Artigo de método

Demonstração de um microscópio integrado Hyperlens e super resolução imagem

DOI:

10.3791/55968

⸱

8 de setembro de 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

Neste artigo

Resumo

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O uso de um hyperlens tem sido considerado como uma técnica de imagem de romance Super-resolução devido a suas vantagens na geração de imagens em tempo real e sua implementação simples com fibra óptica convencional. Aqui, apresentamos um protocolo descreve a fabricação e aplicativos de um esférico hyperlens de imagem.

Resumo

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

O uso de super resolução de imagem para superar o limite de difração de microscopia convencional tem atraído o interesse de pesquisadores em biologia e nanotecnologia. Embora superlenses e microscopia de campo próximo melhoraram a resolução na região de campo próximo, distante-campo imagem em tempo real permanece um desafio significativo. Recentemente, o hyperlens, o que amplia e converte ondas evanescentes em ondas de propagação, surgiu como uma nova abordagem para longe-campo de imagem. Aqui, nós relatamos a fabricação de um hyperlens esférica composta alternando camadas finas de titânio óxido (TiO2) e prata (Ag). Ao contrário de um hyperlens cilíndricos convencionais, o esférico hyperlens permite ampliação bidimensional. Assim, a incorporação em microscopia convencional é simples. Propõe-se um novo sistema ótico integrado com o hyperlens, permitindo uma imagem de comprimento de onda sub obtidos na região de campo distante em tempo real. Neste estudo, a fabricação e os métodos de instalação de imagem são explicados em detalhes. Este trabalho também descreve a acessibilidade e a possibilidade do hyperlens, bem como aplicações práticas de geração de imagens em tempo real em células vivas, o que pode levar a uma revolução na biologia e nanotecnologia.

Introdução

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Um desejo de observar biomoléculas em células vivas conduziu à invenção da microscopia e o advento da microscopia propagada a revolução de vários campos, tais como a biologia, patologia e ciência de materiais, nos últimos séculos. No entanto, mais avanço da pesquisa foi restringido por difração, o que limita a resolução dos microscópios convencionais, a aproximadamente metade do comprimento de onda1. Portanto, Super resolução de imagem para superar o limite de difração tem sido uma área de pesquisa interessante nas últimas décadas.

Como o limite de difração é atribuído à perda das ondas evanescentes que contêm informações de comprimento de onda secundário em objetos, primeiros estudos foram realizados para impedir ondas evanescentes sumindo ou de recuperá-los de2,3. O esforço para superar o limite de difração foi primeiramente relatado com microscopia óptica, que recolhe o campo evanescente em estreita proximidade com o objeto antes que seja dissipada2perto de campo. No entanto, como a digitalização da região de toda a imagem e reconstruindo o leva um longo tempo, não pode ser aplicada para geração de imagens em tempo real. Embora outra abordagem baseada em "superlenta," que amplifica as ondas evanescentes, fornece a possibilidade de geração de imagens em tempo real, imagem de comprimento de onda sub só é capaz na região de campo próximo e não posso chegar muito além os objetos4, 5 , 6 , 7.

Recentemente, a hyperlens surgiu como uma nova abordagem para tempo real consideravelmente-campo óptico de imagem8,9,10,11,12. O hyperlens, que é feito de metamateriais hiperbólica altamente anisotrópico13, apresenta uma dispersão plana hiperbólica para que suporta alta informação espacial com a mesma velocidade de fase. Além disso, devido a lei de conservação de impulso, o vetor de onda transversal elevada gradualmente é comprimida como a onda atravessa a geometria cilíndrica. Esta informação ampliada, portanto, pode ser detectada por um microscópio convencional na região de campo distante. Isto é de particular importância para a imagem latente de longe-campo em tempo real, como não exige qualquer reconstrução de digitalização ou imagem de ponto-a-ponto. Além disso, o hyperlens pode ser usado para aplicações que não sejam imagens, incluindo Nanolitografia. Luz que passa através do hyperlens na direção inversa será focado em uma área de difração sub devido a simetria do tempo invertido14,15,16.

Aqui, nós relatamos em um hyperlens esférica que amplia a informação bidimensional na frequência visível. Ao contrário de geometria cilíndrica convencional, o esférico hyperlens amplia objetos em duas dimensões laterais, facilitando as aplicações práticas da imagem latente. O método de fabricação e instalação de imagens com o hyperlens são apresentadas em detalhes para a reprodução de um hyperlens de alta qualidade. Um objeto secundário de comprimento de onda está inscrita no hyperlens para o bem provando seu poder de super-resolução. Confirma-se que pequenas características de objetos inscritos são ampliadas pelo hyperlens. Assim, obtêm-se imagens claramente resolvidas, na região de campo distante em tempo real. Este novo tipo de hyperlens esféricas, com sua facilidade de integração com microscopia convencional, oferece a possibilidade de aplicações práticas da imagem latente, levando ao amanhecer de uma nova era em biologia e Patologia geral nanociência.

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Protocolo

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1. preparo do substrato

  1. obter altamente refinado da bolacha de quartzo. Para a fabricação relatada aqui, use uma bolacha com uma espessura de 500 µm.
    2. S
  2. spin-casaco a bolacha de quartzo com um positivo fotorresiste a 2.000 rpm e asse por 60 a 90 ° C.
    Nota: A camada de fotorresiste positivo é revestida para evitar danos durante a etapa de corte posterior.
  3. Usar uma máquina de corte em cubos para cortar pequenos pedaços de 20 x 20 mm 2 no tamanho da pastilha com fotorresiste.
  4. Explodir usando uma arma de nitrogênio comprimido para remover as partículas resultantes da etapa de corte.
  5. Colocá-lo em um banho ultra-sônico em água desionizada de (DI) durante 5 min à 45 ° C. Remove a camada de fotorresiste usando banho de ultra-sons em acetona durante 5 min à 45 ° C. limpar o substrato usando dois banhos ultrassônicos, acetona e álcool isopropílico, cada um por 5 min em 45 ° C.
  6. Secar o substrato com uma arma de nitrogênio comprimido.

2. Gravura a máscara padrão

sistema de evaporação de feixe de substratos de quartzo
  1. carga a limpo em um elétron de alto vácuo. Certifique-se de que a rotação do substrato está habilitada.
  2. Depositar a camada de cromo com uma taxa de deposição de 2 Å/s.
    Nota: Uma camada de pelo menos 100 nm de espessura deve ser depositada para a máscara de gravura evitar furos feitos de deposição.
  3. Pressione o botão de ventilação para a câmara de ventilação e montar uma amostra sobre o titular do feixe (FIB) de íon focalizado usando conduzindo a fita de cobre.
  4. Carregar o titular FIB na câmara FIB.
  5. Fechar a porta da câmara e pressione o botão da bomba para evacuar a câmara de.
  6. Selecionar " feixe na " sob a guia de controle do feixe e conjunto o íon feixe corrente (7.7 pA) e a tensão de aceleração (30 kV) para modo de FIB.
  7. Ligar o sistema de feixe de iões.
  8. Selecionar " feixe na " sob a guia de controle do feixe para ativar o feixe de elétrons e focar a imagem com baixa ampliação usando software.
  9. Definir a distância de trabalho (WD) em 4 mm sob a aba de navegação no modo de microscópio eletrônico de varredura (MEV).
  10. Definir o ângulo de inclinação do titular a 52° e levar as imagens SEM em diferentes ampliações antes fabricação de padrão do buraco matriz máscara.
  11. Sob a guia de padronização, escolha a região de padronização e fazer uma matriz de furo 50 nm sobre a camada de cromo.
    Nota: Existem simples ferramentas acessíveis sob a guia de padronização de padronização. Controle de exposição e geometria mais complexo pode ser conseguido importando bitmaps ou gerar scripts de.
  12. Depois de terminar, desligar o feixe de elétrons e feixes de iões sistemas e esfriar o sistema.
  13. Pressione o botão de ventilação e ventilação da câmara com gás nitrogênio. Tirar o titular da câmara de.
  14. Fechar a porta da câmara e evacuar a câmara pressionando o botão da bomba.

3. Molhado-gravura, processo e remoção da camada de máscara

  1. colocar o substrato modelado em 01:10 em buffer óxido ácido 5 min.
    Nota: O quartzo é seletivamente e isotropicamente molhado-gravadas pelo condicionador e constitui uma forma esférica. A forma da lente pode ser obtida com a máscara de gravura, e o diâmetro é controlado precisamente pelo tempo de condicionamento. Uma melhor forma esférica pode ser formada com um diâmetro menor do padrão. Um hemisfério de 1,5 µm de diâmetro pode ser obtido dentro de 5 min.
  2. Colocar o substrato modelado em DI água para limpar o condicionador de óxido tamponada (5 min, duas vezes).
    Nota: No buffer óxido ácido pode ser perigoso, portanto, tenha cuidado ao usar este condicionador.
  3. Secar a amostra com gás nitrogênio comprimido.
  4. Colocar o substrato modelado em condicionador de cromo CR-7 para remover a camada de máscara cromo.
    Nota: Depois de remover a camada de cromo, um substrato modelado esférico 1,5 µm de diâmetro podem ser obtidos.
  5. Colocar o substrato modelado em DI água para limpá-lo (5 min).

4. Deposição de multicamadas e nanométricas objeto inscrição

Nota: um par de camadas são depositadas sobre o substrato de quartzo esférico. Aqui, Ag e TiO 2 são usados como os materiais de deposição. AG e TiO 2 são depositados alternadamente em uma espessura de 15 nm.

  1. Pressione o botão de ventilação do sistema de evaporação feixe de elétron e esperar até que a ventilação acabou.
  2. Carregar o substrato modelado em um sistema de evaporação de feixe de elétrons de alto vácuo após o respiradouro.
  3. Fechar a porta da câmara e evacuar a câmara a um grau de vácuo de 10 -7 Torr, pressionando o botão da bomba.
    Nota: A condição de vácuo deve ser mantida em 10 -7 Torr para reduzir a dispersão da rugosidade da superfície.
  4. Depositar a camada de Ag com uma taxa de crescimento de 1 Å / s e depositar uma camada de Ag 15 nm de espessura.
  5. Após a deposição de camada de Ag, arrefecer o substrato para a 5 min.
  6. Mudar o bolso do sistema de evaporação de feixe de elétrons, escolhendo outro cadinho e depositar a TiO 2 camadas com uma taxa de crescimento de 1 Å/s. o depósito de uma camada de 2 TiO nm de espessura 15.
    Nota: Durante o processo de deposição, a taxa de crescimento de filme é mantida baixa para manter a uniformidade da rugosidade da superfície.
  7. Após a deposição da camada 2 TiO, arrefecer o substrato para a 5 min.
  8. Repita etapas 4.4-4,7 para dezenas de ciclos para depositar uma multicamadas de Ag e TiO 2.
    Nota: neste ponto, a fabricação de hyperlens acabou. O próximo passo é para fazer um recurso de sub-diffraction-limited arbitrário para testar a capacidade de imagem hyperlens. Nanômetros de tamanho aberturas e fendas são inscritos pela trituração de FIB.
  9. Mudar o bolso do sistema de evaporação de feixe de elétrons e depositar a camada de cromo em uma espessura de 50 nm.
  10. Após a deposição de uma camada de Cr, desligue o sistema de evaporação de feixe de elétrons. Pressione o botão de ventilação e a câmara de ventilação através da introdução de gás nitrogênio.
  11. Após o respiradouro, abra a porta da câmara e pegue o suporte de montagem fora da câmara. Retirar o dispositivo fabricado hyperlens.
  12. Fechar a porta da câmara e evacuar a câmara pressionando o botão da bomba.
  13. Montar o hyperlens depositados com cromo em sistema de moagem a FIB e uma estrutura de tamanho nano, pelo fabricante do teste padrão ' instruções de s.

5. Ajuste acima o Imaging System e procedimento Imaging

  1. lugar um convencional microscópio óptico de transmissão-tipo na mesa óptica.
    Nota: Aqui, um microscópio óptico invertido foi usado como o principal corpo.
  2. Se conectar a uma fonte de luz branca para o caminho de iluminação do microscópio usando um adaptador.
  3. Colocar um filtro óptico passa-banda centrado em 410 nm.
    Nota: O filtro passa-banda seletivamente penetra o comprimento de onda específico de luz; aqui, luz de nm 410 é iluminado na amostra. Um hyperlens consistindo de Ag e TiO 2 tem alto desempenho em um comprimento de onda nm 410. O resultado de simulação ( Figura 2C) mostra o desempenho da hyperlens, que satisfaça a relação de dispersão hiperbólica em 410 luz nm.
  4. Selecione uma óleo de alta ampliação-imersão da lente objetiva. Use uma câmera CCD de alta qualidade para obter as imagens.
    Nota: Esta definição óptica só coloca a proibiçãodpass filtro para o caminho de iluminação para classificar para fora a luz de comprimento de onda 410 nm. Comprimento de onda específico de luz pode ser iluminado com a amostra sem o uso de luz branca, mas em um laboratório normal, microscópios ópticos podem ter uma fonte de luz branca para a observação de amostras através de campo claro ou fluorescência imagens.
  5. Coloque uma gota de óleo de imersão sobre a lente objetiva. Coloque um hyperlens sobre as amostra palco e captura de imagens.
    Nota: Os objetos nanométricas inscritos na superfície interna do hyperlens podem ser iluminados com luz de nm 410. Com o hyperlens, os objetos nanométricas serão ampliados e capturados pela lente objetiva e fotografados por uma câmera CCD.

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Resultados

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A capacidade do dispositivo hyperlens de resolver características de difração sub baseia-se na sua uniformidade e em uma alta qualidade fabricação. Aqui, um hyperlens é composto por uma multicamadas de Ag e TiO2 depositado alternadamente. Figura 2a mostra a imagem SEM um bem-feito hyperlens17. A imagem transversal mostra que o multicamada de Ti e Ag3O5 filme fino é depositada com uma espessura uniforme ...

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Discussão

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A fabricação de um hyperlens inclui três etapas principais: definição de geometria hemisférica no substrato de quartzo, através de um processo molhado-gravura, empilhando a metal e dielétrica multicamada usando um sistema de evaporação de feixe de elétrons e inscrever o objeto na camada de Cr. O passo mais importante é o segundo, desde que possa afetar significativamente a qualidade do hyperlens. No processo de deposição de película fina, há duas condições que exigem cuidados especiais para uma imagem clara super resolvi...

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Divulgações

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Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.

Agradecimentos

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Este trabalho é apoiado financeiramente pelo programa jovem investigador (NRF-2015R1C1A1A02036464), programa do centro de pesquisa de engenharia (NRF-2015R1A5A1037668) e programa de fronteira Global (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. reconhece o pH.d. Global Bolsas (NRF-2017H1A2A1043204,-2017H1A2A1043322, NRF NRF-2016H1A2A1906519), através da concessão de pesquisa nacional Fundação da Coreia (NRF) financiado pelo Ministério da ciência, TIC e futuro planejamento (MSIP) do governo coreano.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Fresadora de feixe de íons focalizadosFEIHelios Nanolab G3 CX
Sistema de evaporação de feixe eletrônicoCoréia Tecnologia de vácuoKVE-E4000
Microscopia eletrônica de varreduraHitachiSU6600
Microscopia invertidaZeissAxiovert 200
Fonte de luzEXCELITAS TechnologiesX-Cite 110 LED
Filtro de passagemde banda ChromaET405 / 30M
Lente objetivaZeissPlan-ApochromatNA=1.3, câmera
CCD100X AndorZyla 4.2
Bolacha de quartzoCORNINGSílica fundida Corning 7980
Óxido tamponadoJ.T Baker TMJ.T.Baker 5175
PhotoresistAZ eletrônico materiaisGXR-601 PR
Corrosão de cromoSIGMA-ALDRICH651826
AcetonJ.T Baker TMUN1090
Álcool isopropílicoJ.T Baker TMUN1219
Ferramenta de simulação FEMCOMSOL 5.1 Multifísica
etc.

Referências

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  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).

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