Demonstratie van een Hyperlens-geïntegreerd Microscoop en super resolutie beeldvorming

Samenvatting

Het gebruik van een hyperlens werd beschouwd als een nieuwe super resolutie beeldvormende techniek te wijten aan haar voordelen in real-time beeldvorming en haar eenvoudige implementatie met conventionele optica. Hier presenteren we een protocol met een beschrijving van de fabricage en beeldtoepassingen van een sferische hyperlens.

Samenvatting

Het gebruik van super resolutie imaging om te overwinnen de limiet van de diffractie van conventionele microscopie heeft het belang van onderzoekers in de biologie en nanotechnologie aangetrokken. Hoewel in de buurt van-veld scanning microscopie en superlenses zijn de resolutie in de buurt van het veld regio verbeterd, blijft ver-veld imaging in real-time een aanzienlijke uitdaging. Onlangs, de hyperlens, die vergroot en zet vluchtig golven in teeltmateriaal golven, heeft ontpopt als een nieuwe benadering voor de beeldvorming van de ver-veld. Wij rapporteren hier, de fabricage van een sferische hyperlens, samengesteld uit afwisselende zilver (Ag) en titanium-oxide (TiO₂) dunne lagen. In tegenstelling tot een conventionele cilindrische hyperlens voorziet de sferische hyperlens twee-dimensionale vergroting. Opneming van de conventionele microscopie is dus eenvoudig. Een nieuwe optische systeem is geïntegreerd in de hyperlens wordt voorgesteld, waardoor een afbeelding met een sub golflengte worden verkregen in de ver-veld regio in real-time. In deze studie, worden de fabricage en imaging setup methoden uiteengezet in detail. Dit werk beschrijft ook de toegankelijkheid en de mogelijkheid van de hyperlens, alsmede praktische toepassingen voor real-time imaging in levende cellen, die tot een revolutie in de biologie en nanotechnologie leiden kan.

Inleiding

Een verlangen naar het observeren van biomoleculen in levende cellen leidde tot de uitvinding van microscopie, en de komst van microscopie doorgegeven de revolutie van verschillende gebieden, zoals biologie, pathologie en materiaalkunde, over de laatste paar eeuwen. Verdere vooruitgang van het onderzoek heeft echter zijn beperkt door diffractie, ter beperking van de resolutie van conventionele microscopen tot ongeveer de helft van de golflengte¹. Daarom is super resolutie imaging om te overwinnen de diffractie-limiet een interessante onderzoeksruimte geweest in de afgelopen decennia.

Zoals de diffractie-limiet wordt toegeschreven aan het verlies van de vluchtig golven die sub golflengte informatie over objecten bevatten, zijn vroege studies uitgevoerd om te voorkomen dat vluchtig golven vervagen of om ze te herstellen^2,3. De inspanning om te overwinnen de diffractie-limiet was voor het eerst gemeld met scanning optische microscopie, die het vluchtig veld in directe nabijheid van het object verzamelt voordat het gedissipeerde²in de buurt van veld. Echter, zoals het scannen van de afbeelding van de hele regio en reconstructie van het duurt een lange tijd, het kan niet worden toegepast op real-time imaging. Hoewel een andere aanpak gebaseerd op de "superlens," die vluchtig golven versterkt, de mogelijkheid voor real-time imaging biedt, beeldvorming van de sub golflengte is alleen geschikt in de regio in de buurt van-veld en niet bereiken ver buiten de objecten^{4, 5 , 6 , 7}.

Onlangs, de hyperlens heeft ontpopt als een nieuwe benadering voor real-time ver-veld optische beeldvorming^8,9,10,11,12. De hyperlens, die uit zeer anisotrope hyperbolische metamaterials^{13 bestaat}, vertoont een plat hyperbolische dispersie zodat het ondersteunt hoge ruimtelijke informatie met dezelfde fase snelheid. Bovendien, als gevolg van de behoudswet van de dynamiek, de hoge dwarse wavevector is geleidelijk gecomprimeerd wanneer de Golf door de cilindrische geometrie gaat. Deze vergrote informatie kan dus worden gedetecteerd door een conventionele Microscoop regio ver-veld. Dit is van bijzonder belang aan real-time ver-veld imaging, zoals op niet ieder punt-voor-punt scannen of afbeelding wederopbouw vergen doet. Bovendien kan de hyperlens worden gebruikt voor andere toepassingen dan imaging, met inbegrip van nanolithography. Het licht dat via de hyperlens in de omgekeerde richting gaat zal uitgaan naar een sub diffractie-gebied als gevolg van de tijd-omkering symmetrie^14,15,16.

Wij rapporteren hier, over een sferische hyperlens dat twee-dimensionale informatie vindt u op de zichtbare frequentie vergroot. In tegenstelling tot conventionele cilindrische meetkunde vergroot de sferische hyperlens objecten in de twee zijdelingse dimensies, praktische weergavetoepassingen vergemakkelijken. De fabricage methode en imaging setup met de hyperlens worden gepresenteerd in detail voor de reproductie van een kwalitatief hoogwaardige hyperlens. Een object sub golflengte is aangeduid op de hyperlens omwille van de bewijzen van zijn macht van super-oplossing. Het is bevestigd dat kleine elementen van ingeschreven objecten worden vergroot door de hyperlens. Aldus, duidelijk opgelost afbeeldingen zijn verkregen in de ver-veld regio in real-time. Deze nieuwe vorm van sferische hyperlens, met het gemak van integratie met conventionele microscopie, biedt de mogelijkheid van praktische beeldbewerkingstoepassingen, wat leidt tot het begin van een nieuw tijdperk in de biologie, pathologie en algemene nanoscience.

Protocol

1. substraat voorbereiding

1. verkrijgen zeer verfijnd kwarts wafer. Voor de fabrikatie gemeld hier, gebruik een zegel met een dikte van 500 µm.
2. Spin-jas het kwarts wafer met een positieve fotoresist op 2.000 rpm en bak gedurende 60 s op 90 ° C.
   Opmerking: De positieve fotoresist laag is gecoat om schade te voorkomen tijdens de daaropvolgende snijden stap.
3. Gebruik van een dicing machine te snijden de wafer met fotoresist in kleine stukjes 20 x 20 mm ² in grootte.
4. Blazen met behulp van een gecomprimeerde stikstof-pistool voor het verwijderen van deeltjes als gevolg van het snijden stap.
5. Plaatst u deze in het ultrasoonbad in de geïoniseerde (DI) water gedurende 5 minuten op 45 ° C. verwijderen de fotoresist laag met behulp van een ultrasoon bad in aceton voor 5 min op 45 ° C. schoon het substraat met behulp van twee Ultrasoon Baden, aceton, en isopropylalcohol, elk voor 5 min op 45 ° C.
6. Droog het substraat met een pistool samengeperste stikstof.

2. Etsen van het masker patroon

1. lading de schone kwarts substraten in een hoog-vacuüm-electron beam verdamping systeem. Zorg ervoor dat het substraat rotatie is ingeschakeld.
2. Storten de laag chroom met een tarief van de depositie van 2 Å/s.
   Opmerking: Een laag minimaal 100 nm-dik moet worden neergelegd voor het etsen masker om te voorkomen dat gaatjes gemaakt van depositie.
3. Druk op de knop vent vent van de zaal en monteren van een monster op de gerichte ion beam (FIB) houder met behulp van uitvoeren van koperen tape.
4. Laden de FIB houder in de bedwelmingsruimte FIB.
5. Sluit de deur van de kamer en druk op de pompknop te evacueren van de zaal.
6. Selecteer " balk op " onder de lichtbundel controle tabblad en de ion beam stroom (7.7 pA)- en versnelling (30 kV) voor FIB modus.
7. Hiermee zet u de ion beam system.
8. Selecteer " balk op " onder het tabblad beam control inschakelen van de elektronenbundel en richten het beeld met lage vergroting softwarematig.
9. De werkende afstand (WD) vastgesteldop 4 mm onder het tabblad navigatie in scannende elektronen microscoop (SEM) modus.
10. De tilt hoek van de houder op 52° ingesteld en nemen de SEM-beelden op verschillende vergrotingen voordat gat matrix masker patroon fabricage.
11. Kies de patronen regio onder het tabblad patronen en maak een 50 nm gat array op de laag chroom.
    Opmerking: Er zijn eenvoudige patronen hulpmiddelen toegankelijk onder het tabblad patronen. Meer complexe geometrie en blootstelling controle kan worden bereikt door bitmaps importeren of het genereren van scripts.
12. Na het beëindigen, uitschakelen van de elektronenbundel en ion beam systemen en het systeem afkoelen.
13. Druk op de knop vent en luchten van de kamer met stikstofgas. Neem de houder uit de zaal.
14. Sluit de deur van de kamer en het evacueren van de kamer door te drukken op de pompknop.

3. Nat-etsen proces en verwijdering van de maskeerlaag

1. Put het patroon substraat in 1:10 gebufferd oxide etchant voor 5 min.
   Opmerking: Het kwarts is selectief en isotropically natte-geëtst door het etchant en vormt een bolvorm. De vorm van de lens kan worden verkregen met de etsen-masker, en de diameter juist wordt beheerd door de etsen-tijd. Een beter sferische vorm kan worden gevormd met een kleinere diameter van de patroon. Een diameter van 1,5 µm halfrond kan worden verkregen binnen 5 min.
2. Het patroon substraat gestoken in DI water te reinigen de gebufferde oxide etchant (5 min, twee keer).
   Opmerking: Gebufferde oxide etchant kan gevaarlijk zijn, dus wees voorzichtig bij het gebruik van deze etchant.
3. Droog het monster met gecomprimeerde stikstofgas.
4. Het patroon substraat gestoken in CR-7 chroom etchant te verwijderen van de maskeerlaag chroom.
   Opmerking: Na het verwijderen van de laag van chroom, een bolvormige gedessineerde substraat 1,5 µm in diameter kan worden verkregen.
5. Het patroon substraat gebracht DI water om het schoon (5 min).

4. Gelaagde afzetting en Nano-sized Object inscriptie

Opmerking: een paar lagen worden gestort op het substraat sferische kwarts. Hier, worden Ag en TiO ₂ gebruikt als de depositie materialen. AG en TiO ₂ afwisselend worden gedeponeerd bij een dikte van 15 nm.

1. Druk op de knop van de opening van de electron beam verdamping systeem en wacht tot de vent is.
2. Het patroon substraat in een hoog-vacuüm electron beam verdamping systeem laden na de vent.
3. Sluit de deur van de kamer en evacueren van de kamer tot een vacuüm mate van 10 ^-7 Torr door op de pompknop.
   Opmerking: De vacuüm voorwaarde moet worden bewaard bij 10 ^-7 Torr te verminderen de verstrooiing van de oppervlakteruwheid.
4. Storten de Ag-laag met een groeitempo op jaarbasis van 1 Å / s en storting een 15 nm-dikke Ag laag.
5. Na de afzetting van de Ag-laag, het substraat gedurende 5 minuten afkoelen
6. De zak van de electron beam verdamping systeem veranderen door te kiezen voor een andere Kroes en storten de TiO ₂ laag met een groeitempo op jaarbasis van 1 Å/s. storting een 15 nm-dikke TiO ₂ laag.
   Opmerking: Tijdens de afzetting, de film groeipercentage is laag gehouden om de uniformiteit van de oppervlakteruwheid.
7. Na de afzetting van de TiO ₂ laag, het substraat gedurende 5 minuten afkoelen
8. Herhaal stappen 4.4-4.7 voor tientallen cycli te deponeren een multilayer van Ag en TiO ₂.
   Opmerking: op dit punt, de fabricage van hyperlens is voorbij. De volgende stap is voor het maken van een willekeurige functie van de sub-diffraction-beperkt voor het testen van de hyperlens imaging mogelijkheid. Nanometer-sized openingen en spleten zijn ingeschreven door FIB frezen.
9. Wijzigen van de zak van de electron beam verdamping systeem en de chroom laag storten bij een dikte van 50 nm.
10. Na de afzetting van een Cr-laag, de electron beam verdamping systeem uitschakelen. Druk op de knop vent en luchten van de kamer door de invoering van stikstofgas.
11. Na de vent, open de deur van de kamer en de mount houder uit de zaal. Strippen af het apparaat gefabriceerde hyperlens.
12. Sluit de deur van de kamer en het evacueren van de kamer door te drukken op de pompknop.
13. Mount de hyperlens gestort de FIB frezen systeem met chroom en patroon van een nano-sized structuur, per de fabrikant ' s instructies.

5. Setting Up the Imaging systeem en Imaging Procedure

1. plaats een conventionele overdracht-type optische Microscoop op optische tafel.
   Opmerking: Hier, een omgekeerde optische Microscoop werd gebruikt als de hoofdmacht.
2. Een witte-lichtbron verbinden met de Microscoop verlichting pad met behulp van een adapter.
3. Plaats een optische bandfilter filter gecentreerd op 410 nm.
   Opmerking: Het bandfilter filter selectief doordringt de specifieke golflengte van het licht; 410 nm licht brandt hier, op het monster. Een hyperlens bestaande uit Ag en TiO ₂ heeft hoge prestaties bij een 410 nm golflengte. Het resultaat van de simulatie ( Figuur 2 c) toont de prestaties van de hyperlens, die voldoet aan de relatie van de hyperbolische dispersie op licht van 410 nm.
4. Selecteer een high-vergroting olie-immersie objectief. Gebruik van een CCD-camera met hoge kwaliteit te verkrijgen van de beelden.
   Opmerking: Deze optische instelling zet enkel het verboddpass filteren in het pad van de lichte verlichting uitzoeken van het licht voor golflengte van 410 nm. Een specifieke golflengte van licht kan worden verlicht op het monster zonder gebruik te maken van wit licht, maar in een normale laboratorium, optische microscopen kunnen hebben een wit-licht bron voor de waarneming van monsters door heldere-veld of fluorescentie imaging.
5. Breng een druppel van immersie-olie op het objectief. Plaats een hyperlens op de voorbeeldafbeeldingen fase en vangen.
   Opmerking: De ingeschreven nano-sized objecten aan de binnenzijde van de hyperlens kunnen worden verlicht met licht van 410 nm. Met de hyperlens, de nano-sized objecten zal worden vergroot en worden gevangen genomen door het objectief en beeld door CCD camera.

Resultaten

Het vermogen van het hyperlens-apparaat op te lossen sub diffractie eigenschappen berust op uniformiteit en een kwalitatief hoogwaardige productie. Hier is een hyperlens samengesteld uit een multilayer van Ag en TiO₂ afwisselend gestort. Figuur 2a toont het SEM-beeld van een goed gemaakte hyperlens¹⁷. De transversale afbeelding toont dat de multilayer van Ag en Ti₃O₅ dunne film met uniforme dikte op het...

Discussie

De fabricage van een hyperlens omvat drie belangrijke stappen: definiëren hemisferische geometrie in het substraat kwarts via een proces van natte-etsen, stapelen de metaal- en diëlektrische multilayer beschilderen met behulp van een electron beam verdamping systeem, en de object op de Cr-laag. De belangrijkste stap is de tweede, omdat het aanzienlijk de kwaliteit van de hyperlens beïnvloeden kan. In het proces van dunne-film depositie zijn er twee voorwaarden waarvoor speciale zorg voor een duidelijk beeld van de Super ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Focused Ion Beam frezenmachine	FEI	Helios Nanolab G3 CX
E-straal verdampingssysteem	Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
Scannende elektronenmicroscopie	Hitachi	SU6600
Omgekeerde microscopie	Zeiss	Axiovert 200
Lichtbron	EXCELITAS Technologies	X-Cite 110 LED
Bandpassfilter	Chroma	ET405/30M
Objectieflens	Zeiss	Plan-Apochromat	NA=1.3, 100X
CCD-camera	Andor	Zyla 4.2
Kwartswafer	CORNING	Fused Silica Corning 7980
Gebufferde oxide-etsmiddel	J.T Baker TM	J.T.Baker 5175
Fotoresist	AZ electronic materials	GXR-601 PR
Chroom-etsmiddel	SIGMA-ALDRICH	651826
Aceton	J.T Baker TM	UN1090
Isopropylalcohol	J.T Baker TM	UN1219
FEM-simulatietool	COMSOL 5.1 Multiphysics