Yöntem makalesi

Gösteri bir mikroskop Hyperlens entegre ve süper kararlılık düşsel

DOI:

10.3791/55968

⸱

8 Eylül 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

Bu makalede

Özet

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

Bir hyperlens kullanımı gerçek zamanlı görüntüleme ve basit uygulanması geleneksel optik ile sağladığı avantajlar nedeniyle bir roman süper çözünürlük görüntüleme tekniği olarak kabul edilmiştir. Burada, bir protokol fabrikasyon açıklayan ve görüntüleme uygulamalarında küresel bir hyperlens mevcut.

Özet

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

Süper çözünürlük geleneksel mikroskobu kırınım sınırını aşmak için Imaging kullanımı Biyoloji ve nanoteknoloji araştırmacılar olan ilgisini çekti. Her ne kadar yakın alan tarama mikroskobu ve superlenses yakın alan bölge çözünürlüğünde düzeldi, uzakta-tarla görüntüleme gerçek zamanlı olarak önemli bir meydan okuma kalır. Son zamanlarda, büyütür ve fani dalgalar dalgaları yayılıyor içine dönüştürür, hyperlens, uzakta-tarla görüntüleme için yeni bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Burada, Gümüş (Ag) ve titanyum oksit (TiO2) ince tabakalar alternatif oluşan küresel bir hyperlens üretim raporu. Geleneksel silindirik hyperlens farklı olarak, küresel hyperlens için iki boyutlu büyütme sağlar. Böylece, geleneksel mikroskobu içine birleşme basittir. Yeni bir optik sistemi hyperlens ile entegre, gerçek zamanlı olarak uzakta-tarla bölgede elde edilecek bir alt dalga boyu görüntü için izin teklif edilir. Bu çalışmada, imalat ve görüntüleme kurulum yöntemleri ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Bu eser erişilebilirlik ve hyperlens olasılığı, hem de bir devrim Biyoloji ve nanoteknoloji yol açabilir canlı hücreler gerçek zamanlı görüntüleme pratik uygulamaları açıklanmaktadır.

Giriş

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

Biomolecules canlı hücreler içinde gözlemlemek için bir arzu mikroskobu icat için yol ve mikroskopi gelişiyle biyoloji, patoloji ve malzeme bilimi, gibi çeşitli alanlarda devrim üzerinde son birkaç yüzyıl yayılır. Ancak, daha fazla araştırma ilerlemesi hakkında geleneksel mikroskoplar çözümlenmesini sınırlar kırınım tarafından sınırlı yarım dalga boyu1. Bu nedenle, süper çözümü kırınım sınırını aşmak için görüntüleme ilginç bir araştırma alanı son yıllarda yapılmış.

Kırınım sınırı nesnelerin alt dalga boyu bilgi içeren fani dalgalar kaybı atfedilir gibi fani dalgalar uzaklıktadır Soluklaşan tutmak için ya da onları2,3kurtarmak için ilk çalışmalar yapılmıştır. Kırınım sınırını aşmak için çaba ilk yakın harcanmış2önce hangi yakın nesneye fani alanı toplar optik mikroskobu tarama alan ile bildirildi. Ancak, resmin tamamını bölge tarama ve bu yeniden yapılandırma uzun bir zaman alır gibi gerçek zamanlı görüntüleme için uygulanamaz. Başka bir yaklaşım "hangi fani dalgalar güçlendirir, superlens," tabanlı gerçek zamanlı görüntüleme imkanı sağlamakla birlikte, alt dalga boyu görüntüleme sadece yakın alan bölgede yeteneğine sahiptir ve uzak nesneleri4, ulaşamıyorum 5 , 6 , 7.

Son zamanlarda, hyperlens gerçek zamanlı uzakta-tarla optik görüntüleme8,9,10,11,12yeni bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Böylece o aynı faz hızı yüksek mekansal bilgi çekmek son derece Anizotropik hiperbolik Metamalzemeler13yapılır, hyperlens, düz hiperbolik bir dağılım sergiler. Ayrıca, ivme koruma kanunu nedeniyle yüksek enine wavevector yavaş yavaş dalga silindirik geometri gider olarak sıkıştırılır. Büyütülen bu bilgileri böylece uzakta-tarla bölgesinde geleneksel mikroskop tarafından tespit edilebilir. O does değil istemek herhangi bir noktasına-tarama veya görüntü yeniden yapılanma gibi gerçek zamanlı uzakta-tarla görüntüleme için özellikle önem bu. Ayrıca, hyperlens görüntüleme nanolithography de dahil olmak üzere başka uygulamalar için kullanılabilir. Hyperlens ters yönde geçer ışık nedeniyle ters zaman simetrisi14,15,16alt kırınım alanı üzerine odaklı olacak.

Burada, biz iki boyutlu bilgi görünür frekansta büyüterek küresel bir hyperlens rapor. Geleneksel silindirik geometri, küresel hyperlens nesneleri pratik görüntüleme uygulamaları kolaylaştıran iki boyutta yanal, büyütür. Üretim yöntemi ve görüntüleme kurulumu hyperlens ile ayrıntılı bir yüksek kaliteli hyperlens üreme için sunulmaktadır. Bir alt dalga boyu nesnesi süper çözme gücünü kanıtlayan uğruna hyperlens üzerinde yazılı olduğu. Bu küçük özellikler yazıtlı nesnelerin hyperlens tarafından büyütülmüş doğrulanır. Böylece, açıkça çözümlenmiş görüntüler gerçek zamanlı uzakta-tarla bölgede elde edilir. Küresel hyperlens, bu yeni tip konvansiyonel mikroskobu ile entegrasyon kolaylığı ile biyoloji, patoloji ve genel Nanobilim yeni bir çağın önde gelen pratik düşsel kullanma imkanı sağlar.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. substrat hazırlık

  1. elde edilir son derece rafine kuvars gofret. Rapor imalat için al, bir gofret 500 µm kalınlık ile kullan..
  2. Spin-ceket ile 2000 rpm ve 60 fırında, olumlu bir fotorezist kuvars gofret s 90 ° C.
    Not: Sonraki kesme adımı sırasında zarar görmesini önlemek için olumlu fotorezist katmanı kaplanır.
  3. Boyutu küçük parçalar 20 x 20 mm 2 gofret fotorezist ile kesmek için küp şeklinde çekebilir.
  4. Kesme adımından kaynaklanan parçacıklar kaldırmak için sıkıştırılmış azot silah kullanma darbe.
  5. Yer de-iyonize (DI) su 45 5 min için bir ultrasonik banyo içinde ° C. Kaldır 45 5 min için aseton içinde bir ultrasonik banyo kullanarak fotorezist katman ° C. temiz belgili tanımlık substrate iki ultrasonik banyo, aseton ve izopropil alkol, her 5 min için kullanarak 45 ° C.
  6. Sıkıştırılmış azot silahla substrat kuru.

2. Maske desen gravür

  1. yük temiz kuvars yüzeylerde yüksek vakum elektron içine buharlaşma sistem ışınlayın. Substrat döndürme etkin olduğundan emin olun.
  2. Mevduat krom Katman 2 ifade oranıyla Å/s.
    Not: En az 100 nm-kalın bir tabaka ifade yapılan iğne delikleri önlemek gravür maskesi için yatırılır.
  3. İçin havalandırma düğmesine basın odası delik ve bir örnek odaklı iyon demeti (yalan) sahibi bakır Şerit iletken kullanarak monte.
  4. Yalan tutucu FIB odasına yük.
  5. Odası kapıyı kapat ve tahliye odası için pompa düğmesine basın.
  6. Seçin " üzerinde ışınlayın " ışını denetim sekmesi ve set altında iyon ışınla akım (7,7 pA) ve ivme gerilim (30 kV) FIB modu için.
  7. İyon demeti sisteminde açmak.
  8. Seçin " üzerinde ışınlayın " elektron ışını ve görüntü yazılımı kullanarak düşük büyütme ile odaklanmak için ışın denetim sekmesi altında.
  9. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) modunda gezinti sekmesi altında 4 mm çalışma mesafesi (WD) ayarlamak.
  10. Sahibi tilt açısını ayarlamak için 52 ° ve delik dizi maske desen imalat önce farklı büyüklüklerde SEM görüntüleri atın.
  11. Desenlendirme sekmesi altında desenlendirme Bölgesi'ni seçin ve bir 50 nm delik dizi krom katmanda olun.
    Not: Araçlar desenlendirme sekmesi altında erişilebilir biçimlenme basit vardır. Daha karmaşık geometri ve pozlama kontrolü bit eşlemler alma veya komut dosyaları oluşturma elde edilebilir.
  12. Bitirdikten sonra elektron ışını ve iyon kiriş sistemleri kapat ve sistemi serin.
  13. Havalandırma düğmesine basın ve azot gazı ile odası delik. Sahibi odadan alın.
  14. Odası kapıyı kapat ve odası pompa düğmesine basarak tahliye.

3. Islak-gravür süreci ve maske katmanının kaldırılması

  1. yerine 1:10 içine desenli yüzey arabelleğe alınmış 5 dakika süreyle oksit etchant
    Not: Kuvars seçerek ve isotropically ıslak-kazınmış tarafından etchant ve küresel bir şekil oluşturur. Lens şeklinde gravür maskesi ile elde edilebilir ve çapı hassas gravür süre tarafından kontrol edilir. Küresel bir daha şekli ile daha küçük bir desen çapı oluşturulması mümkündür. 1,5 µm-çapı Yarımküre 5 dk. içinde elde edilebilir
  2. Koymak desenli yüzey (5 dk, iki kere) tampon oksit etchant temizlemek için DI suya.
    Not: Tamponlu oksit etchant tehlikeli, bu yüzden bu etchant kullanırken dikkatli olun.
  3. Sıkıştırılmış azot gazı ile örnek kuru.
  4. Koymak desenli yüzey CR-7 krom etchant krom Maske katmanı kaldırmak için.
    Not: krom katman kaldırdıktan sonra çapı bir küresel desenli yüzey 1,5 µm elde edilebilir.
  5. Desenli yüzey (5 dk) temizlemek için DI suya koymak.

4. Çok katmanlı ifade ve Nano boyutlu nesne yazıt

Not: katmanları bir çift küresel kuvars substrat yatırılır. Burada, Ag ve TiO 2 ifade malzemesi olarak kullanılır. AG ve TiO 2 yatırılır dönüşümlü olarak 15 kalınlığı nm.

  1. Elektron ışını buharlaşma sistem havalandırma düğmesine basın ve havalandırmaya bitinceye kadar bekleyin.
  2. Desenli yüzey yüksek vakum elektron ışını buharlaşma sisteme yük sonra havalandırma.
  3. Odası kapıyı kapat ve odası pompa düğmesine basarak 10 -7 Torr vakum bir dereceye kadar tahliye.
    Not: 10 -7 Torr saçılma gelen yüzey pürüzlülüğü azaltmak için vakum koşulu tutulmalıdır.
  4. Ag katman 1'in bir büyüme oranı ile mevduat Å / s ve mevduat 15 nm-kalın Ag katmanı.
  5. 5 dakika süreyle substrat Ag katman birikimi sonra sakin
  6. Elektron ışını buharlaşma sistemi cep başka bir pota seçerek değiştirin ve bir 15 nm-kalın TiO 2 katman TiO 2 katman 1 Å/s. para yatırma bir büyüme oranı ile mevduat.
    Not: biriktirme işlemi sırasında film büyüme oranı yüzey pürüzlülüğü bütünlüğü korumak için düşük tutulur.
  7. 5 dakika süreyle substrat TiO 2 katman birikimi sonra sakin
  8. Tekrar adımları 4.4-4.7 döngüleri çok katmanlı Ag ve TiO 2 yatırmak için onlarca için.
    Not: Bu noktada, hyperlens imalat bitti. Yetenek Imaging hyperlens test etmek için rasgele bir alt diffraction sınırlı özellik yapmak için sonraki adımdır. Nanometre boyutunda diyafram ve yırtmaçlı yazılı tarafından FIB freze.
  9. Elektron ışını buharlaşma sistemi cep değiştirmek ve krom katman kalınlığı 50 mevduat nm.
  10. Cr katman biriktirme sonra elektron ışını buharlaşma etmeyi kapat. Havalandırma düğmesine basın ve azot gazı tanıtarak odası delik.
  11. Havalandırma sonra odası kapı açmak ve mount sahibi odadan. Fabrikasyon hyperlens aygıt şerit.
  12. Odası kapıyı kapat ve odası pompa düğmesine basarak tahliye.
  13. Krom ile freze sisteminin FİBRİLASYONA tevdi hyperlens mount ve üretici başına nano boyutlu bir yapı desen ' s yönergeleri.

5. Ayar Up görüntüleme sistemi ve görüntüleme yordam

  1. yer bir geleneksel iletim tipi optik mikroskop optik masada.
    Not: Burada, ana gövde metni olarak ters bir optik mikroskobu kullanıldı.
  2. Bir beyaz ışık kaynağına bağlanmak bağdaştırıcı kullanan mikroskop aydınlatma yol.
  3. Yer 410 merkezli bir optik bant filtre nm.
    Not: Bant filtre seçerek belirli dalga boyunda ışık nüfuz eder; Burada, 410 nm ışık örnek üzerinde aydınlatılır. AG ve TiO 2 / oluşan bir hyperlens yüksek performanslı bir 410 nm dalga boyu vardır. Simülasyon sonucu ( Şekil 2 c) 410 nm ışık, hiperbolik dağılım ilişkisi hyperlens performansını gösterir.
  4. Yüksek büyütme yağ-daldırma objektif lens seçin. Yüksek kaliteli CCD kamera görüntüleri elde etmek için kullanın.
    Not: Optik bu ayarı sadece yasağı koyardpass 410 nm dalga boyunda ışık sıralamak için ışık aydınlatma yol içine filtre. Işığın belirli bir dalga boyu örnek üzerinde beyaz ışık kullanmadan aydınlatılmış, ama normal bir laboratuarda örnekleri alan parlak veya floresan görüntüleme ile gözlenmesi için bir beyaz ışık kaynağı optik mikroskoplar olabilir.
  5. Objektif lens üzerinde bir damla daldırma yağı koyun. Bir hyperlens örnek sahne ve yakalama görüntüleri üzerine yerleştirin.
    Not: Hyperlens iç yüzeyine yazıtlı nano boyutlu nesnelerde 410 nm ışık ile aydınlatılmış. Hyperlens ile nano boyutlu nesneler büyütülmüş olabilir ve objektif lens tarafından yakalanan ve CCD kamera görüntüsü.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Hyperlens cihazın alt kırınım özellikleri gidermek yeteneği onun bütünlüğü ve yüksek kaliteli imalat dayanmaktadır. Burada, bir hyperlens çok katmanlı dönüşümlü olarak yatırılır Ag ve TiO2 oluşur. Şekil 2a bir iyi yapılmış hyperlens17SEM görüntüsünü gösterir. Kesitsel görüntü Ag ve Ti3O5 ince film çok katmanlı yarımküresel kuvars yüzey üzerinde üniforma kalınlı¤ında yatırılır gösterir. Son hyperlens yap...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Bir hyperlens imalatı üç büyük adım içerir: kuvars substrat bir elektron ışını buharlaşma sistemi kullanılarak ve inscribing metal ve Dielektrik multilayer istifleme bir ıslak-gravür sürecinde yarımküresel geometri tanımlamayı Cr katmanda nesne. Hyperlens kalitesini önemli ölçüde etkileyebilir beri en önemli ikinci adımdır. İnce-film biriktirme işleminde temiz bir süper çözümlenmiş resim için özel bir dikkat gerektirir iki durum vardır. Çok katmanlı açıkorur istifleme çok önemli konulardan biri olduğu çok katmanlı açıkor...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar onlar rakip hiçbir mali çıkarları var bildirin.

Teşekkürler

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

Bu eser mali genç araştırmacı programı (NMK-2015R1C1A1A02036464), mühendislik Araştırma Merkezi programı (NMK-2015R1A5A1037668) ve küresel sınır programı (CAMM-2014M3A6B3063708) tarafından desteklenmektedir, MK, S.S., I.K. küresel doktora kabul Arkadaş grupları (NMK-2017H1A2A1043204, NATO Mukabele Gücü-2017H1A2A1043322, NATO Mukabele Gücü-2016H1A2A1906519) Bilim Bakanlığı, ICT ve Gelecek Planlama (MSIP) Kore hükümeti tarafından finanse edilen Ulusal Araştırma Vakfı, Kore (NMG) hibe yoluyla.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Odaklanmış İyon Işın freze makinesiFEIHelios Nanolab G3 CX
E-ışın buharlaştırma sistemiKore Vacuum TechKVE-E4000
Taramalı elektron mikroskobuHitachiSU6600
Ters mikroskopiZeissAxiovert 200
Işık kaynağıEXCELITAS TechnologiesX-Cite 110 LED
Bant geçiren filtreChromaET405/30M
Objektif lensZeissPlan-ApochromatNA=1.3, 100X
CCD kameraAndorZyla 4.2
Kuvars gofretCORNINGSigortalı Silika Corning 7980
Tamponlu oksit aşındırıcıJT Baker TMJ.T.Baker 5175
PhotoresistAZ elektronik malzemeler: GXR-601 PR
Krom dağlayıcıSIGMA-ALDRICH651826
AsetonJT Baker TMUN1090
İzopropil alkolJT Baker TMUN1219
FEM simülasyon aracıCOMSOL 5.1 Multiphysics

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

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

İlgili makaleler