Демонстрация Hyperlens интегрированы микроскопа и супер-резолюции изображений

Общая цель этой экспериментальной процедуры состоит в том, чтобы продемонстрировать процесс изготовления и субдифракционной визуализации двухмерного гиперлинзового устройства. Этот новый метод визуализации со сверхвысоким разрешением обладает преимуществами визуализации в реальном времени и простой реализацией в традиционной оптике. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области визуализации со сверхвысоким разрешением, такие как визуализация живой клетки и динамических наночастиц ниже предела доли.

Гиперлинза представляет собой специальную сферическую линзу с многослойной структурой, имеющую плоскую гиперболическую дисперсию, которая обеспечивает увеличение высокочастотной информации и разрешение аналогичной оптики в дальней зоне в реальном времени. Основное преимущество сферической гиперлинзы заключается в том, что она может увеличивать двумерную информацию на видимых частотах. Сферическая гиперлинза также может быть легко интегрирована в обычную микроскопию без дополнительной сложной системы.

Демонстрировать процедуру будут Дасол Ли и Инки Ким, которые являются аспирантами моей лаборатории. Для начала покройте кварцевую пластину положительным фоторезистом при скорости 2 000 об/мин и выпекайте в течение 60 секунд при температуре 90 градусов Цельсия. Затем с помощью машинки для нарезки кубиками разрежьте пластину с фоторезистом на мелкие кусочки размером 20 на 20 квадратных миллиметров.

Обдувите детали с помощью пистолета со сжатым азотом, чтобы удалить любые частицы, образовавшиеся в результате этапа резки. Далее поместите вырезанную в ультразвуковую ванну с деионизированной водой на пять минут при температуре 45 градусов Цельсия. Снимите слой фоторезиста с помощью ультразвуковой ванны с ацетоном в течение пяти минут при температуре 45 градусов Цельсия.

Затем очистите основание, поместив его в ультразвуковую ванну с изопропиловым спиртом на пять минут при температуре 45 градусов Цельсия. Подсушите субстрат с помощью пистолета со сжатым азотом. Чтобы протравить шаблон маски, сначала загрузите чистые кварцевые подложки в высоковакуумную электронно-лучевую систему испарения.

Нанесите слой хрома со скоростью осаждения два ангстрема в секунду. Нажмите кнопку вентиляционного отверстия, чтобы выпустить вентиляцию в камере. Закрепите образец на сфокусированном ионном пучке или держателе FIB с помощью проводящей медной ленты.

Затем загрузите держатель FIB в камеру FIB. Закройте дверцу камеры и нажмите кнопку насоса, чтобы эвакуировать камеру. Выберите Beam On (Луч включен) на вкладке управления лучом и установите ток ионного луча и напряжение ускорения для режима FIB.

Включите ионно-лучевую систему. Выберите Beam On (Луч включен) на вкладке управления лучом, чтобы включить электронный луч и сфокусировать изображение с малым увеличением с помощью программного обеспечения. Затем установите рабочее расстояние на четыре миллиметра на вкладке навигации в режиме сканирующего электронного микроскопа.

Установите угол наклона держателя на 52 градуса и сделайте изображения SEM с разным увеличением перед изготовлением шаблона маски матрицы отверстий. На вкладке «Структурирование» выберите область формирования шаблона и создайте матрицу отверстий размером 50 нанометров на слое хрома. После этого выключите электронно-лучевую и ионно-лучевую системы и охладите их.

Нажмите кнопку вентиляции для вентиляции камеры с газообразным азотом. Затем выньте держатель из камеры. Затем поместите структурированную подложку в буферизованный оксидный травитель от одного до 10 на пять минут.

Поместите структурированную подложку в деионизированную воду для очистки буферизованного оксидного травления. Затем высушите образец сжатым газообразным азотом. Поместите структурированную подложку в хромовый травитель, чтобы удалить слой хромовой маски.

Наконец, поместите узорчатый субстрат в деионизированную воду на пять минут, чтобы очистить его. Нажмите кнопку вентиляционного отверстия электронно-лучевой системы испарения и подождите, пока вентиляционное отверстие не закончится. Затем загрузите структурированную подложку в высоковакуумную систему электронно-лучевого испарения после вентиляционного отверстия.

Закройте дверцу камеры и опорожните камеру, нажав кнопку насоса. Нанесите слой серебра со скоростью роста один ангстрем в секунду и нанесите слой серебра толщиной 15 нанометров. После нанесения серебряного слоя остудите подложку в течение пяти минут.

Измените карман электронно-лучевой системы испарения, выбрав другой тигель, и нанесите слой оксида титана со скоростью роста один ангстрем в секунду. Затем нанесите слой оксида титана толщиной 15 нанометров. После нанесения слоя оксида титана охладите подложку в течение пяти минут.

Повторяйте шаги осаждения в течение десятков циклов, чтобы нанести многослойный слой серебра и оксида титана. Измените карман электронно-лучевой системы испарения и нанесите слой хрома толщиной 50 нанометров. После нанесения слоя хрома выключите электронно-лучевую систему испарения.

Нажмите кнопку вентиляции и продуйте вентиляцию в камере, введя газообразный азот. После вентиляционного отверстия откройте дверцу камеры и выньте держатель крепления из камеры. Снимите изготовленное устройство с гиперлинзой.

Затем закройте дверцу камеры и опорожните камеру, нажав кнопку насоса. Установите гиперлинзу, нанесенную хромом, в систему фрезерования FIB и смоделируйте наноразмерную структуру в соответствии с инструкциями производителя. Далее поместите на оптический стол обычный оптический микроскоп просвечивающего типа.

Подключите источник белого света к осветительному тракту микроскопа с помощью адаптера. Поместите оптический полосовой фильтр с центром в 410 нанометров. Выберите масляный иммерсионный объектив с большим увеличением и используйте высококачественную ПЗС-камеру для получения изображений.

Капните каплю иммерсионного масла на линзу объектива. Наконец, поместите гиперлинзу на предметный столик и сделайте снимок. Здесь показана гиперлинза, состоящая из многослойных оксидов серебра и оксида титана, нанесенных поочередно.

На изображении поперечного сечения видно, что многослойная тонкая пленка оксида серебра и титана нанесена с равномерной толщиной на полусферическую кварцевую подложку. Гиперлинза, состоящая из оксида серебра и титана, обладает отличными характеристиками на длине волны 410 нанометров, поскольку дисперсионное соотношение многослойных слоев имеет гиперболическую дисперсионную кривую, как показано здесь. Высокие пространственные компоненты вектора волны могут распространяться вдоль радиального направления гиперлинзы.

Малые объекты с высокочастотными компонентами, которые не могут быть захвачены обычной оптикой, могут распространяться в дальнюю зону через гиперлинзу, как это было рассчитано с помощью моделирования методом конечных элементов. После изготовления гиперлинза может быть интегрирована в обычную систему микроскопа, как показано на этой простой схеме системы визуализации гиперлинзы. Гиперлинза размещается на линзе объектива.

Для демонстрации гиперлинзы на внутренней поверхности гиперлинзы наносится искусственный рисунок. Результаты показывают изображения, полученные через гиперлинзу. Размеры зазора варьируются от 160 нанометров до 180 нанометров в каждом случае.

Субдифракционные ограниченные особенности разрешаются, и можно подтвердить сверхразрешающую способность гиперлинзы. Разработка гиперлинзы проложила путь к технике визуализации со сверхвысоким разрешением для изучения наноразмерных биомолекул и неорганических наночастиц. После просмотра этого видео у вас может сложиться хорошее понимание того, как изготовить высококачественный гиперобъектив и настроить его для собственной системы визуализации со сверхвысоким разрешением.

Мы ожидаем, что технология гиперлинз будет улучшена в практическом плане за счет принятия масштабируемого и воспроизводимого метода изготовления. Гиперлинза позволит ученым наблюдать биофизическую динамику, происходящую в наномасштабе в режиме реального времени, и работать в качестве визуализации следующего поколения со сверхвысоким разрешением в различных приложениях, таких как биология, медицина, материаловедение и нанотехнологии.