di formazione immagine in tempo reale, imaging di sub-lunghezza d'onda è in grado solo nella regione di campo vicino e non può raggiungere ben oltre gli oggetti4, 5 , 6 , 7.

Recentemente, il hyperlens è emerso come un nuovo approccio al tempo reale campo lontano optical imaging8,9,10,11,12. Il hyperlens, che è fatta di metamateriali iperbolico altamente anisotropo13, esibisce una dispersione piano iperbolica modo che supporta alta informazione territoriale con la stessa velocità di fase. Inoltre, a causa della legge di conservazione di quantità di moto, l'alta wavevector trasversale è gradualmente compresso come l'onda passa attraverso la geometria cilindrica. Queste informazioni ingrandite, pertanto, possono essere rilevate da un microscopio convenzionale della regione di campo lontano. Questo è di particolare importanza per la formazione immagine in tempo reale campo lontano, come non richiede alcuna ricostruzione di scansione o immagine punto per punto. Inoltre, la hyperlens può essere utilizzato per applicazioni diverse da formazione immagine, compreso nanolitografia. Luce che passa attraverso la hyperlens in direzione inversa sarà focalizzata su un'area sub-diffrazione dovuto la simmetria di inversione temporale14,15,16.

Qui, segnaliamo su un hyperlens sferica che ingrandisce bidimensionale informazioni alla frequenza visibile. A differenza dei convenzionale geometria cilindrica, il hyperlens sferica ingrandisce gli oggetti in due dimensioni laterali, facilitando le pratiche applicazioni di imaging. Il metodo di fabbricazione e installazione di imaging con la hyperlens sono presentati in dettaglio per la riproduzione di un hyperlens di alta qualità. Un oggetto di sub-lunghezza d'onda è incisa sul hyperlens per il bene di dimostrare il suo potere di super-risoluzione. È confermato che piccole caratteristiche di oggetti inscritti vengono ingranditi dalla hyperlens. Così, chiaramente risolti immagini sono ottenute nella regione di campo lontano in tempo reale. Questo nuovo tipo di hyperlens sferica, con la sua facilità di integrazione con microscopia convenzionale, offre la possibilità di pratiche applicazioni di imaging, che conduce all'alba di una nuova era in biologia e patologia generale nanoscienza.

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Protocollo

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1. preparazione del substrato

  1. ottenere altamente raffinati wafer di quarzo. Per la fabbricazione segnalata qui, utilizzare un wafer con uno spessore di 500 µm.
  2. Spin-cappotto la cialda di quarzo con un photoresist positivo a 2.000 giri/min ed infornare per 60 s a 90 ° C.
    Nota: Lo strato di photoresist positivo è rivestito per evitare danni durante la fase di taglio successive.
  3. Utilizzare un Affettatrici per tagliare la cialda con photoresist in piccoli pezzi 20 x 20 mm 2 in formato.
  4. Colpo usando una pistola di azoto compresso per rimuovere particelle risultanti dalla fase di taglio.
  5. Posto in un bagno ad ultrasuoni in acqua deionizzata (DI) per 5 min a 45 ° C. Rimuovi lo strato di photoresist utilizzando un bagno ad ultrasuoni in acetone per 5 min a 45 ° C. pulire il substrato utilizzando due bagni ad ultrasuoni, acetone e alcool isopropilico, ciascuno per 5 min a 45 ° C.
  6. a secco il substrato con una pistola di azoto compresso.

2. Acquaforte lo schema della maschera

  1. carico la pulizia substrati di quarzo in un elettrone ad alto vuoto sistema di evaporazione del fascio. Assicurarsi che sia attivata la rotazione substrato.
  2. Depositare lo strato di cromo con una velocità di deposizione di 2 Å/s.
    Nota: Uno strato di almeno 100 nm di spessore dovrebbe essere depositato per la maschera di incisione evitare fori realizzati dalla deposizione.
  3. Premere il pulsante di ventilazione di sfogare la camera e montare un campione sul titolare del beam (FIB) ionico focalizzato mediante lo svolgimento di nastro di rame.
  4. Caricare titolare del FIB nella camera di FIB.
  5. Chiudere lo sportello e premere il pulsante della pompa per evacuare la camera.
  6. Selezionare " trave su " sotto la scheda di controllo del fascio e insieme lo ione fascio corrente (7,7 pA) e tensione di accelerazione (30 kV) per la modalità di FIB.
  7. Accendere il sistema del fascio ionico.
  8. Selezionare " trave su " sotto la scheda di controllo del fascio per attivare il fascio di elettroni e mettere a fuoco l'immagine con basso ingrandimento utilizzando software.
  9. Impostare la distanza di lavoro (WD) a 4 mm sotto la scheda di navigazione in modalità microscopio elettronico a scansione (SEM).
  10. Impostare l'angolo di inclinazione del titolare a 52° e prendere le immagini di SEM a diversi ingrandimenti prima foro matrice maschera modello fabrication.
  11. Sotto la scheda di patterning, scegliete la regione di campitura e fare una serie di fori di nm 50 sullo strato di cromo.
    Nota: Ci sono semplici patterning strumenti accessibili sotto la scheda di campitura. Controllo geometria e l'esposizione più complesso può essere realizzato mediante l'importazione di immagini bitmap o generazione di script.
  12. Dopo aver terminato, spegnere il fascio di elettroni e il fascio di ioni sistemi e raffreddare il sistema.
  13. Premere il pulsante di ventilazione e sfiatare la camera con gas azoto. Estrarre l'alloggiamento fuori dalla camera.
  14. Chiudere il portello della camera ed evacuare la camera premendo il pulsante pompa.

3. Bagnato-acquaforte processo e la rimozione del livello maschera

  1. mettere il substrato modellato in 01:10 tamponata ossido mordenzante per 5 min.
    Nota: Il quarzo è selettivamente e isotropicamente bagnato-inciso da mordenzante e forma una forma sferica. La forma della lente può essere ottenuta con la maschera di incisione, e il diametro è proprio controllato dal tempo di attacco. Una migliore forma sferica può essere formata con un diametro più piccolo del modello. Un emisfero di 1,5 µm di diametro possa essere ottenuto in 5 min.
  2. Mettere il substrato modellato in DI acqua per pulire il mordenzante di ossido tamponata (5 min, due volte).
    Nota: Mordenzante tamponata ossido può essere pericoloso, quindi state attenti quando si utilizza questo mordenzante.
  3. a secco il campione con gas azoto compresso.
  4. Mettere il substrato modellato in CR-7 cromo mordenzante per rimuovere lo strato di maschera cromo.
    Nota: Dopo aver rimosso lo strato di cromo, un substrato modellato sferico 1,5 µm di diametro possono essere ottenute.
  5. Mettere il substrato modellato in acqua deionizzata per pulirlo (5 min).

4. Deposizione di multistrato e Nano-dimensioni oggetto iscrizione

Nota: un paio di strati sono depositato sul substrato di quarzo sferico. Qui, Ag e TiO 2 sono usati come i materiali di deposizione. AG e TiO 2 sono depositati in alternativa ad uno spessore di 15 nm.

  1. Premere il pulsante di ventilazione del sistema di evaporazione del fascio di elettroni e attendere fino a quando la bocca è sopra.
  2. Caricare il substrato modellato in un sistema di evaporazione di fascio di elettroni ad alto vuoto dopo lo sfiato.
  3. Chiudere il portello della camera ed evacuare la camera ad un grado di vuoto di 10 -7 Torr premendo il pulsante pompa.
    Nota: La condizione di vuoto deve essere tenuta a 10 -7 Torr per ridurre la dispersione dalla rugosità.
  4. Depositare lo strato Ag con un tasso di crescita di 1 Å / s e deposito di uno strato di Ag nm di spessore 15.
  5. Dopo la deposizione dello strato Ag, raffreddare il substrato per 5 min.
  6. Modificare la tasca del sistema di evaporazione del fascio di elettroni scegliendo un altro crogiolo e depositare il TiO 2 livello con un tasso di crescita di 1 Å/s. depositare uno strato di 2 di TiO nm di spessore 15.
    Nota: Durante il processo di deposizione, il tasso di crescita di film è tenuto basso per mantenere l'uniformità di rugosità superficiale.
  7. Dopo la deposizione dello strato 2 TiO, raffreddare il substrato per 5 min.
  8. Ripetere passaggi 4.4-4.7 decine di cicli di depositare un multistrato di Ag e TiO 2.
    Nota: A questo punto, la fabbricazione di hyperlens è finita. Il passo successivo è per fare una funzionalità arbitraria sub diffraction-limited per testare la hyperlens capacità di imaging. Aperture di dimensioni nanometriche e fessure sono iscritti mediante fresatura FIB.
  9. Modificare la tasca del sistema di evaporazione del fascio di elettroni e depositare lo strato di cromo con uno spessore di 50 nm.
  10. Dopo la deposizione di uno strato di Cr, spegnere il sistema di evaporazione del fascio di elettroni. Premere il pulsante di ventilazione e di sfiato della camera introducendo gas azoto.
  11. Dopo lo sfiato, aprire la porta della camera e prendere il supporto fuori dalla camera. Togliere il dispositivo fabbricato hyperlens.
  12. Chiudere il portello della camera ed evacuare la camera premendo il pulsante pompa.
  13. Montare il hyperlens depositati con cromo il FIB sistema di fresatura e una struttura di dimensioni nanometriche, per il produttore del modello ' istruzioni s.

5. Impostazione del sistema di Imaging e procedura di Imaging

  1. posto un convenzionale microscopio ottico di trasmissione-tipo sul tavolo ottico.
    Nota: Qui, un microscopio ottico invertito è stato usato come corpo principale.
  2. Collegare una sorgente di luce bianca per il percorso di illuminazione del microscopio utilizzando un adattatore.
  3. Inserire un filtro ottico passa-banda centrato a 410 nm.
    Nota: Il filtro passa-banda penetra in modo selettivo la specifica lunghezza d'onda della luce; qui, sul campione è illuminato 410 nm. Un hyperlens composto da Ag e TiO 2 ha prestazioni elevate a un 410 nm. Il risultato della simulazione ( Figura 2C) Mostra l'andamento delle hyperlens, che soddisfa la relazione di dispersione iperbolica a 410 nm luce.
  4. Selezionare un obiettivo a immersione in olio ad alto ingrandimento. Utilizzare una fotocamera CCD di alta qualità per ottenere le immagini.
    Nota: Questa impostazione ottica mette solo il divieto diDPass filtrare nel percorso di illuminazione luce per ordinare la luce di lunghezza d'onda 410 nm. Una specifica lunghezza d'onda della luce può essere illuminato sul campione senza l'utilizzo di luce bianca, ma in un normale laboratorio, microscopi ottici possono avere una fonte di luce bianca per l'osservazione dei campioni attraverso campo chiaro o fluorescenza.
  5. Mettere una goccia di olio per immersione sulla lente dell'obiettivo. Posizionare un hyperlens su immagini di fase e la cattura di esempio.
    Nota: Gli oggetti di dimensioni nanometriche inscritti sulla superficie interna della hyperlens possono essere illuminati con luce di 410 nm. Con il hyperlens, gli oggetti di dimensioni nano saranno essere ingranditi e catturati dalla lente dell'obiettivo e ripreso dalla telecamera CCD.

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Risultati

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La capacità del dispositivo di hyperlens per risolvere funzioni Sub-diffrazione si basa sulla sua uniformità e su una produzione di alta qualità. Qui, un hyperlens è composto da un multistrato di Ag e TiO2 depositato alternativamente. La figura 2a Mostra l'immagine di SEM di un ben fatto hyperlens17. L'immagine a sezione trasversale Mostra che il multistrato di Ag e Ti3O5 film sottile è depositato con s...

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Discussione

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La realizzazione di un hyperlens comprende tre fasi principali: definizione della geometria emisferica nel substrato quarzo attraverso un processo di bagnato-acquaforte, accatastamento il metallo e dielettrico multistrato utilizzando un sistema di evaporazione del fascio di elettroni e inscrivere il oggetto sul layer in Cr. Il passo più importante è il secondo, dal momento che esso può influire significativamente la qualità della hyperlens. Nel processo di deposizione di film sottili, ci sono due condizioni che richiedon...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è sostenuto finanziariamente dal programma Young Investigator (NRF-2015R1C1A1A02036464), programma Engineering Research Center (NRF-2015R1A5A1037668) e programma di frontiera globale (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. riconoscere il dottorato di ricerca globale Borse di studio (NRF NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322,-2016H1A2A1906519) attraverso la concessione di National Research Foundation di Corea (NRF) finanziato dal Ministero della scienza, ICT e futuro pianificazione (MSIP) del governo coreano.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Fresatrice a fascio ionico focalizzatoFEIHelios Nanolab G3 CX
Sistema di evaporazione a fascio elettronicoKorea Vacuum TechKVE-E4000
Microscopia elettronica a scansioneHitachiSU6600
Microscopia invertitaZeissAxiovert 200
Sorgente luminosaEXCELITAS TechnologiesX-Cite 110 LED
Filtro passa bandaChromaET405/30M
ObiettivoZeissPlan-ApochromatNA=1.3, 100X
CCD cameraAndorZyla 4.2
Wafer di quarzoCORNINGSilice fusa Corning 7980
Mordenzante di ossido tamponatoJ.T Baker TMJ.T.Baker 5175
PhotoresistAZ electronic materialiGXR-601 PR
Mordenzante al cromoSIGMA-ALDRICH651826
AcetonJ.T Baker TMUN1090
Alcool isopropilicoJ.T Baker TMUN1219
Strumento di simulazione FEMCOMSOL 5.1 Multiphysics

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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