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

L'obiettivo generale di questa procedura sperimentale è quello di dimostrare il processo di fabbricazione e l'imaging di subdiffrazione del dispositivo hyperlens bidimensionale. Questa nuova tecnica di imaging a super-risoluzione presenta i vantaggi dell'imaging in tempo reale e della semplice implementazione nell'ottica convenzionale. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'imaging a super-risoluzione, come l'imaging di cellule viventi e nanoparticelle dinamiche al di sotto del limite di frazione.

L'hyperlens è una speciale lente sferica con struttura multistrato avente una dispersione iperbolica piatta che supporta l'ingrandimento delle informazioni ad alta frequenza e la risoluzione di ottiche simili nel campo lontano in tempo reale. Il vantaggio principale dell'iperlente sferica è che può ingrandire le informazioni bidimensionali alle frequenze visibili. Un'iperlente sferica può anche essere facilmente integrata nella microscopia convenzionale senza ulteriori sistemi complessi.

A dimostrare la procedura saranno Dasol Lee e Inki Kim, studenti laureati del mio laboratorio. Per iniziare, rivestire il wafer di quarzo con un fotoresist positivo a 2.000 giri/min e cuocere per 60 secondi a 90 gradi Celsius. Quindi, usa una macchina per tagliare a cubetti il wafer con il fotoresist in piccoli pezzi di 20 x 20 millimetri quadrati.

Soffiare i pezzi utilizzando una pistola ad azoto compresso per rimuovere eventuali particelle derivanti dalla fase di taglio. Quindi, immergere il wafer tagliato in un bagno a ultrasuoni di acqua deionizzata per cinque minuti a 45 gradi Celsius. Rimuovere lo strato di fotoresist utilizzando un bagno ultrasonico di acetone per cinque minuti a 45 gradi Celsius.

Quindi, pulire il substrato mettendolo in un bagno a ultrasuoni con alcol isopropilico per cinque minuti a 45 gradi Celsius. Asciugare il substrato con una pistola ad azoto compresso. Per incidere il modello della maschera, caricare prima i substrati di quarzo puliti in un sistema di evaporazione a fascio di elettroni ad alto vuoto.

Depositare lo strato di cromo con una velocità di deposizione di due angstrom al secondo. Premere il pulsante di sfiato per sfiatare la camera. Montare un campione sul fascio ionico focalizzato o sul supporto FIB utilizzando un nastro di rame conduttore.

Quindi, caricare il supporto FIB nella camera FIB. Chiudere lo sportello della camera e premere il pulsante della pompa per evacuare la camera. Selezionare Beam On (Raggio attivo) nella scheda di controllo del fascio e impostare la corrente del fascio ionico e la tensione di accelerazione per la modalità FIB.

Accendere il sistema a fascio ionico. Selezionare Fascio attivato nella scheda di controllo del raggio per attivare il fascio di elettroni e mettere a fuoco l'immagine con un basso ingrandimento utilizzando il software. Quindi, impostare la distanza di lavoro su quattro millimetri nella scheda di navigazione in modalità microscopio elettronico a scansione.

Impostare l'angolo di inclinazione del supporto su 52 gradi e scattare le immagini SEM a diversi ingrandimenti prima della fabbricazione del modello di maschera hole array. Nella scheda di campitura, scegli la regione di campitura e crea una matrice di fori di 50 nanometri sullo strato di cromo. Al termine, spegnere i sistemi a fascio di elettroni e fasci ionici e raffreddarli.

Premere il pulsante di sfiato per sfiatare la camera con azoto gassoso. Quindi, estrarre il supporto dalla camera. Quindi, inserire il substrato modellato in un mordenzante di ossido tamponato da uno a 10 per cinque minuti.

Mettere il substrato modellato in acqua deionizzata per pulire il mordenzante di ossido tamponato. Quindi, asciugare il campione con azoto gassoso compresso. Metti il substrato modellato nel mordenzante al cromo per rimuovere lo strato della maschera al cromo.

Infine, metti il substrato modellato in acqua deionizzata per cinque minuti per pulirlo. Premere il pulsante di sfiato del sistema di evaporazione a fascio di elettroni e attendere che lo sfiato sia terminato. Quindi, caricare il substrato modellato in un sistema di evaporazione a fascio di elettroni ad alto vuoto dopo lo sfiato.

Chiudere lo sportello della camera ed evacuare la camera premendo il pulsante della pompa. Depositare lo strato d'argento con un tasso di crescita di un angstrom al secondo e depositare uno strato d'argento spesso 15 nanometri. Dopo la deposizione dello strato d'argento, raffreddare il substrato per cinque minuti.

Cambia la tasca del sistema di evaporazione a fascio di elettroni scegliendo un altro crogiolo e deposita lo strato di ossido di titanio con un tasso di crescita di un angstrom al secondo. Quindi, depositare uno strato di ossido di titanio spesso 15 nanometri. Dopo la deposizione dello strato di ossido di titanio, raffreddare il substrato per cinque minuti.

Ripetere le fasi di deposizione per decine di cicli per depositare un multistrato di argento e ossido di titanio. Cambia la tasca del sistema di evaporazione a fascio di elettroni e deposita lo strato di cromo ad uno spessore di 50 nanometri. Dopo la deposizione di uno strato di cromo, spegnere il sistema di evaporazione a fascio di elettroni.

Premere il pulsante di sfiato e sfiatare la camera introducendo azoto gassoso. Dopo lo sfiato, aprire lo sportello della camera ed estrarre il supporto della montatura dalla camera. Smontare il dispositivo hyperlens fabbricato.

Quindi, chiudere lo sportello della camera ed evacuare la camera premendo il pulsante della pompa. Montare l'iperlente depositata con cromo nel sistema di fresatura FIB e modellare una struttura di dimensioni nanometriche secondo le istruzioni del produttore. Quindi, posizionare un microscopio ottico a trasmissione convenzionale sul tavolo ottico.

Collegare una sorgente di luce bianca al percorso di illuminazione del microscopio utilizzando un adattatore. Posizionare un filtro passa-banda ottico centrato a 410 nanometri. Selezionare un obiettivo a immersione in olio ad alto ingrandimento e utilizzare una telecamera CCD di alta qualità per ottenere le immagini.

Mettere una goccia di olio da immersione sulla lente dell'obiettivo. Infine, posizionare un hyperlens sul tavolino campione e catturare le immagini. Qui è mostrato un iperlestere composto da multistrati di argento e ossido di titanio depositati alternativamente.

L'immagine della sezione trasversale mostra che il multistrato di film sottile di argento e ossido di titanio viene depositato con spessore uniforme sul substrato di quarzo emisferico. Un'iperlente costituita da argento e ossido di titanio ha ottime prestazioni alla lunghezza d'onda di 410 nanometri perché la relazione di dispersione dei multistrati impilati ha una curva di dispersione iperbolica come mostrato qui. Le componenti vettoriali delle onde spaziali elevate possono propagarsi lungo la direzione radiale dell'iperlente.

Le piccole caratteristiche che hanno componenti ad alta frequenza che non possono essere catturate dall'ottica convenzionale possono propagarsi al campo lontano attraverso l'iperlente, come calcolato dalla simulazione agli elementi finiti. Dopo la fabbricazione, l'iperlente può essere integrata nel sistema di microscopio convenzionale, come mostrato in questo semplice schema del sistema di imaging dell'iperlente. L'iperlente è posizionata sulla lente dell'obiettivo.

Per la dimostrazione dell'iperlente, un modello artificiale è inscritto sulla superficie interna dell'iperlente. I risultati mostrano le immagini catturate attraverso l'iperlente. Le dimensioni delle fessure vanno da 160 nanometri a 180 nanometri in ciascun caso.

Le caratteristiche limitate della subdiffrazione vengono risolte e il potere super-risolutivo dell'iperlente può essere confermato. Lo sviluppo dell'iperlente ha aperto la strada alla tecnica di imaging a super-risoluzione per esplorare i macchinari di biomolecole di dimensioni nanometriche e le nanoparticelle inorganiche. Dopo aver visto questo video, potresti avere una buona comprensione di come fabbricare un hyperlens di alta qualità e configurare il tuo sistema di imaging a super risoluzione.

Ci aspettiamo che la tecnica dell'hyperlens venga migliorata nella pratica adottando un metodo di fabbricazione scalabile e riproducibile. L'hyperlens consentirà agli scienziati di osservare le dinamiche biofisiche che si verificano su scala nanometrica in tempo reale e di lavorare come imaging a super-risoluzione di prossima generazione in varie applicazioni come la biologia, la scienza medica, la scienza dei materiali e la nanotecnologia.