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的は、二次元ハイパーレンズデバイスの作製プロセスおよびサブ回折限界イメージングを実証することです。この斬新な超解像イメージング技術は、リアルタイムイメージングが可能であること、および従来の光学系への導入が容易であるという利点があります。本手法は、生細胞や回折限界以下の動的なナノ粒子のイメージングなど、超解像イメージング分野における重要な課題の解決に寄与します。

ハイパーレンズは、平坦な双曲面分散を持つ多層構造を備えた特殊な球状レンズであり、高周波情報の拡大および、遠方場における同様の光学系と同等の分解能をリアルタイムで実現します。球状ハイパーレンズの主な利点は、可視光周波数における二次元情報を拡大できることです。また、球状ハイパーレンズは、複雑な追加システムを必要とせずに、従来の顕微鏡に容易に組み込むことが可能です。

本手順のデモンストレーションを行うのは、私の研究室の大学院生であるDasol LeeとInki Kimです。まず、クオーツウェハーにポジ型フォトレジストを2,000 rpmでスピンコートし、90 °Cで60秒間ベイクします。次に、ダイシングマシンを用いて、フォトレジストを塗布したウェハーを20 by 20 square millimetersの小さな断片に切り出します。

圧縮窒素ガンを用いてピースを吹き付け、切断工程で生じた粒子を除去します。次に、切断したウェハーを45°Cの脱イオン水超音波洗浄槽に5分間浸漬します。続いて、45°Cのアセトン超音波洗浄槽で5分間処理し、フォトレジスト層を除去します。

次に、基板を45 °Cのイソプロピルアルコール超音波洗浄機に5分間浸して洗浄します。圧縮窒素ガンを用いて基板を乾燥させます。マスクパターンをエッチングするため、まず洗浄した石英基板を高真空電子ビーム蒸着装置にロードします。

1秒あたり2オングストロームの堆積速度でクロム層を堆積させます。ベントボタンを押し、チャンバーをベントします。導電性銅テープを使用して、集束イオンビーム（FIB）ホルダーに試料を固定します。

次に、FIBホルダーをFIBチャンバーに装填します。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内を真空にします。ビームコントロールタブで「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を起動します。ビームコントロールタブで「Beam On」を選択して電子ビームをオンにし、ソフトウェアを使用して低倍率で像をフォーカスします。次に、走査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 mmに設定します。

ホルダーの傾斜角を52度に設定し、ホールアレイマスクパターンの作製前に、異なる倍率でSEM画像を取得します。パターニングタブでパターニング領域を選択し、クロム層に50 nanometerのホールアレイを作製します。完了後、電子ビームおよびイオンビームシステムをオフにし、冷却してください。

ベントボタンを押して、チャンバー内を窒素ガスでパージします。次に、ホルダーをチャンバーから取り出します。続いて、パターン形成済みの基板を1:10に希釈した緩衝酸化膜エッチング液に5分間浸漬させます。

パターン形成済みの基板を脱イオン水に入れ、緩衝酸化物エッチング液を洗浄します。次に、圧縮窒素ガスを用いて試料を乾燥させます。パターン形成済みの基板をクロムエッチング液に入れ、クロムマスク層を除去します。

最後に、パターン形成した基板を脱イオン水に5分間浸して洗浄します。電子ビーム蒸着装置のベントボタンを押し、ベントが完了するまで待ちます。その後、ベントが完了した高真空電子ビーム蒸着装置にパターン形成した基板をロードします。

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内を排気します。成長速度 1 Å/s で銀層を堆積させ、厚さ 15 nm の銀層を形成します。銀層の堆積後、基板を5分間冷却します。

別のるつぼを選択して電子ビーム蒸着システムのポケットを交換し、成長速度 1 Å/s で酸化チタン層を蒸着させます。次に、厚さ 15 nm の酸化チタン層を蒸着させます。酸化チタン層の蒸着後、基板を 5 分間冷却します。

銀と酸化チタンの多層膜を形成するため、蒸着ステップを数十サイクル繰り返します。電子ビーム蒸着装置のポケットを交換し、厚さ 50 nanometers のクロム層を蒸着します。クロム層の蒸着後、電子ビーム蒸着装置の電源を切ります。

ベントボタンを押し、窒素ガスを導入してチャンバー内をベントします。ベント後、チャンバーのドアを開け、マウントホルダーをチャンバーから取り出します。作製したハイパーレンズデバイスを剥がします。

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内を排気します。クロムを蒸着させたハイパーレンズをFIBミリングシステムに装着し、製造元の指示に従ってナノサイズの構造をパターニングします。続いて、光学定盤上に従来の透過型光学顕微鏡を設置します。

アダプターを使用して、白色光源を顕微鏡の照明光路に接続します。中心波長410 nanometersの光学バンドパスフィルターを設置します。高倍率の油浸対物レンズを選択し、高品質なCCDカメラを用いて画像を撮影します。

対物レンズに没浸油を1滴滴下します。最後に、サンプルステージにハイパーレンズを設置し、画像をキャプチャします。ここでは、銀と酸化チタンの多層膜を交互に堆積させて構成されたハイパーレンズを示しています。

断面画像から、銀と酸化チタンの多層薄膜が半球状石英基板上に均一な厚さで堆積していることがわかります。銀と酸化チタンで構成されるハイパーレンズは、ここに示すように積層多層膜の分散関係が双曲関数的な分散曲線を持つため、波長410 nanometersにおいて優れた性能を発揮します。高い空間波波数成分がハイパーレンズの径方向に沿って伝播することが可能です。

有限要素シミュレーションで計算された通り、従来の光学系では捉えることができない高周波成分を持つ微細な特徴は、ハイパーレンズを介して遠視野まで伝播させることができます。作製後、このシンプルなハイパーレンズイメージングシステムの概略図に示すように、ハイパーレンズを従来の顕微鏡システムに組み込むことが可能です。ハイパーレンズは対物レンズの上に配置します。

ハイパーレンズの実証のため、ハイパーレンズの内面に人工パターンを刻印します。結果には、ハイパーレンズを通して撮影された画像を示します。なお、いずれの場合もギャップサイズは160 nanometersから180 nanometersです。

回折限界以下の微細構造が分解され、ハイパーレンズの超解像力が確認されました。ハイパーレンズの開発により、ナノサイズの生体分子機構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が開かれました。このビデオを視聴することで、高品質なハイパーレンズの作製方法と、独自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深く理解することができます。

拡張可能で再現性のある作製法を採用することで、ハイパーレンズ技術の実用性が向上すると期待されます。ハイパーレンズにより、科学者はナノスケールで起こる生物物理学的なダイナミクスをリアルタイムで観察することが可能となり、生物学、医学、材料科学、ナノテクノロジーなどの多様なアプリケーションにおいて、次世代の超解像イメージングとして機能することになります。