Демонстрация Hyperlens интегрированы микроскопа и супер-резолюции изображений

Общая цель данной экспериментальной процедуры — продемонстрировать процесс изготовления и субдифракционную визуализацию двухмерного гиперлинзового устройства. Этот новый метод визуализации со сверхразрешением обладает такими преимуществами, как возможность получения изображений в режиме реального времени и простота внедрения в традиционную оптику. Данный метод может помочь в решении ключевых вопросов в области визуализации со сверхразрешением, таких как получение изображений живых клеток и динамических наночастиц ниже дифракционного предела.

Гиперлинза представляет собой специальную сферическую линзу с многослойной структурой и плоской гиперболической дисперсией, которая обеспечивает увеличение высокочастотной информации и разрешение, аналогичное данной оптике в ближнем поле, в режиме реального времени в дальнем поле. Основным преимуществом сферической гиперлинзы является ее способность увеличивать двумерную информацию на видимых частотах. Сферическая гиперлинза также может быть легко интегрирована в обычную микроскопию без использования дополнительных сложных систем.

Процедуру продемонстрируют Дасол Ли и Инки Ким, аспиранты моей лаборатории. Для начала нанесите на кварцевую пластину положительный фоторезист методом центрифугирования при 2,000 rpm и подвергните воздействию температуры 90 °C в течение 60 секунд. Затем с помощью станка для резки пластин разрежьте пластину с фоторезистом на небольшие фрагменты размером 20 на 20 квадратных миллиметров.

Обдуйте детали с помощью пистолета со сжатым азотом, чтобы удалить любые частицы, образовавшиеся в результате этапа резки. Затем поместите вырезанную пластину в ультразвуковую ванну с деионизированной водой на пять минут при 45 °C. Удалите слой фоторезиста в ультразвуковой ванне с ацетоном в течение пяти минут при 45 °C.

Затем очистите подложку, поместив ее в ультразвуковую ванну с изопропиловым спиртом на пять минут при 45 °C. Высушите подложку с помощью распылителя сжатого азота. Для травления маски сначала поместите очищенные кварцевые подложки в систему электронно-лучевого испарения высокого вакуума.

Нанесите слой хрома со скоростью осаждения 2 Å/с. Нажмите кнопку сброса вакуума, чтобы выпустить воздух из камеры. Закрепите образец на держателе для фокусированного ионного пучка (ФИП) с помощью токопроводящей медной ленты.

Затем поместите держатель FIB в камеру FIB. Закройте дверь камеры и нажмите кнопку откачки для создания вакуума в камере. Вкладке управления пучком выберите Beam On и установите ток ионного пучка и ускоряющее напряжение для режима FIB.

Включите систему ионного пучка. Выберите Beam On на вкладке управления пучком, чтобы включить электронный пучок, и с помощью программного обеспечения сфокусируйте изображение при малом увеличении. Затем в режиме сканирующего электронного микроскопа на вкладке навигации установите рабочее расстояние четыре миллиметра.

Установите угол наклона держателя на 52 градуса и сделайте SEM-снимки при разных увеличениях перед изготовлением маски с массивом отверстий. Во вкладке создания рисунка выберите область паттернирования и создайте массив отверстий диаметром 50 nanometer на хромовом слое. По завершении выключите системы электронного и ионного пучков и охладите их.

Нажмите кнопку сброса давления (vent), чтобы заполнить камеру азотом. Затем извлеките держатель из камеры. После этого поместите структурированную подложку в раствор buffered oxide etchant в соотношении 1:10 на пять минут.

Поместите структурированную подложку в деионизированную воду, чтобы удалить буферный травитель оксида. Затем высушите образец с помощью сжатого азота. Поместите структурированную подложку в травитель хрома, чтобы удалить масочный слой хрома.

Наконец, поместите структурированную подложку в деионизированную воду на пять минут для очистки. Нажмите кнопку вентиляции системы электронно-лучевого испарения и дождитесь завершения процесса вентиляции. Затем, после вентиляции, загрузите структурированную подложку в систему электронно-лучевого испарения высокого вакуума.

Закройте дверь камеры и откачайте воздух из камеры, нажав кнопку насоса. Нанесите слой серебра со скоростью нарастания 1 Å/с до достижения толщины слоя серебра 15 nm. После нанесения слоя серебра охлаждайте подложку в течение пяти минут.

Замените тигель в системе электронно-лучевого испарения, выбрав другой расплав, и нанесите слой оксида титана со скоростью роста 1 Å/с. Затем нанесите слой оксида титана толщиной 15 нм. После нанесения слоя оксида титана охлаждайте подложку в течение пяти минут.

Повторяйте этапы осаждения в течение десятков циклов для формирования многослойного покрытия из серебра и оксида титана. Замените тигель в системе электронно-лучевого испарения и нанесите слой хрома толщиной 50 nanometers. После осаждения слоя хрома выключите систему электронно-лучевого испарения.

Нажмите кнопку сброса давления и разгерметизируйте камеру, подав в нее азот. После сброса давления откройте дверь камеры и извлеките держатель крепления из камеры. Снимите изготовленное устройство гиперлинзы.

Затем закройте дверь камеры и откачайте воздух из камеры, нажав кнопку насоса. Установите гиперлинзу с нанесенным слоем хрома в систему фрезерования FIB и сформируйте наноструктуру в соответствии с инструкциями производителя. Далее установите обычный просвечивающий оптический микроскоп на оптический стол.

Подключите источник белого света к пути освещения микроскопа с помощью адаптера. Установите узкополосный оптический фильтр с центром пропускания 410 нанометров. Выберите иммерсионный объектив с большим увеличением и используйте высококачественную CCD-камеру для получения изображений.

Нанесите каплю иммерсионного масла на объектив. В завершение поместите гиперлинзу на предметный столик и сделайте снимки. Здесь представлена гиперлинза, состоящая из поочередно нанесенных многослойных структур из серебра и оксида титана.

На снимке поперечного сечения видно, что многослойная тонкая пленка из серебра и оксида титана нанесена с равномерной толщиной на полусферическую кварцевую подложку. Гиперлинза, состоящая из серебра и оксида титана, обладает высокой эффективностью на длине волны 410 нанометров, так как дисперсионное соотношение стопки многослойных пленок имеет гиперболическую кривую дисперсии, как показано здесь. Компоненты с большим пространственным волновым вектором могут распространяться вдоль радиального направления гиперлинзы.

Мелкие детали с высокочастотными компонентами, которые не могут быть зафиксированы с помощью традиционной оптики, могут распространяться в дальнее поле через гиперлинзу, что было рассчитано с помощью моделирования методом конечных элементов. После изготовления гиперлинзу можно интегрировать в систему обычного микроскопа, как показано на этой простой схеме системы гиперлинзовой визуализации. Гиперлинза помещается на объектив.

Для демонстрации гиперлинзы на её внутренней поверхности наносится искусственный узор. На результатах представлены изображения, полученные с помощью гиперлинзы. Размер зазора в каждом случае составляет от 160 nanometers до 180 nanometers.

Особенности с субдифракционным пределом разрешающей способности визуализированы, что подтверждает суперразрешающую способность гиперлинзы. Разработка гиперлинзы открыла путь к использованию методов визуализации со сверхвысоким разрешением для изучения наноразмерных биомолекулярных механизмов и неорганических наночастиц. После просмотра этого видео вы получите четкое представление о том, как изготовить высококачественную гиперлинзу и настроить собственную систему визуализации со сверхвысоким разрешением.

Мы ожидаем, что практическая применимость метода гиперлинзы будет повышена за счет внедрения масштабируемого и воспроизводимого метода изготовления. Гиперлинза позволит ученым в режиме реальногого времени наблюдать биофизическую динамику, происходящую в наномасштабе, и станет следующим поколением систем визуализации со сверхвысоким разрешением для различных областей применения, таких как биология, медицина, материаловедение и нанотехнологии.