Demonstracja mikroskopu zintegrowanego z hipersoczewkami i obrazowania superrozdzielczego

Ogólnym celem tej eksperymentalnej procedury jest zademonstrowanie procesu wytwarzania i obrazowania subdyfrakcyjnego dwuwymiarowego urządzenia hipersoczewkowego. Ta nowatorska technika obrazowania o wysokiej rozdzielczości ma zalety obrazowania w czasie rzeczywistym i prostej implementacji do konwencjonalnej optyki. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytanie w dziedzinie obrazowania superrozdzielczego, takiego jak obrazowanie żywych komórek i dynamicznych nanocząstek poniżej limitu frakcji.

Hyperlens to specjalna soczewka sferyczna o wielowarstwowej budowie o płaskiej dyspersji hiperbolicznej, która obsługuje powiększenie informacji o wysokiej częstotliwości i rozdzielczość podobnych układów optycznych w dalekim polu w czasie rzeczywistym. Główną zaletą hipersoczewki sferycznej jest to, że może powiększać dwuwymiarowe informacje przy częstotliwościach widzialnych. Hipersoczewkę sferyczną można również łatwo zintegrować z konwencjonalną mikroskopią bez dodatkowego skomplikowanego systemu.

Procedurę zademonstrują Dasol Lee i Inki Kim, którzy są absolwentami mojego laboratorium. Na początek obróć wafel kwarcowy dodatnim fotorezystem przy 2 000 obr./min i piecz przez 60 sekund w temperaturze 90 stopni Celsjusza. Następnie za pomocą kostki pokrój wafel z fotorezystem na małe kawałki o wymiarach 20 na 20 milimetrów kwadratowych.

Przedmuchaj kawałki za pomocą pistoletu na sprężony azot, aby usunąć wszelkie cząstki powstałe w wyniku etapu cięcia. Następnie umieść pokrojoną płytkę w kąpieli ultradźwiękowej z wodą dejonizowaną na pięć minut w temperaturze 45 stopni Celsjusza. Usunąć warstwę fotorezystu za pomocą kąpieli ultradźwiękowej acetonu przez pięć minut w temperaturze 45 stopni Celsjusza.

Następnie należy oczyścić podłoże, umieszczając je w kąpieli ultradźwiękowej z alkoholem izopropylowym na pięć minut w temperaturze 45 stopni Celsjusza. Osuszyć podłoże pistoletem do sprężonego azotu. Aby wytrawić wzór maski, najpierw załaduj czyste podłoża kwarcowe do systemu odparowywania wiązką elektronów o wysokiej próżni.

Osadzaj warstwę chromu z szybkością osadzania dwóch angstremów na sekundę. Naciśnij przycisk odpowietrzania, aby odpowietrzyć komorę. Zamontuj próbkę na skupionej wiązce jonów lub uchwycie FIB za pomocą przewodzącej taśmy miedzianej.

Następnie załaduj uchwyt FIB do komory FIB. Zamknij drzwiczki komory i naciśnij przycisk pompy, aby opróżnić komorę. Wybierz Beam On na karcie sterowania wiązką i ustaw prąd wiązki jonów i napięcie przyspieszenia dla trybu FIG.

Włącz system wiązki jonów. Wybierz Beam On (Wiązka włączona) pod zakładką sterowania wiązką, aby włączyć wiązkę elektronów i ustawić ostrość obrazu w małym powiększeniu za pomocą oprogramowania. Następnie ustaw odległość roboczą na cztery milimetry pod zakładką nawigacji w trybie skaningowego mikroskopu elektronowego.

Ustaw kąt nachylenia uchwytu na 52 stopnie i wykonaj obrazy SEM w różnych powiększeniach przed wykonaniem wzoru maski z matrycą otworów. Pod zakładką wzoru wybierz region wzoru i utwórz 50-nanometrowy układ otworów na warstwie chromu. Po zakończeniu wyłącz systemy wiązki elektronów i wiązki jonów i ostudź je.

Naciśnij przycisk odpowietrzania, aby odpowietrzyć komorę gazowym azotem. Następnie wyjmij uchwyt z komory. Następnie umieść wzorzyste podłoże w jednym do 10 buforowanych wytrawiaczy tlenkowych na pięć minut.

Umieść wzorzyste podłoże w wodzie dejonizowanej, aby oczyścić buforowany wytrawiacz tlenkowy. Następnie osuszyć próbkę sprężonym azotem gazowym. Umieść wzorzyste podłoże w wytrawiaczu chromowym, aby usunąć warstwę maski chromowej.

Na koniec umieść wzorzyste podłoże w dejonizowanej wodzie na pięć minut, aby je oczyścić. Naciśnij przycisk odpowietrzania systemu odparowywania wiązką elektronów i poczekaj, aż odpowietrznik się skończy. Następnie załaduj wzorzyste podłoże do systemu parowania wiązką elektronów o wysokiej próżni za odpowietrznikiem.

Zamknij drzwiczki komory i opróżnij komorę, naciskając przycisk pompy. Osadź warstwę srebra z szybkością wzrostu jednego angstrema na sekundę i umieść warstwę srebra o grubości 15 nanometrów. Po osadzeniu warstwy srebra ostudzić podłoże przez pięć minut.

Zmień kieszeń systemu parowania wiązką elektronów, wybierając inny tygiel i osadzając warstwę tlenku tytanu z szybkością wzrostu jednego angstrema na sekundę. Następnie umieść warstwę tlenku tytanu o grubości 15 nanometrów. Po osadzeniu warstwy tlenku tytanu ostudzić podłoże przez pięć minut.

Powtarzaj etapy osadzania przez dziesiątki cykli, aby zdeponować wielowarstwową warstwę tlenku srebra i tytanu. Wymień kieszeń systemu parowania wiązką elektronów i osadź warstwę chromu o grubości 50 nanometrów. Po osadzeniu warstwy chromu wyłącz system odparowywania wiązką elektronów.

Naciśnij przycisk odpowietrzania i odpowietrz komorę, wprowadzając gazowy azot. Po odpowietrzniku otwórz drzwiczki komory i wyjmij uchwyt montażowy z komory. Zdejmij spreparowane urządzenie hyperlens.

Następnie zamknij drzwiczki komory i opróżnij komorę, naciskając przycisk pompy. Zamontuj hipersoczewkę osadzoną chromem w systemie mielenia FIB i uformuj strukturę o rozmiarach nano zgodnie z instrukcjami producenta. Następnie umieść konwencjonalny transmisyjny mikroskop optyczny na stole optycznym.

Podłącz źródło białego światła do ścieżki oświetlenia mikroskopu za pomocą adaptera. Umieść optyczny filtr pasmowoprzepustowy wyśrodkowany na 410 nanometrach. Wybierz soczewkę obiektywową z olejkiem o dużym powiększeniu i użyj wysokiej jakości kamery CCD, aby uzyskać obrazy.

Umieść kroplę olejku immersyjnego na soczewce obiektywu. Na koniec umieść hipersoczewkę na stoliku z próbką i uchwyć obrazy. Pokazana tutaj jest hipersoczewka złożona z wielowarstwowych warstw srebra i tlenku tytanu osadzonych naprzemiennie.

Obraz przekroju poprzecznego pokazuje, że wielowarstwowa cienka warstwa srebra i tlenku tytanu osadza się z jednolitą grubością na półkulistym podłożu kwarcowym. Hipersoczewka składająca się ze srebra i tlenku tytanu ma doskonałą wydajność przy długości fali 410 nanometrów, ponieważ relacja dyspersji ułożonych w stos warstw wielowarstwowych ma hiperboliczną krzywą dyspersji, jak pokazano tutaj. Składowe wektora fal przestrzennych mogą rozchodzić się wzdłuż kierunku radialnego hipersoczewki.

Małe obiekty posiadające składowe o wysokiej częstotliwości, których nie można uchwycić za pomocą konwencjonalnej optyki, mogą rozchodzić się do dalekiego pola przez hipersoczewkę, zgodnie z obliczeniami symulacji elementów skończonych. Po wyprodukowaniu hipersoczewkę można zintegrować z konwencjonalnym systemem mikroskopowym, jak pokazano na tym prostym schemacie systemu obrazowania hipersoczewkowego. Hipersoczewkę umieszcza się na soczewce obiektywu.

W celu zademonstrowania hipersoczewki, na wewnętrznej powierzchni hipersoczewki narysowany jest sztuczny wzór. Wyniki pokazują obrazy uchwycone przez hiperobiektyw. Rozmiary szczelin wynoszą od 160 nanometrów do 180 nanometrów w każdym przypadku.

Ograniczone cechy subdyfrakcji są rozwiązane i można potwierdzić superrozdzielczą moc hipersoczewki. Opracowanie hipersoczewki utorowało drogę do techniki obrazowania w superrozdzielczości do badania maszynerii biomolekuł o rozmiarach nano i nanocząstek nieorganicznych. Po obejrzeniu tego filmu możesz dobrze zrozumieć, jak wyprodukować wysokiej jakości hipersoczewki i skonfigurować własny system obrazowania o wysokiej rozdzielczości.

Oczekujemy, że technika hyperlens zostanie poprawiona pod względem praktycznym dzięki zastosowaniu skalowalnej i powtarzalnej metody wytwarzania. Hipersoczewka pozwoli naukowcom obserwować dynamikę biofizyczną zachodzącą w skali nano w czasie rzeczywistym i pracować jako obrazowanie super-rozdzielczości nowej generacji w różnych zastosowaniach, takich jak biologia, nauki medyczne, materiałoznawstwo i nanotechnologia.