Artykuł metodologiczny

Demonstracja mikroskopu zintegrowanego z hipersoczewkami i obrazowania superrozdzielczego

DOI:

10.3791/55968

⸱

8 września 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, 3Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Użycie hipersoczewki zostało uznane za nowatorską technikę obrazowania w superrozdzielczości ze względu na jej zalety w obrazowaniu w czasie rzeczywistym i jej prostą implementację za pomocą konwencjonalnej optyki. W tym miejscu przedstawiamy protokół opisujący wytwarzanie i obrazowanie zastosowań hipersoczewki sferycznej.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wykorzystanie obrazowania super-rozdzielczego do pokonania limitu dyfrakcji konwencjonalnej mikroskopii wzbudziło zainteresowanie badaczy biologii i nanotechnologii. Chociaż mikroskopia skaningowa bliskiego pola i supersoczewki poprawiły rozdzielczość w obszarze bliskiego pola, obrazowanie dalekiego pola w czasie rzeczywistym pozostaje poważnym wyzwaniem. Ostatnio hipersoczewka, która powiększa i przekształca fale ulotne w fale rozchodzące się, pojawiła się jako nowatorskie podejście do obrazowania w polu dalekim. Tutaj donosimy o wytworzeniu sferycznej soczewki składającej się z naprzemiennie cienkich warstw srebra (Ag) i tlenku tytanu (TiO2). W przeciwieństwie do konwencjonalnej cylindrycznej soczewki hipersoczewkowej, sferyczna soczewka hipersoczewkowa pozwala na dwuwymiarowe powiększenie. Dzięki temu włączenie do konwencjonalnej mikroskopii jest proste. Zaproponowano nowy układ optyczny zintegrowany z hipersoczewką, który pozwala na uzyskanie obrazu o długości poniżej długości fali w obszarze pola dalekiego w czasie rzeczywistym. W tym badaniu szczegółowo wyjaśniono metody wytwarzania i konfiguracji obrazowania. W pracy opisano również dostępność i możliwości hipersoczewki, a także praktyczne zastosowania obrazowania w czasie rzeczywistym w żywych komórkach, które mogą doprowadzić do rewolucji w biologii i nanotechnologii.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Chęć obserwowania biomolekuł w żywych komórkach doprowadziła do wynalezienia mikroskopii, a pojawienie się mikroskopii przyczyniło się do rewolucji w różnych dziedzinach, takich jak biologia, patologia i materiałoznawstwo, w ciągu ostatnich kilku stuleci. Jednak dalszy postęp badań został ograniczony przez dyfrakcję, która ogranicza rozdzielczość konwencjonalnych mikroskopów do około połowy długości fali1. Dlatego obrazowanie superrozdzielcze w celu pokonania granicy dyfrakcji było interesującym obszarem badawczym w ostatnich dziesięcioleciach.

Ponieważ limit dyfrakcji jest przypisywany utracie fal ulotnych, które zawierają informacje o sub-długości fal na obiektach, przeprowadzono wczesne badania, aby zapobiec zanikaniu fal ulotnych lub je odzyskać2,3. Wysiłek zmierzający do pokonania limitu dyfrakcji został po raz pierwszy opisany za pomocą skaningowej mikroskopii optycznej bliskiego pola, która zbiera ulotne pole w bliskiej odległości od obiektu, zanim zostanie ono rozproszone2. Ponieważ jednak skanowanie całego obszaru obrazu i jego rekonstrukcja zajmuje dużo czasu, nie można go zastosować do obrazowania w czasie rzeczywistym. Chociaż inne podejście oparte na "supersoczewce", która wzmacnia fale ulotne, zapewnia możliwość obrazowania w czasie rzeczywistym, obrazowanie poniżej długości fali jest możliwe tylko w obszarze bliskiego pola i nie może sięgać daleko poza obiekty4,5,6,7.

Ostatnio hipersoczewka pojawiła się jako nowatorskie podejście do obrazowania optycznego dalekiego pola w czasie rzeczywistym8,9,10,11,12. Hipersoczewka, która jest wykonana z wysoce anizotropowych metamateriałów hiperbolicznych13, wykazuje płaską dyspersję hiperboliczną, dzięki czemu obsługuje wysokie informacje przestrzenne przy tej samej prędkości fazowej. Ponadto, ze względu na prawo zachowania pędu, wektor fali poprzecznej o wysokiej długości poprzecznej jest stopniowo ściskany, gdy fala przechodzi przez geometrię cylindryczną. Ta powiększona informacja może być zatem wykryta przez konwencjonalny mikroskop w obszarze dalekiego pola. Ma to szczególne znaczenie w przypadku obrazowania dalekiego pola w czasie rzeczywistym, ponieważ nie wymaga skanowania punkt po punkcie ani rekonstrukcji obrazu. Co więcej, hipersoczewka może być wykorzystywana do zastosowań innych niż obrazowanie, w tym do nanolitografii. Światło, które przechodzi przez hipersoczewkę w odwrotnym kierunku, zostanie skupione na obszarze subdyfrakcyjnym ze względu na symetrię odwrócenia czasu14,15,16.

Tutaj informujemy o sferycznym hipersoczewce, która powiększa dwuwymiarowe informacje z częstotliwością widzialną. W przeciwieństwie do konwencjonalnej geometrii cylindrycznej, sferyczna soczewka hipersoczewkowa powiększa obiekty w dwóch wymiarach bocznych, ułatwiając praktyczne zastosowania obrazowania. Szczegółowo przedstawiono metodę produkcji i konfigurację obrazowania za pomocą hipersoczewki w celu odtworzenia wysokiej jakości hipersoczewki. Obiekt o poddługości fali jest wpisywany w hipersoczewkę w celu udowodnienia jej superrozdzielczej mocy. Potwierdzono, że drobne cechy wpisanych obiektów są powiększane przez hipersoczewkę. W ten sposób uzyskuje się wyraźnie rozdzielcze obrazy w obszarze pola dalekiego w czasie rzeczywistym. Ten nowy typ sferycznej soczewki hiperobiektywnej, dzięki łatwości integracji z konwencjonalną mikroskopią, zapewnia możliwość praktycznych zastosowań obrazowania, prowadząc do świtu nowej ery w biologii, patologii i ogólnej nanonauce.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie podłoża

  1. Otrzymaj wysoko rafinowany wafel kwarcowy. Do opisanej tutaj produkcji należy użyć płytki o grubości 500 μm.
  2. Wirować wafel kwarcowy dodatnim fotorezystem przy 2 000 obr./min i piec przez 60 s w temperaturze 90 °C.
    UWAGA: Dodatnia warstwa fotorezystu jest powlekana, aby zapobiec uszkodzeniom podczas kolejnego etapu cięcia.
  3. Za pomocą kostki pokrój wafel z fotorezystem na małe kawałki o wymiarach 20 x 20mm2.
  4. Przedmuchać za pomocą pistoletu do sprężonego azotu, aby usunąć cząstki stałe powstałe na etapie cięcia.
  5. Umieścić go w łaźni ultradźwiękowej w wodzie dejonizowanej (DI) na 5 minut w temperaturze 45 °C. Usunąć warstwę fotorezystu za pomocą kąpieli ultradźwiękowej w acetonie przez 5 minut w temperaturze 45 °C. Oczyścić podłoże za pomocą dwóch kąpieli ultradźwiękowych, acetonu i alkoholu izopropylowego, każda przez 5 minut w temperaturze 45 °C.
  6. Osuszyć podłoże pistoletem do sprężonego azotu.

2. Wytrawianie wzoru maski

  1. Załaduj czyste podłoża kwarcowe do wysokopróżniowego systemu odparowywania wiązką elektronów. Upewnij się, że rotacja podłoża jest włączona
    2. .
  2. Osadzać warstwę chromu z szybkością stapiania 2 Κ/s.
    UWAGA: Na maskę trawiącą należy nałożyć warstwę o grubości co najmniej 100 nm, aby zapobiec dziurkom powstałym w wyniku osadzania.
  3. Naciśnij przycisk odpowietrzania, aby odpowietrzyć komorę i zamontuj próbkę na uchwycie skupionej wiązki jonów (FIB) za pomocą przewodzącej taśmy miedzianej.
  4. Załaduj uchwyt FIB do komory FIB.
  5. Zamknij drzwiczki komory i naciśnij przycisk pompy, aby opróżnić komorę.
  6. Wybierz "wiązka włączona" w zakładce sterowania wiązką i ustaw prąd wiązki jonów (7,7 pA) i napięcie przyspieszenia (30 kV) dla trybu FIG.
  7. Włącz system wiązki jonów.
  8. Wybierz "wiązka włączona" pod zakładką sterowania wiązką, aby włączyć wiązkę elektronów i ustawić ostrość obrazu przy małym powiększeniu za pomocą oprogramowania.
  9. Ustaw odległość roboczą (WD) na 4 mm pod zakładką nawigacyjną w trybie skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM).
  10. Ustaw kąt nachylenia uchwytu na 52° i wykonaj obrazy SEM w różnych powiększeniach przed wykonaniem wzoru maski z matrycą otworów.
  11. Na karcie wzoru wybierz region wzoru i utwórz układ otworów 50 nm na warstwie chromu.
    UWAGA: W zakładce tworzenia wzorów dostępne są proste narzędzia do tworzenia wzorów. Bardziej złożoną geometrię i kontrolę ekspozycji można uzyskać, importując mapy bitowe lub generując skrypty.
  12. Po zakończeniu wyłącz systemy wiązki elektronów i wiązki jonów i schładzaj system.
  13. Naciśnij przycisk odpowietrzania i odpowietrz komorę gazowym azotem. Wyjmij uchwyt z komory.
  14. Zamknij drzwiczki komory i opróżnij komorę, naciskając przycisk pompy.

3. Proces trawienia na mokro i usuwanie warstwy maski

  1. Wzorzyste podłoże umieścić w buforowym wytrawiaczu tlenkowym w skali 1:10 na 5 min.
    UWAGA: Kwarc jest selektywnie i izotropowo trawiony na mokro przez wytrawiacz i tworzy kulisty kształt. Kształt soczewki można uzyskać za pomocą maski trawiącej, a średnica jest precyzyjnie kontrolowana przez czas trawienia. Lepszy kulisty kształt można uzyskać przy mniejszej średnicy wzoru. Półkulę o średnicy 1,5 μm można uzyskać w ciągu 5 minut.
  2. Umieść wzorzyste podłoże w wodzie DI, aby oczyścić buforowany wytrawiacz tlenkowy (5 min, dwa razy).
    UWAGA: Buforowany wytrawiacz tlenkowy może być niebezpieczny, dlatego należy zachować ostrożność podczas korzystania z tego wytrawiacza.
  3. Osuszyć próbkę sprężonym azotem gazowym.
  4. Umieść wzorzyste podłoże w wytrawiaczu chromowym CR-7, aby usunąć warstwę maski chromowej.
    UWAGA: Po usunięciu warstwy chromu można uzyskać podłoże o kulistym wzorze o średnicy 1,5 μm.
  5. Włóż wzorzyste podłoże do wody DI w celu jego oczyszczenia (5 min).

4. Wielowarstwowe osadzanie i nano-wymiarowa inskrypcja obiektu

UWAGA: Para warstw jest osadzona na sferycznym podłożu kwarcowym. W tym przypadku jako materiały do osadzania stosuje się Ag i TiO2. Ag i TiO2 osadza się naprzemiennie o grubości 15 nm.

  1. Naciśnij przycisk odpowietrzania systemu odparowywania wiązką elektronów i poczekaj, aż odpowietrznik się skończy.
  2. Załaduj wzorzyste podłoże do wysokopróżniowego systemu parowania wiązką elektronów za odpowietrznikiem.
  3. Zamknij drzwiczki komory i opróżnij komorę do stopnia podciśnienia 10-7 Torr, naciskając przycisk pompy.
    UWAGA: Stan próżni powinien być utrzymywany na poziomie 10-7 Torr, aby zmniejszyć rozpraszanie spowodowane chropowatością powierzchni.
  4. Osadzać warstwę Ag z szybkością wzrostu 1 A/s i osadzać warstwę Ag o grubości 15 nm.
  5. Po osadzeniu warstwy Ag podłoże schładzać przez 5 min.
  6. Zmienić kieszeń w systemie parowania wiązką elektronów, wybierając inny tygiel i osadzając warstwę TiO2 o szybkości wzrostu 1 Α/s. Umieść warstwę TiO2 o grubości 15 nm.
    UWAGA: Podczas procesu osadzania szybkość wzrostu filmu jest utrzymywana na niskim poziomie, aby utrzymać jednorodność chropowatości powierzchni.
  7. Po osadzeniu warstwy TiO2 należy schłodzić podłoże przez 5 min.
  8. Powtórz kroki 4.4 - 4.7 przez dziesiątki cykli, aby nałożyć wielowarstwową Ag i TiO2.
    UWAGA: W tym momencie produkcja hipersoczewek dobiegła końca. Następnym krokiem jest stworzenie dowolnej funkcji ograniczonej subdyfrakcją do testowania możliwości obrazowania hipersoczewkowego. Nanometrowe otwory i szczeliny są wpisane w frezowanie FIB.
  9. Zmienić kieszeń systemu parowania wiązką elektronów i osadzać warstwę chromu o grubości 50 nm.
  10. Po osadzeniu warstwy Cr wyłącz system parowania wiązką elektronów. Naciśnij przycisk odpowietrzania i odpowietrz komorę, wprowadzając gazowy azot.
  11. Po odpowietrzniku otwórz drzwiczki komory i wyjmij uchwyt montażowy z komory. Zdejmij spreparowane urządzenie hyperlens.
  12. Zamknij drzwiczki komory i opróżnij komorę, naciskając przycisk pompy.
  13. Zamontuj hipersoczewkę osadzoną chromem w systemie mielenia FIB i uformuj strukturę o rozmiarach nano, zgodnie z instrukcjami producenta.

5. Konfiguracja systemu obrazowania i procedura obrazowania

  1. Umieść konwencjonalny transmisyjny mikroskop optyczny na stole optycznym.
    UWAGA: W tym przypadku jako główny korpus użyto odwróconego mikroskopu optycznego.
  2. Podłącz źródło światła białego do ścieżki oświetlenia mikroskopu za pomocą adaptera.
  3. Umieść optyczny filtr pasmowoprzepustowy wyśrodkowany na 410 nm.
    UWAGA: Filtr pasmowoprzepustowy selektywnie penetruje określoną długość fali światła; W tym przypadku na próbce świeci światło o długości fali 410 nm. Hipersoczewka składająca się z Ag i TiO2 ma wysoką wydajność przy długości fali 410 nm. Wynik symulacji (Rysunek 2c) pokazuje wydajność hipersoczewki, która spełnia zależność dyspersji hiperbolicznej przy świetle 410 nm.
  4. Wybierz soczewkę obiektywową z olejkiem o dużym powiększeniu. Użyj wysokiej jakości kamery CCD, aby uzyskać obrazy.
    UWAGA: To ustawienie optyczne po prostu umieszcza filtr pasmowoprzepustowy w ścieżce oświetlenia światła, aby uporządkować światło o długości fali 410 nm. Określona długość fali światła może być oświetlana na próbce bez użycia światła białego, ale w normalnym laboratorium mikroskopy optyczne mogą mieć źródło światła białego do obserwacji próbek za pomocą obrazowania w jasnym polu lub fluorescencji.
  5. Umieść kroplę olejku immersyjnego na soczewce obiektywu. Umieść hipersoczewkę na stoliku próbki i zarejestruj obrazy.
    UWAGA: Nanoobiekty wpisane w nano na wewnętrznej powierzchni hipersoczewki mogą być oświetlone światłem o długości fali 410 nm. Dzięki hiperobiektywowi obiekty o rozmiarach nano zostaną powiększone i uchwycone przez obiektyw obiektywu oraz zobrazowane przez kamerę CCD.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zdolność urządzenia hyperlens do rozpoznawania cech subdyfrakcyjnych zależy od jego jednorodności i wysokiej jakości wykonania. W tym przypadku hipersoczewka składa się z wielowarstwowej Ag i TiO2 osadzonych naprzemiennie. Rysunek 2a przedstawia obraz SEM dobrze wykonanego hiperobiektywu17. Obraz przekroju poprzecznego pokazuje, że wielowarstwa cienkiej warstwy Ag i Ti3O5 osadza się z jednolitą grubości...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Produkcja hipersoczewki obejmuje trzy główne etapy: zdefiniowanie geometrii półkulistej w podłożu kwarcowym poprzez proces trawienia na mokro, ułożenie wielowarstwy metalu i dielektryka za pomocą systemu parowania wiązką elektronów oraz wpisanie obiektu w warstwę Cr. Najważniejszym krokiem jest drugi, ponieważ może on znacząco wpłynąć na jakość hipersoczewki. W procesie osadzania cienkowarstwowego występują dwa warunki, które wymagają szczególnej dbałości o wyraźny obraz o wysokiej rozdzielczości. Układanie wielowarstwy ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca jest wspierana finansowo przez program Young Investigator (NRF-2015R1C1A1A02036464), program Engineering Research Center (NRF-2015R1A5A1037668) i program Global Frontier (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. potwierdza Globalne Stypendia Doktoranckie (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) poprzez grant Narodowej Fundacji Badawczej Korei (NRF) finansowany przez Ministerstwo Nauki, ICT i Planowania Przyszłości (MSIP) Korei) poprzez grant National Research Foundation of Korea (NRF) finansowany przez Ministerstwo Nauki, ICT i Planowania Przyszłości (MSIP) Korei) rząd.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Frezarka z skupioną wiązką jonówFEIHelios Nanolab G3 CX
System odparowywania wiązki elektronówKorea Vacuum TechKVE-E4000
Skaningowa mikroskopia elektronowaHitachiSU6600
Mikroskopia odwróconaZeissAxiovert 200
Źródło światłaEXCELITAS TechnologiesX-Cite 110 LED
Filtr pasmowo-przepustowyChromaET405/30M
ObiektywZeissPlan-ApochromatNA=1.3, 100X
CCDKamera AndorZyla 4.2
Wafel kwarcowyCORNINGTopiona krzemionka Corning 7980
Buforowany wytrawiacz tlenkowyJ.T Baker TMJ.T.Baker 5175
PhotoresistAZ electronic materiałyGXR-601 PR
Wytrawiacz chromowySIGMA-ALDRICH651826
AcetonJ.T Baker TMUN1090
Alkohol izopropylowyJ.T Baker TMUN1219
Narzędzie symulacyjne MESCOMSOL 5.1 Multiphysics

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Archiv für mikroskopische Anatomie. 9 (1), 413-418 (1873).
  2. Dürig, U., Pohl, D. W., Rohner, F. Near-field optical-scanning microscopy. J Appl Phys. 59 (10), 3318-3327 (1986).
  3. Pendry, J. B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens. Phys Rev Lett. 85 (18), 3966-3969 (2000).
  4. Fang, N., Liu, Z., Yen, T. -J., Zhang, X. Regenerating evanescent waves from a silver superlens. Opt Express. 11 (7), 682-687 (2003).
  5. Fang, N., Lee, H., Sun, C., Zhang, X. Sub-Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens. Science. 308 (5721), 534-537 (2005).
  6. Melville, D. O. S., Blaikie, R. J. Super-resolution imaging through a planar silver layer. Opt Express. 13 (6), 2127-2134 (2005).
  7. Taubner, T., Korobkin, D., Urzhumov, Y., Shvets, G., Hillenbrand, R. Near-Field Microscopy Through a SiC Superlens. Science. 313 (5793), 1595-1595 (2006).
  8. Jacob, Z., Alekseyev, L. V., Narimanov, E. Optical Hyperlens: Far-field imaging beyond the diffraction limit. Opt Express. 14 (18), 8247-8256 (2006).
  9. Lee, H., Liu, Z., Xiong, Y., Sun, C., Zhang, X. Development of optical hyperlens for imaging below the diffraction limit. Opt Express. 15 (24), 15886-15891 (2007).
  10. Liu, Z., Lee, H., Xiong, Y., Sun, C., Zhang, X. Far-Field Optical Hyperlens Magnifying Sub-Diffraction-Limited Objects. Science. 315 (5819), 1686-1686 (2007).
  11. Kim, M., Rho, J. Metamaterials and imaging. Nano Converg. 2 (1), 22(2015).
  12. Byun, M., et al. Demonstration of nanoimprinted hyperlens array for high-throughput sub-diffraction imaging. Sci Rep. 7, 46314(2017).
  13. Shekhar, P., Atkinson, J., Jacob, Z. Hyperbolic metamaterials: fundamentals and applications. Nano Converg. 1 (1), 14(2014).
  14. Liu, L., et al. Sub-diffraction demagnification imaging lithography by hyperlens with plasmonic reflector layer. RSC Advances. 6 (98), 95973-95978 (2016).
  15. Sun, J., Xu, T., Litchinitser, N. M. Experimental demonstration of demagnifying hyperlens. Nano Lett. 16 (12), 7905-7909 (2016).
  16. Kim, M., et al. Deep sub-wavelength nanofocusing of UV-visible light by hyperbolic metamaterials. Sci Rep. 6, 38645(2016).
  17. Rho, J., et al. Spherical hyperlens for two-dimensional sub-diffractional imaging at visible frequencies. Nat Commun. 1, 143(2010).
  18. Chen, W., et al. Ultra-thin ultra-smooth and low-loss silver films on a germanium wetting layer. Opt Express. 18 (5), 5124-5134 (2010).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Hyperlens ImagingSuper resolution MicroscopySilver Titanium OxideElectron Beam EvaporationFocused Ion BeamOptical Bandpass FilterReal time ImagingSubdiffraction ImagingNanoparticle ImagingLiving Cell Imaging

Powiązane artykuły