Demonstracja mikroskopu zintegrowanego z hipersoczewkami i obrazowania superrozdzielczego

Ogólnym celem niniejszej procedury eksperymentalnej jest zademonstrowanie procesu wytwarzania oraz obrazowania subdyfrakcyjnego za pomocą dwuwymiarowego urządzenia typu hyperlens. Ta nowatorska technika obrazowania w superrozdzielczości charakteryzuje się zaletami takimi jak obrazowanie w czasie rzeczywistym oraz łatwość implementacji w konwencjonalnej optyce. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny obrazowania w superrozdzielczości, takie jak obrazowanie żywych komórek i dynamicznych nanocząsteczek poniżej limitu dyfrakcyjnego.

Hipersoczewka (hyperlens) to specjalna soczewka sferyczna o strukturze wielowarstwowej, charakteryzująca się płaską dyspersją hiperboliczną, która umożliwia powiększanie informacji o wysokiej częstotliwości oraz uzyskanie rozdzielczości typowej dla podobnych układów optycznych w polu dalekim w czasie rzeczywistym. Główną zaletą sferycznej hipersoczewki jest możliwość powiększania informacji dwuwymiarowej przy częstotliwościach widzialnych. Sferyczną hipersoczewkę można również łatwo zintegrować z konwencjonalną mikroskopią bez konieczności stosowania dodatkowych, złożonych systemów.

Procedurę zademonstrują Dasol Lee i Inki Kim, doktoranci z mojego laboratorium. Na początek na waferze kwarcowym należy rozprowadzić metodą spin-coatingu pozytywny fotorezyst przy 2 000 rpm, a następnie wypiekać przez 60 sekund w temperaturze 90 °C. Następnie, przy użyciu maszyny do dicingu, należy pociąć wafer z fotorezystem na małe kawałki o wymiarach 20 na 20 mm².

Przedmuchaj elementy pistoletem z sprężonym azotem, aby usunąć wszelkie cząsteczki powstałe w wyniku etapu cięcia. Następnie umieść pocięty wafer w kąpieli ultradźwiękowej z wodą dejonizowaną na pięć minut w temperaturze 45 °C. Usuń warstwę fotorezystu, stosując kąpiel ultradźwiękową z acetonem przez pięć minut w temperaturze 45 °C.

Następnie oczyść podłoże, umieszczając je w kąpieli ultradźwiękowej z alkoholem izopropylowym na pięć minut w temperaturze 45 °C. Osusz podłoże za pomocą pistoletu z azotem sprężonym. Aby wytrawić wzór maski, najpierw umieść oczyszczone podłoża kwarcowe w systemie naparowania wiązką elektronów w wysokiej próżni.

Nanieś warstwę chromu z szybkością osadzania wynoszącą dwie angstromy na sekundę. Naciśnij przycisk odpowietrzania, aby odpowietrzyć komorę. Zamocuj próbkę w uchwycie do skupionej wiązki jonów (FIB), używając przewodzącej taśmy miedzianej.

Następnie umieść uchwyt FIB w komorze FIB. Zamknij drzwi komory i naciśnij przycisk pompy, aby odessać powietrze z komory. W zakładce sterowania wiązką wybierz opcję Beam On, a następnie ustaw natężenie prądu wiązki jonowej i napięcie przyspieszające dla trybu FIB.

Włącz system wiązki jonowej. W zakładce sterowania wiązką wybierz opcję Beam On, aby uruchomić wiązkę elektronów, a następnie za pomocą oprogramowania ustaw ostrość obrazu przy niskim powiększeniu. Następnie, w trybie skaningowego mikroskopu elektronowego, ustaw odległość roboczą na 4 mm w zakładce nawigacji.

Ustaw kąt nachylenia uchwytu na 52 stopnie i wykonaj obrazy SEM przy różnych powiększeniach przed wytworzeniem wzoru maski z macierzy otworów. W zakładce wzorowania (patterning) wybierz obszar wzorowania i wykonaj macierz otworów o rozmiarze 50 nanometrów na warstwie chromu. Po zakończeniu wyłącz systemy wiązki elektronowej i wiązki jonowej, a następnie je schłodź.

Naciśnij przycisk odpowietrzania, aby przedmuchać komorę azotem. Następnie wyjmij uchwyt z komory. W kolejnym kroku umieść wzorowany podłoże w roztworze trawiącym tlenek buforowanym w stosunku 1:10 na pięć minut.

Umieść podłoże z naniesionym wzorem w wodzie dejonizowanej, aby wypłukać buforowany trawiciel tlenków. Następnie osusz próbkę sprężonym azotem. Umieść podłoże z naniesionym wzorem w trawicielu chromu, aby usunąć chromową warstwę maskującą.

Na koniec umieść wyprawiony podłoże w wodzie dejonizowanej na pięć minut w celu jego oczyszczenia. Naciśnij przycisk odpowietrzania w systemie naparowania wiązką elektronową i poczekaj do zakończenia procesu odpowietrzania. Następnie, po odpowietrzeniu, wprowadź wyprawione podłoże do wysokopróżniowego systemu naparowania wiązką elektronową.

Zamknij drzwi komory i odessaj powietrze z komory, naciskając przycisk pompy. Nanieś warstwę srebra z szybkością wzrostu 1 Å/s, aż do uzyskania grubości warstwy srebra wynoszącej 15 nm. Po nałożeniu warstwy srebra chłodź podłoże przez pięć minut.

Zmień kieszeń w systemie naparowania wiązką elektronową, wybierając inny tygiel, a następnie nanieś warstwę tlenku tytanu z szybkością wzrostu 1 Å/s. Następnie nanieś warstwę tlenku tytanu o grubości 15 nm. Po naniesieniu warstwy tlenku tytanu chłodź podłoże przez pięć minut.

Powtórz etapy osadzania przez kilkadziesiąt cykli, aby wytworzyć wielowarstwę srebra i tlenku tytanu. Zmień tygiel w systemie naparowania wiązką elektronową i osadź warstwę chromu o grubości 50 nanometrów. Po osadzeniu warstwy chromu wyłącz system naparowania wiązką elektronową.

Naciśnij przycisk odpowietrzania i odpowietrz komorę, wprowadzając azot. Po odpowietrzeniu otwórz drzwi komory i wyjmij uchwyt montażowy z komory. Zdejmij wykonany element hyperlens.

Następnie zamknij drzwi komory i odessaj z niej powietrze, naciskając przycisk pompy. Zamocuj hipersoczewkę z naniesionym chromem w systemie frezowania FIB i wytwórz strukturę nanometryczną zgodnie z instrukcjami producenta. Następnie ustaw konwencjonalny mikroskop optyczny w transmisji na stole optycznym.

Za pomocą adaptera podłącz źródło białego światła do toru oświetlenia mikroskopu. Umieść filtr pasmowo-przepustowy z centrum przy 410 nanometers. Wybierz obiektyw imersyjny o dużym powiększeniu i użyj wysokiej jakości kamery CCD w celu uzyskania obrazów.

Nanieś kroplę olejku imersyjnego na soczewkę obiektywu. Na koniec umieść hyperlens na stole przedmiotowym i wykonaj zdjęcia. Przedstawiony tutaj hyperlens składa się z naprzemiennie naniesionych warstw srebra i tlenku tytanu.

Obraz przekroju poprzecznego pokazuje, że wielowarstwowa cienka powłoka z srebra i tlenku tytanu została osadzona z jednorodną grubością na półsferycznym podłożu kwarcowym. Hyperlens składający się ze srebra i tlenku tytanu wykazuje wysoką wydajność przy długości fali 410 nanometrów, ponieważ relacja dyspersyjna ułożonych warstw ma hiperboliczną krzywą dyspersyjną, jak pokazano tutaj. Komponenty o wysokim przestrzennym wektorze falowym mogą propagować wzdłuż kierunku radialnego hyperlensu.

Małe elementy posiadające wysokoczęstotliwościowe składowe, których nie można zarejestrować za pomocą konwencjonalnej optyki, mogą propagować do pola dalekiego poprzez hyperlens, co wykazano w symulacji metodą elementów skończonych. Po wykonaniu hyperlens może zostać zintegrowany z konwencjonalnym systemem mikroskopowym, co przedstawiono na tym prostym schemacie układu obrazowania z wykorzystaniem hyperlens. Hyperlens jest umieszczany na obiektywie.

W celu zademonstrowania działania hipersoczewki, na jej wewnętrznej powierzchni wyryto sztuczny wzór. Wyniki przedstawiają obrazy zarejestrowane za pomocą hipersoczewki. W każdym przypadku wielkość przerwy wynosi od 160 nanometrów do 180 nanometrów.

Cechy o rozmiarach poniżej limitu dyfrakcji zostały rozdzielone, co potwierdza nadrozdzielczą moc hyperlensu. Opracowanie hyperlensu utorowało drogę do wykorzystania technik obrazowania nadrozdzielczego w badaniu nanometrowych maszynerii biomolekularnych oraz nieorganicznych nanocząsteczek. Po obejrzeniu tego filmu uzyskają Państwo praktyczną wiedzę na temat tego, jak wytworzyć wysokiej jakości hyperlens oraz jak skonfigurować własny system obrazowania nadrozdzielczego.

Przewidujemy, że praktyczność techniki hyperlens zostanie zwiększona dzięki zastosowaniu skalowalnej i powtarzalnej metody wytwarzania. Hyperlens pozwoli naukowcom na obserwację dynamiki biofizycznej zachodzącej w nanoskali w czasie rzeczywistym i będzie służyć jako obrazowanie superrozdzielcze nowej generacji w różnych zastosowaniach, takich jak biologia, nauki medyczne, inżynieria materiałowa i nanotechnologia.