Demonstração de um microscópio integrado Hyperlens e super resolução imagem

O objetivo geral deste procedimento experimental é demonstrar o processo de fabricação e a imagem de subdifração do dispositivo de hiperlente bidimensional. Esta nova técnica de imagem de super-resolução tem as vantagens de imagens em tempo real e implementação simples para óptica convencional. Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo da imagem de super-resolução, como imagens de células vivas e nanopartículas dinâmicas abaixo do limite de fração.

A hiperlente é uma lente esférica especial com estrutura multicamada com uma dispersão hiperbólica plana que suporta a ampliação de informações de alta frequência e resolução de óptica semelhante no campo distante em tempo real. A principal vantagem da hiperlente esférica é que ela pode ampliar informações bidimensionais em frequências visíveis. Uma hiperlente esférica também pode ser facilmente integrada à microscopia convencional sem sistema complexo adicional.

Demonstrando o procedimento estarão Dasol Lee e Inki Kim, que são alunos de pós-graduação do meu laboratório. Para começar, gire o revestimento do wafer de quartzo com um fotorresistente positivo a 2.000 rpm e leve ao forno por 60 segundos a 90 graus Celsius. Em seguida, use uma máquina de corte em cubos para cortar o wafer com fotorresistente em pequenos pedaços de 20 por 20 milímetros quadrados de tamanho.

Sopre as peças usando uma pistola de nitrogênio comprimido para remover quaisquer partículas resultantes da etapa de corte. Em seguida, coloque o wafer cortado em um banho ultrassônico de água deionizada por cinco minutos a 45 graus Celsius. Remova a camada fotorresistente usando um banho ultrassônico de acetona por cinco minutos a 45 graus Celsius.

Em seguida, limpe o substrato colocando-o em um banho ultrassônico de álcool isopropílico por cinco minutos a 45 graus Celsius. Seque o substrato com uma pistola de nitrogênio comprimido. Para gravar o padrão da máscara, primeiro carregue os substratos de quartzo limpos em um sistema de evaporação de feixe de elétrons de alto vácuo.

Deposite a camada de cromo com uma taxa de deposição de dois angstroms por segundo. Pressione o botão de ventilação para ventilar a câmara. Monte uma amostra no feixe de íons focalizado ou no suporte FIB usando fita de cobre condutora.

Em seguida, carregue o suporte FIB na câmara FIB. Feche a porta da câmara e pressione o botão da bomba para evacuar a câmara. Selecione Feixe ligado na guia de controle do feixe e defina a corrente do feixe de íons e a tensão de aceleração para o modo FIB.

Ligue o sistema de feixe de íons. Selecione Feixe ligado na guia de controle do feixe para ativar o feixe de elétrons e focar a imagem com baixa ampliação usando o software. Em seguida, defina a distância de trabalho para quatro milímetros na guia de navegação no modo de microscópio eletrônico de varredura.

Defina o ângulo de inclinação do suporte para 52 graus e tire as imagens SEM em diferentes ampliações antes da fabricação do padrão de máscara de matriz de furos. Na guia de padronização, escolha a região de padronização e faça uma matriz de furos de 50 nanômetros na camada de cromo. Depois de terminar, desligue os sistemas de feixe de elétrons e feixe de íons e resfrie-os.

Pressione o botão de ventilação para ventilar a câmara com gás nitrogênio. Em seguida, retire o suporte da câmara. Em seguida, coloque o substrato padronizado em um a 10 condicionantes de óxido tamponado por cinco minutos.

Coloque o substrato padronizado em água deionizada para limpar o óxido tamponado Em seguida, seque a amostra com gás nitrogênio comprimido. Coloque o substrato padronizado em corrosão de cromo para remover a camada de máscara de cromo.

Por fim, coloque o substrato padronizado em água deionizada por cinco minutos para limpá-lo. Pressione o botão de ventilação do sistema de evaporação do feixe de elétrons e aguarde até que a ventilação termine. Em seguida, carregue o substrato padronizado em um sistema de evaporação de feixe de elétrons de alto vácuo após a ventilação.

Feche a porta da câmara e evacue a câmara pressionando o botão da bomba. Deposite a camada de prata com uma taxa de crescimento de um angstrom por segundo e deposite uma camada de prata de 15 nanômetros de espessura. Após a deposição da camada de prata, resfrie o substrato por cinco minutos.

Troque a bolsa do sistema de evaporação do feixe de elétrons escolhendo outro cadinho e deposite a camada de óxido de titânio com uma taxa de crescimento de um angstrom por segundo. Em seguida, deposite uma camada de óxido de titânio de 15 nanômetros de espessura. Após a deposição da camada de óxido de titânio, resfrie o substrato por cinco minutos.

Repita as etapas de deposição por dezenas de ciclos para depositar uma multicamada de óxido de prata e titânio. Troque a bolsa do sistema de evaporação do feixe de elétrons e deposite a camada de cromo com uma espessura de 50 nanômetros. Após a deposição de uma camada de cromo, desligue o sistema de evaporação do feixe de elétrons.

Pressione o botão de ventilação e ventile a câmara introduzindo gás nitrogênio. Após a ventilação, abra a porta da câmara e retire o suporte de montagem da câmara. Retire o dispositivo de hiperlente fabricado.

Em seguida, feche a porta da câmara e evacue a câmara pressionando o botão da bomba. Monte as hiperlentes depositadas com cromo no sistema de fresagem FIB e padronize uma estrutura de tamanho nanométrico de acordo com as instruções do fabricante. Em seguida, coloque um microscópio óptico convencional do tipo transmissão na mesa óptica.

Conecte uma fonte de luz branca ao caminho de iluminação do microscópio usando um adaptador. Coloque um filtro passa-banda óptico centralizado em 410 nanômetros. Selecione uma lente objetiva de imersão em óleo de alta ampliação e use uma câmera CCD de alta qualidade para obter as imagens.

Coloque uma gota de óleo de imersão na lente objetiva. Por fim, coloque uma hiperlente no estágio de amostra e capture as imagens. Aqui é mostrada uma hiperlente composta de multicamadas de óxido de prata e titânio depositadas alternadamente.

A imagem transversal mostra que a multicamada de filme fino de óxido de prata e titânio é depositada com espessura uniforme no substrato de quartzo hemisférico. Uma hiperlente consistindo de óxido de prata e titânio tem um ótimo desempenho no comprimento de onda de 410 nanômetros porque a relação de dispersão das multicamadas empilhadas tem uma curva de dispersão hiperbólica, como mostrado aqui. Componentes vetoriais de ondas espaciais altas podem se propagar ao longo da direção radial da hiperlente.

As pequenas características com componentes de alta frequência que não podem ser capturadas pela óptica convencional podem se propagar para o campo distante através da hiperlente, conforme calculado pela simulação de elementos finitos. Após a fabricação, a hiperlente pode ser integrada ao sistema de microscópio convencional, conforme mostrado neste esquema simples do sistema de imagem da hiperlente. A hiperlente é colocada na lente objetiva.

Para demonstração do hipercristalino, um padrão artificial é inscrito na superfície interna do hiperlente. Os resultados mostram as imagens capturadas através do hiperlente. Os tamanhos das lacunas são de 160 nanômetros a 180 nanômetros em cada caso.

As características limitadas de subdifração são resolvidas e o poder de super-resolução da hiperlente pode ser confirmado. O desenvolvimento da hiperlente abriu caminho para a técnica de imagem de super-resolução para explorar a maquinaria de biomoléculas de tamanho nanométrico e nanopartículas inorgânicas. Depois de assistir a este vídeo, você pode ter uma boa compreensão de como fabricar uma hiperlente de alta qualidade e configurar seu próprio sistema de imagem de super-resolução.

Esperamos que a técnica do hiperlente seja aprimorada em praticidade com a adoção de um método de fabricação escalável e reprodutível. A hiperlente permitirá que os cientistas observem a dinâmica biofísica que ocorre em escala nano em tempo real e funcionem como a próxima geração de imagens de super-resolução em várias aplicações, como biologia, ciência médica, ciência dos materiais e nanotecnologia.