Method Article

Демонстрация Hyperlens интегрированы микроскопа и супер-резолюции изображений

DOI:

10.3791/55968

⸱

September 8th, 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)

In This Article

Summary

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

Использование hyperlens рассматривалось как Роман суперразрешением изображений техники из-за ее преимущества в реальном времени обработки изображений и его простой реализации с обычными оптикой. Здесь мы представляем Протокол описания изготовления и обработки изображений приложений сферических hyperlens.

Abstract

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

Использование супер-резолюции изображений преодолеть дифракционный предел обычных микроскопии привлекла интерес исследователей в области биологии и нанотехнологий. Хотя резолюции в регионе Ближнего поля улучшение сканирующая микроскопия ближнего поля и superlenses, дальнего поля изображения в режиме реального времени остается серьезной проблемой. Недавно hyperlens, которая увеличивает и преобразует затухающих волн в распространении волны, стал новый подход к дальнего поля изображений. Здесь мы приводим изготовления сферических hyperlens состоит из чередующихся серебра (Ag) и тонких слоев титана оксид (TiO2). В отличие от обычных цилиндрических hyperlens сферических hyperlens позволяет для двумерных масштаб. Таким образом включение в обычных микроскопии проста. Предлагается новая оптическая система интегрирована с hyperlens, позволяя для изображения суб волны можно получить в регионе дальнего поля в режиме реального времени. В этом исследовании изготовления и обработки изображений методы установки описаны в деталях. Эта работа также описывает доступность и возможность hyperlens, а также практического применения в реальном времени изображений в живых клетках, которые могут привести к революции в области биологии и нанотехнологий.

Introduction

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

Желание наблюдать биомолекул в живых клетках привело к изобретению микроскопии, и появлением микроскопии распространяются революции в различных областях, как биология, патологии и материаловедения, за последние несколько столетий. Однако дальнейшее продвижение исследований была ограничена дифракцией, который ограничивает разрешение обычного Микроскопы около половины длины волны1. Таким образом, супер резолюции изображений преодолеть дифракционный предел был интересной областью исследований в последние десятилетия.

Дифракционный предел отнесена к потере затухающих волн, которые содержат вложенные волны информацию об объектах, ранние исследования были проведены для держать затухающих волн от увядать прочь или восстановления их2,3. Усилия, чтобы преодолеть дифракционный предел сперва был сообщен с ближнепольной оптической микроскопии, который собирает затухающих поля в непосредственной близости к объекту, прежде чем это dissipated2сканирование. Однако как сканирование всего изображения региона и реконструкции она занимает долгое время, он не может применяться в режиме реального времени. Хотя другой подход, основанный на «superlens», который усиливает затухающих волн, предоставляет возможность в реальном времени изображений, вложенных волны изображений способна только в регионе Ближнего поля и не может достичь далеко за пределы объектов4, 5 , 6 , 7.

Недавно hyperlens возник как новаторский подход в реальном времени дальнего поля оптических изображений8,9,10,11,12. Hyperlens, которая состоит из высоко анизотропной гиперболических metamaterials13, экспонаты плоский гиперболических дисперсии так, что он поддерживает высокой пространственной информации с той же скоростью фазы. Кроме того из-за закон сохранения импульса, высокой поперечной wavevector постепенно сжимается как волна проходит через цилиндрической геометрии. Это увеличенное информацию таким образом могут быть обнаружены обычных микроскопа в регионе дальнего поля. Это особенно важное значение для реального времени дальнего поля изображений, как он не требует каких-либо точка за точкой сканирования или образа восстановления. Кроме того hyperlens может использоваться для приложений, отличных от изображений, включая нанолитографию. Свет, который проходит через hyperlens в обратном направлении будет сосредоточена на суб дифракции область благодаря симметрии поворот времени14,,1516.

Здесь мы сообщаем о сферических hyperlens, который увеличивает двумерных информацию на видимые частоте. В отличие от обычных цилиндрической геометрии сферических hyperlens увеличивает объекты в двух боковых измерениях, облегчения практических приложений визуализации. Метод изготовления и обработки изображений установки с hyperlens представлены в деталях для размножения hyperlens высокого качества. Объект суб волны вписан на hyperlens ради доказать свою власть супер разрешения. Он подтвердил, что небольшие особенности именных объектов усугубляются hyperlens. Таким образом четко урегулирован изображения получены в регионе дальнего поля в режиме реального времени. Этот новый тип сферических hyperlens, с его простотой интеграции с обычными микроскопии, обеспечивает возможность практического графических приложений, ведущих к заре новой эры в биологии и патологии, общие нанонауки.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. подготовка субстрата

  1. получить очень утонченной кварцевых пластин. Для изготовления сообщили здесь, использовать пластины толщиной 500 мкм.
    2. S
  2. спин пальто кварцевых пластин с позитивного фоторезиста на 2000 об/мин и выпекать в течение 60 на 90 ° C.
    Примечание: Уровень позитивного фоторезиста покрытием для предотвращения повреждения на этапе последующей резки.
  3. Использовать Ножевая машина разрезать на мелкие кусочки 20 x 20 мм 2 размер пластин с фоторезиста.
  4. Удар, используя пистолет сжатого азота для удаления твердых частиц в результате резки шаг.
  5. Поместить его в ультразвуковой ванне в деионизированной воде (DI) за 5 минут на 45 ° C. удаления фоторезиста слой с помощью ультразвуковой ванне в ацетоне 5 минут на 45 ° C. чистой подложки, используя две ультразвуковые ванны, ацетон и изопропиловый спирт, каждый на 5 мин в 45 ° с.
  6. Сухой субстрат с ружьем сжатый азот.

2. Травления маска картина

  1. нагрузки чистого кварца субстратов в электрон высокого вакуума пучка система испарения. Убедитесь, что включена субстрата вращение.
  2. Депозит слой хрома с скорость осаждения 2 Е/s.
    Примечание: По крайней мере 100 Нм толщиной слоя должны быть зачислены для травления маски для предотвращения проколов, сделанные из осаждения.
  3. Нажмите на кнопку сброса вентиляционные камеры и смонтировать образец на держателе сфокусированные ионные пучка (FIB), с помощью проведения медной лентой.
  4. Загрузить держателя FIB в зале FIB.
  5. Закройте дверь камеры и нажмите кнопку насоса, чтобы эвакуировать камеры.
  6. Выберите " пучка на " под луч вкладка Управление и набор Ион луч тока (7.7 ПА) и ускорение напряжения (30 кв) для режима FIB.
  7. Включите систему луча иона.
  8. Выберите " пучка на " под луч вкладка Управление для включения электронного луча и резкость изображения с низким увеличением, с использованием программного обеспечения.
  9. Установить рабочее расстояние (WD) на 4 мм на вкладке Навигация в режиме сканирующего электронного микроскопа (SEM).
  10. Присвоено 52° Угол наклона держателя и принимать изображения SEM при различных увеличениях перед отверстие массив маска шаблон изготовление.
  11. На вкладке патронирования, выберите регион кучность и сделать отверстие массив из 50 Нм на слое хрома.
    Примечание: Существует простой кучность инструменты, доступные на вкладке патронирования. Более сложной геометрии и воздействия контроля может быть достигнуто путем импорта точечных рисунков или генерации скриптов.
  12. После окончания, выключите электронно-лучевые и ионного пучка систем и охлаждения системы.
  13. Нажмите на кнопку сброса и вентиляционные камеры с газом азота. Выньте держатель из палаты.
  14. Закройте дверь камеры и эвакуировать камеру, нажав кнопку насоса.

3. Влажные травления процесса и удаление слоя маски

  1. Put узорной субстрата в 1:10 буферизуются оксид etchant для 5 минут
    Примечание: Кварц выборочно и эффективная изотропно мокрой травленная на etchant и образует сферическую форму. Форму линзы могут быть получены с маской травления, и диаметр точно контролируется времени травления. Более сферической формы могут быть сформированы с меньшего диаметра шаблон. 1,5 мкм диаметр полушария могут быть получены в течение 5 минут
  2. Поместить узорной субстрата в ди воды для очистки буферизации оксид etchant (5 мин., два раза).
    Примечание: Etchant буферизации оксида может быть опасным, так что будьте осторожны при использовании этой etchant.
  3. Сухой образца сжатым азотом.
  4. Поместить узорной субстрата в etchant хрома CR-7 для удаления маски слоя хрома.
    Примечание: После удаления слоя хрома, сферической узорной субстрата 1,5 мкм в диаметре можно получить.
  5. Поместить узорной субстрата в ди воду для очистки (5 мин).

4. Многослойные осаждения и нано размера объекта надпись

Примечание: пара слои залегают на подложке сферических кварца. Здесь АГ и TiO 2 используются как осаждения материалы. AG и TiO 2 поочередно осаждаются при толщине 15 Нм.

  1. Нажмите на кнопку сброса системы испарения пучка электронов и дождитесь вентиляционные.
  2. Загрузить узорной субстрата в систему испарения пучка электронов высокого вакуума после вентиляционные.
  3. Закройте дверь камеры и эвакуировать палата в вакуумной степени 10 -7 Торр, нажав кнопку насоса.
    Примечание: Состояние вакуума должны храниться на 10 -7 торр для уменьшения рассеяния от поверхности шероховатость.
  4. Депозит Ag слой с темпом роста 1 Å / s и депозит 15 Нм толстый слой Ag.
  5. После осаждения Ag слоя охладить вниз субстрат для 5 минут
  6. Изменить подвесные системы испарения пучка электронов, выбрав другой тигель и хранение TiO 2 слоя с темпом роста 1 Е/s. депозит 15 Нм толстый слой TiO 2.
    Примечание: Во время процесса осаждения, темпы роста фильм сохраняется низкий поддерживать однородность шероховатости.
  7. После осаждения TiO 2 слоя охладить вниз субстрат для 5 минут
  8. Повторите шаги 4.4-4.7 для десятков циклов внести многослойные Ag и TiO 2.
    Примечание: на данный момент, изготовление hyperlens закончилась. Следующий шаг — для создания произвольных суб-diffraction-ограниченной функция для тестирования hyperlens изображений способности. Вписано нанометрового размера отверстия и прорези фрезерованием FIB.
  9. Изменить подвесные системы испарения пучка электронов и хранение слой хрома толщиной 50 Нм.
  10. После осаждения Cr слоя, выключите систему испарения пучка электронов. Нажмите на кнопку сброса и вентиляционные камеры путем введения газ азот.
  11. После сброса, откройте дверь камеры и выньте держатель из камеры. Сдирать устройства изготовлены hyperlens.
  12. Закройте дверь камеры и эвакуировать камеру, нажав кнопку насоса.
  13. Горы hyperlens, сданных хрома в FIB, фрезерные системы и шаблон нано размера структуры, за производителя ' s инструкции.

5. Созданию Imaging системы и процедуры обработки изображений

  1. место обычного тип передачи оптический микроскоп оптический таблицы.
    Примечание: Здесь, Перевернутый оптический микроскоп был использован в качестве основного органа.
  2. Подключение источника белого света к Микроскоп освещение пути, с помощью адаптера.
  3. Место оптических полосовой фильтр, центрированного 410 Нм.
    Примечание: Полосовой фильтр выборочно проникает определенной длины волны света; Здесь 410 Нм свет горит на образце. Hyperlens, состоящая из АГ и TiO 2 имеет высокую производительность при длине волны 410 Нм. В результате моделирования ( рис. 2 c) показывает производительность hyperlens, который удовлетворяет отношение гиперболический дисперсии на 410 Нм свет.
  4. Выберите объектив высокого увеличения масла погружения. Используйте ПЗС-камеры высокого качества для получения изображения.
    Примечание: Этот оптический параметр просто ставит запретdpass фильтр в путь света освещение разобраться 410 Нм длины волны света. Определенной длины волны света может быть освещен на образце без использования белый свет, но в обычной лаборатории, оптические микроскопы могут иметь источника белого света для наблюдения за образцы через ярко поле или флуоресценции изображений.
  5. Поместите каплю масла погружения на объективе. Место hyperlens на сцене и захвата изображения образца.
    Примечание: Именные наноразмерных объектов на внутренней поверхности hyperlens может быть освещен светом 410 Нм. С hyperlens, нано размера объектов будут увеличивать и захвачен объектива и образы CCD камеры.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Способность hyperlens устройства для разрешения функции суб дифракции опирается на его однородности и высокое качество изготовления. Здесь hyperlens состоит из многослойных Ag и TiO2 хранение попеременно. Рисунок 2a показывает изображение SEM хорошо сделал hyperlens17. Поперечного сечения изображение показывает, что многослойных Ag и Ti3O5 тонкой пленки наносится с равномерной толщины на подложке полусф...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Изготовление hyperlens включает три основных этапа: определение полусферической геометрии в субстрат кварц через процесс мокрой травление, укладки металла и диэлектрических многослойных с помощью системы испарения пучка электронов и вписания объект на слое, Cr. Наиболее важным шагом является вторым, так как это может существенно повлиять на качество hyperlens. В процессе осаждения тонких пленок существует два условия, которые требуют особого ухода для четкого изображения супер-решена. Укладка многослойных конформно являе...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Авторы заявляют, что они не имеют никаких финансовых интересов.

Acknowledgements

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

Эта работа финансируется молодой исследователь программы (СР 2015R1C1A1A02036464), Инженерно-исследовательский центр программы (СР 2015R1A5A1037668) и программа глобального Frontier (CAMM-2014M3A6B3063708), м.к., с.с., и.к. признать глобальный к.т.н. Стипендии (СР 2017H1A2A1043204, СР 2017H1A2A1043322, СР 2016H1A2A1906519) через Национальный фонд исследований Кореи (NRF) Грант, финансируемый министерством науки, ИКТ и будущего планирования (MSIP) корейского правительства.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Фрезерный станок для сфокусированных ионовFEIHelios Nanolab G3 CX
E-beam испарительная системаКорея Vacuum TechKVE-E4000
Сканирующая электронная микроскопияHitachiSU6600
Инвертированная микроскопияZeissAxiovert 200
Источник светаEXCELITAS TechnologiesX-Cite 110 LED
Полосовой фильтрChromaET405/30M
ОбъективZeissPlan-ApochromatNA=1.3, 100X
CCD камераAndorZyla 4.2
Кварцевая пластинаCORNINGПлавленый диоксид кремния Corning 7980
Буферный оксидный травительJ.T Baker TMJ.T.Baker 5175
ФоторезистAZ электронный материалыGXR-601 PR
Хромовый травительSIGMA-ALDRICH651826
АцетонJ.T Baker TMUN1090
Изопропиловый спиртJ.T Baker TMUN1219
Инструмент моделирования методом конечных элементов COMSOL5.1 Multiphysics

References

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles