ハイパー レンズ一体型顕微鏡と超解像イメージングのデモ

この実験手順の全体的な目標は、2次元ハイパーレンズデバイスの製造プロセスとサブディフラクションイメージングを実証することです。この新しい超解像イメージング技術には、リアルタイムイメージングと従来の光学系への簡単な実装という利点があります。この方法は、生細胞や動的ナノ粒子を画分限界以下にイメージングするなど、超解像イメージングの分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。

ハイパーレンズは、遠方場での高周波情報の倍率と類似光学系の解像度をリアルタイムでサポートする、フラットな双曲線分散を持つ多層構造の特殊な球面レンズです。球面ハイパーレンズの主な利点は、可視周波数で2次元情報を拡大できることです。球面ハイパーレンズは、複雑なシステムを追加することなく、従来の顕微鏡法に簡単に組み込むこともできます。

その手順を実演するのは、私の研究室の大学院生であるDasol LeeとInki Kimです。まず、石英ウェーハをポジ型フォトレジストで2, 000rpmでスピンコーティングし、摂氏90度で60秒間ベークします。次に、ダイシングマシンを使用して、フォトレジストでウェーハを20×20平方ミリメートルのサイズに切断します。

圧縮窒素ガンを使用してピースを吹き飛ばし、切断ステップから生じる微粒子を除去します。次に、カットしたウェーハを脱イオン水の超音波浴に45°Cで5分間入れます。アセトンの超音波浴を用いて、45°Cで5分間フォトレジスト層を除去します。

次に、基板をイソプロピルアルコール超音波浴に45°Cで5分間入れて洗浄します。圧縮窒素ガンで基板を乾燥させます。マスクパターンをエッチングするには、まずクリーンな石英基板を高真空電子ビーム蒸着装置にロードします。

クロム層を毎秒2オングストロームの堆積速度で堆積させます。ベントボタンを押して、チャンバーをベントします。集束イオンビームまたはFIBホルダーに導電性銅テープを使用してサンプルを取り付けます。

次に、FIBホルダーをFIBチャンバーにロードします。チャンバーのドアを閉め、ポンプボタンを押してチャンバーを排気します。ビーム制御タブでBeam Onを選択し、FIBモードのイオンビーム電流と加速電圧を設定します。

イオンビームシステムの電源を入れます。ビームコントロールタブの「ビームオン」を選択すると、電子ビームがオンになり、ソフトウェアを使用して低倍率で画像にピントを合わせることができます。次に、走査型電子顕微鏡モードのナビゲーションタブで作動距離を4ミリメートルに設定します。

ホルダーの傾斜角度を52度に設定し、ホールアレイマスクパターン作製前に異なる倍率でSEM画像を撮影します。パターニングタブで、パターニング領域を選択し、クロム層上に50ナノメートルの正孔配列を作成します。終了後、電子ビームとイオンビーム装置の電源を切り、冷却してください。

ベントボタンを押して、チャンバーを窒素ガスで排出します。次に、ホルダーをチャンバーから取り出します。次に、パターン化された基板を1〜10の緩衝酸化物エッチング液に5分間入れます。

パターン化された基板を脱イオン水に入れて、緩衝された酸化物エッチング液を洗浄します。次に、サンプルを圧縮窒素ガスで乾燥させます。パターン化された基板をクロムエッチング液に入れて、クロムマスク層を除去します。

最後に、パターン化された基質を脱イオン水に5分間入れて洗浄します。電子ビーム蒸着装置のベントボタンを押して、ベントが終わるまで待ちます。次に、パターン化された基板をベント後に高真空電子ビーム蒸着システムにロードします。

チャンバーのドアを閉め、ポンプボタンを押してチャンバーを排気します。銀層を毎秒1オングストロームの成長速度で堆積させ、厚さ15ナノメートルの銀層を堆積させます。銀層の堆積後、基板を5分間冷却します。

電子ビーム蒸着システムのポケットを別のるつぼを選択して変更し、1秒あたり1オングストロームの成長速度で酸化チタン層を堆積させます。次に、厚さ15ナノメートルの酸化チタン層を堆積させます。酸化チタン層を堆積させた後、基板を5分間冷却します。

堆積手順を数十サイクル繰り返して、銀と酸化チタンの多層を堆積させます。電子ビーム蒸着装置のポケットを交換し、50ナノメートルの厚さでクロム層を堆積させます。クロム層の堆積後、電子ビーム蒸着システムをオフ

ベントボタンを押し、窒素ガスを導入してチャンバーをベントします。ベントの後、チャンバードアを開き、マウントホルダーをチャンバーから取り出します。製作したハイパーレンズデバイスをはがします。

次に、チャンバーのドアを閉め、ポンプボタンを押してチャンバーを排気します。クロムを堆積させたハイパーレンズをFIBフライス盤に取り付け、製造元の指示に従ってナノサイズの構造体をパターン化します。次に、従来の透過型光学顕微鏡を光学テーブルに置きます。

アダプターを使用して、白色光源を顕微鏡の照明経路に接続します。410ナノメートルを中心とする光学バンドパスフィルターを配置します。高倍率の油浸対物レンズを選択し、高品質のCCDカメラを使用して画像を取得します。

対物レンズに液浸油を一滴垂らします。最後に、サンプルステージにハイパーレンズを配置し、画像をキャプチャします。ここに示されているのは、銀と酸化チタンの多層膜を交互に堆積させたハイパーレンズです。

断面図は、銀と酸化チタンの多層膜が半球状の石英基板上に均一な厚さで堆積していることを示しています。銀と酸化チタンからなるハイパーレンズは、積層された多層膜の分散関係がここに示すように双曲線的な分散曲線を持つため、410ナノメートルの波長で優れた性能を発揮します。高空間波ベクトル成分は、ハイパーレンズの半径方向に沿って伝播できます。

従来の光学系では捉えられない高周波成分を持つ小さな特徴は、有限要素シミュレーションによって計算されたハイパーレンズを通じて遠方場に伝播することができます。製造後、ハイパーレンズは、このハイパーレンズイメージングシステムの簡単な概略図に示すように、従来の顕微鏡システムに統合することができます。ハイパーレンズは対物レンズに配置されます。

ハイパーレンズのデモンストレーションのために、ハイパーレンズの内面に人工的なパターンが刻まれています。結果は、ハイパーレンズを通してキャプチャされた画像を示しています。ギャップサイズは、いずれの場合も160ナノメートルから180ナノメートルです。

回折下限の特徴が解像され、ハイパーレンズの超解像力を確認することができます。ハイパーレンズの開発は、ナノサイズの生体分子機械や無機ナノ粒子を探索するための超解像イメージング技術への道を開きました。このビデオを見れば、高品質のハイパーレンズの作り方や、自分だけの超解像イメージングシステムのセットアップ方法について、よく理解できるかもしれません。

ハイパーレンズ技術は、スケーラブルで再現性のある作製方法を採用することで、実用性が向上すると期待しています。ハイパーレンズにより、科学者はナノスケールで発生する生物物理学的ダイナミクスをリアルタイムで観察し、生物学、医学、材料科学、ナノテクノロジーなどのさまざまなアプリケーションで次世代の超解像イメージングとして働くことができます。