Demonstratie van een Hyperlens-geïntegreerd Microscoop en super resolutie beeldvorming

Het algemene doel van deze experimentele procedure is om het fabricageproces en de subdiffractie-beeldvorming van het tweedimensionale hyperlensapparaat te demonstreren. Deze innovatieve superresolutie-beeldvormingstechniek biedt de voordelen van real-time beeldvorming en een eenvoudige implementatie in conventionele optica. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van superresolutie-beeldvorming, zoals het afbeelden van levende cellen en dynamische nanodeeltjes onder de diffractielimiet.

De hyperlens is een speciale sferische lens met een meerlaagse structuur en een vlakke hyperbolische dispersie, die de vergroting van hoogfrequente informatie en een resolutie die vergelijkbaar is met die van dergelijke optica in het verre veld in real-time ondersteunt. Het belangrijkste voordeel van de sferische hyperlens is dat deze tweedimensionale informatie bij zichtbare frequenties kan vergroten. Een sferische hyperlens kan bovendien eenvoudig worden geïntegreerd in conventionele microscopie zonder dat hiervoor een aanvullend complex systeem nodig is.

De procedure wordt gedemonstreerd door Dasol Lee en Inki Kim, promovendi in mijn laboratorium. Begin met het spin-coaten van de kwartswafer met een positieve fotoresist bij 2 000 rpm en bak deze gedurende 60 seconden bij 90 °C. Gebruik vervolgens een dicingmachine om de wafer met fotoresist in kleine stukjes van 20 bij 20 vierkante millimeter te snijden.

Blaas de stukken schoon met een stikstofpistool onder druk om eventuele partikels die tijdens de snijstap zijn ontstaan te verwijderen. Plaats de gesneden wafer vervolgens gedurende vijf minuten in een ultrasoon bad met gedeïoniseerd water bij 45 °C. Verwijder de fotolaklaag met een ultrasoon bad van aceton gedurende vijf minuten bij 45 °C.

Reinig vervolgens het substraat door het vijf minuten lang in een ultrasoon bad met isopropylalcohol te plaatsen bij 45 °C. Droog het substraat met een persluchtpistool met stikstof. Om het maskerpatroon te etsen, plaatst u eerst de schone kwartssubstraten in een elektronenstraalevaporatiesysteem met hoogvacuüm.

Breng de chroomlaag aan met een depositiesnelheid van twee angstrom per seconde. Druk op de ontluchtingsknop om de kamer te ontluchten. Bevestig een monster op de Focused Ion Beam of FIB-houder met behulp van geleidende kopertape.

Plaats vervolgens de FIB-houder in de FIB-kamer. Sluit de kamerdeur en druk op de pompknop om de kamer te vacuüm te trekken. Selecteer Beam On onder het tabblad voor bundelcontrole en stel de ionenbundelstroom en het versnellingsvoltage in voor de FIB-modus.

Zet het ionenbundelsysteem aan. Selecteer Beam On onder het tabblad bundelregeling om de elektronenbundel in te schakelen en focus het beeld met een lage vergroting met behulp van de software. Stel vervolgens de werkafstand in op vier millimeter onder het navigatietabblad in de scanning elektronenmicroscoop-modus.

Stel de kantelhoek van de houder in op 52 graden en maak SEM-beelden op verschillende vergrotingen voordat het gatmatrixmaskerpatroon wordt gefabriceerd. Kies onder het tabblad 'patterning' het patroongebied en maak een gatmatrix van 50 nanometer op de chroomlaag. Schakel na voltooiing de elektronenstraal- en ionenstraalsystemen uit en laat ze afkoelen.

Druk op de ontluchtingsknop om de kamer te spoelen met stikstofgas. Neem vervolgens de houder uit de kamer. Plaats daarna het gepatroneerde substraat gedurende vijf minuten in een 1:10 gebufferde oxide-etsoplossing.

Plaats het gestructureerde substraat in gedeïoniseerd water om de gebufferde oxidetsant te reinigen. Droog het monster vervolgens met samengeperst stikstofgas. Plaats het gestructureerde substraat in chroometsant om de chroommaskerlaag te verwijderen.

Plaats tot slot het gepatroonde substraat gedurende vijf minuten in gedeïoniseerd water om het te reinigen. Druk op de ontluchtingsknop van het elektronenstraalevaporatiesysteem en wacht tot de ontluchting is voltooid. Laad vervolgens het gepatroonde substraat na de ontluchting in een elektronenstraalevaporatiesysteem met hoog vacuüm.

Sluit de kamerdeur en vacumeer de kamer door op de pompknop te drukken. Sputter de zilverlaag met een groeisnelheid van één angstrom per seconde tot een dikte van 15 nanometer is bereikt. Koel het substraat na het depositeren van de zilverlaag gedurende vijf minuten af.

Vervang de pocket van het elektronenstraalevaporatiesysteem door een andere smeltkroes te kiezen en deponeer de titaniumoxidelaag met een groeisnelheid van één angstrom per seconde. Deponeer vervolgens een titaniumoxidelaag met een dikte van 15 nanometer. Koel het substraat na de depositie van de titaniumoxidelaag vijf minuten lang af.

Herhaal de depositiestappen gedurende tientallen cycli om een meerlaag van zilver en titaniumoxide te deposeren. Vervang de pocket van het elektronenstraalevaporatiesysteem en deponeer de chroomlaag met een dikte van 50 nanometers. Schakel na de depositie van de chroomlaag het elektronenstraalevaporatiesysteem uit.

Druk op de ontluchtingsknop en ontlucht de kamer door stikstofgas toe te voeren. Open na de ontluchting de deur van de kamer en haal de houder voor de montage uit de kamer. Verwijder het gefabriceerde hyperlens-apparaat.

Sluit vervolgens de deur van de kamer en vacuümeer de kamer door op de pompknop te drukken. Plaats de met chroom bezette hyperlens in het FIB-freesysteem en breng een nanostructuur aan volgens de instructies van de fabrikant. Plaats daarna een conventionele optische transmissiemicroscoop op de optische tafel.

Sluit een witlichtbron aan op het verlichtingspad van de microscoop met behulp van een adapter. Plaats een optisch banddoorlaatfilter met een centrumgolflengte van 410 nanometer. Selecteer een olie-immersieobjectief met een hoge vergroting en gebruik een hoogwaardige CCD-camera om de beelden vast te leggen.

Plaats een druppel immersie-olie op de objectieflens. Plaats ten slotte een hyperlens op de objecttafel en leg de beelden vast. Hier wordt een hyperlens getoond die bestaat uit afwisselend gestapelde multilagen van zilver en titaniumoxide.

De dwarsdoorsnedebeld laat zien dat de mehrlaagse dunne film van zilver en titaniumoxide met een uniforme dikte is afgezet op het hemisferische kwartssubstraat. Een hyperlens bestaande uit zilver en titaniumoxide vertoont uitstekende prestaties bij een golflengte van 410 nanometers, omdat de dispersierelatie van de gestapelde mehrlagen een hyperbolische dispersiecurve heeft, zoals hier wordt getoond. Componenten met een hoge ruimtelijke golfvector kunnen zich voortplanten langs de radiale richting van de hyperlens.

Kleine kenmerken met hoogfrequente componenten, die niet door conventionele optiek kunnen worden vastgelegd, kunnen zich via de hyperlens voortplanten naar het verre veld, zoals berekend via eindige-elementensimulatie. Na de fabricage kan de hyperlens worden geïntegreerd in het conventionele microscopiesysteem, zoals getoond in dit eenvoudige schema van het hyperlens-beeldvormingssysteem. De hyperlens wordt op de objectieflens geplaatst.

Voor de demonstratie van de hyperlens wordt een kunstmatig patroon aangebracht op het binnenoppervlak van de hyperlens. De resultaten tonen de beelden die via de hyperlens zijn vastgelegd. De spleetgroottes variëren in elk geval van 160 nanometers tot 180 nanometers.

De kenmerken onder de diffractielimiet worden opgelost en het super-resolutievermogen van de hyperlens kan worden bevestigd. De ontwikkeling van de hyperlens heeft de weg vrijgemaakt voor super-resolutiebeeldtechnieken om nanomachine-biomoleculen en anorganische nanodeeltjes te onderzoeken. Na het bekijken van deze video heeft u een goed inzicht in hoe u een hoogwaardige hyperlens fabriceert en opstelt voor uw eigen super-resolutiebeeldsysteem.

We verwachten dat de hyperlenstechniek in de praktijk zal worden verbeterd door het adopteren van een schaalbare en reproduceerbare fabricagemethode. De hyperlens zal wetenschappers in staat stellen om biofysische dynamiek op nanoschaal in realtime te observeren en zal dienen als de volgende generatie superresolutie-beeldvorming in diverse toepassingen, zoals biologie, medische wetenschap, materiaalkunde en nanotechnologie.