הפגנה של מיקרוסקופ משולבת Hyperlens וכן הדמיה ברזולוציה סופר

* These authors contributed equally
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

יש השימוש hyperlens נחשב טכניקה דימות סופר-ברזולוציה הרומן בשל יתרונותיה הדמיה בזמן אמת ואת יישומה פשוטה עם אופטיקה קונבנציונלי. כאן, אנו מציגים פרוטוקול המתאר הזיוף והדמיה של hyperlens כדורית היישומים.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Lee, D., Kim, M., So, S., Kim, I., Yoon, G., Kim, K., Rho, J. Demonstration of a Hyperlens-integrated Microscope and Super-resolution Imaging. J. Vis. Exp. (127), e55968, doi:10.3791/55968 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

השימוש של סופר רזולוציה הדמיה כדי להתגבר על מגבלת עקיפה של מיקרוסקופ רגיל משכה העניין של החוקרים בביולוגיה, ננו-טכנולוגיה. למרות מיקרוסקופיית שדה-סריקה, superlenses יש שיפור הרזולוציה באזור ליד שדה, שדה רחוק הדמיה בזמן אמת נשאר אתגר משמעותי. לאחרונה, hyperlens, אשר מגדיל או ממירה הפצת גלים גלים evanescent, התפתחה הגישה הרומן של שדה רחוק הדמיה. כאן, אנו מדווחים על הזיוף של hyperlens כדורית המורכבת לסירוגין כסף (Ag), טיטניום אוקסיד (TiO2) שכבות דק. בניגוד hyperlens גלילי קונבנציונלי, hyperlens כדורית מאפשר הגדלה דו-ממדית. לפיכך, שהשתלבה מיקרוסקופ המקובלת היא פשוטה. מערכת אופטית חדשה משולבת עם hyperlens מוצע, המאפשר תמונת אורך גל תת ואפשר להשיג באזור שדה רחוק בזמן אמת. במחקר זה, ייצור ושיטות הדמיה ההתקנה מוסברים בפירוט. עבודה זו מתארת גם את הנגישות ואת האפשרות hyperlens, כמו גם יישומים מעשיים בזמן אמת הדמיה בתאים חיים, אשר יכול להוביל מהפכה בתחום הביולוגיה, ננו-טכנולוגיה.

Introduction

רצון להתבונן מולקולות בתאים החיים הובילו המצאת מיקרוסקופ, כניסתו של מיקרוסקופיית מופצות המהפכה של שדות שונים, כגון ביולוגיה, פתולוגיה, חומר מדעי, על מאות השנים האחרונות. אולם, נוסף לקידום המחקר הוגבלה על ידי עקיפה, אשר מגביל את הרזולוציה של מיקרוסקופים המקובלת עד כ חצי אורך גל1. לכן, סופר רזולוציה הדמיה כדי להתגבר על המגבלה עקיפה כבר שטח מחקר מעניין בעשורים האחרונים.

כמו המגבלה עקיפה מיוחס האובדן של הגלים evanescent המכילים מידע גל תת על אובייקטים, לימודי נערכו כדי למנוע גלים evanescent נמוג או כדי לשחזר אותם2,3. המאמץ כדי להתגבר על המגבלה עקיפה דווחה לראשונה עם שדה-מיקרוסקופ אופטי, אשר אוספת את השדה evanescent בסמיכות לאובייקט לפני זה התפוגג2. עם זאת, ככל סריקה אזור התמונה כולה של שיחזור זה לוקח הרבה זמן, זה לא ניתן להחיל על הדמיה בזמן אמת. למרות גישה אחרת המבוססת על "superlens," אשר מגביר את גלי evanescent, מספק את האפשרות של הדמיה בזמן אמת, גל תת הדמיה רק הוא מסוגל, באזור שדה-, לא יכול להגיע הרבה מעבר אובייקטים4, 5 , 6 , 7.

לאחרונה, hyperlens התפתחה גישה מוזרה בזמן אמת שדה רחוק אופטי הדמיה8,9,10,11,12. Hyperlens, אשר מורכב מאוד אניסוטרופי metamaterials היפרבולי13, תערוכות פיזור שטוח היפרבולי כך שהוא תומך מידע מרחבי גבוהים עם מהירות פאזה באותו. יתר על כן, בשל חוק שימור תנע, wavevector רוחבי גבוהה נדחס בהדרגה כאשר הגל עובר דרך הצורה הגיאומטרית גלילי. מידע זה מוגדל ובכך ניתן להבחין באמצעות מיקרוסקופ קונבנציונאלי באזור הרחוק-שדה. זה חשוב במיוחד הדמיה שדה רחוק בזמן אמת, כפי שהוא אינו מצריך שיחזור סריקה או תמונה-מדוקדק. יתר על כן, hyperlens יכול לשמש עבור יישומים נוספים הדמיה, כולל ננוליתוגרפיה. האור העובר דרך hyperlens בכיוון ההפוך ממוקד על גבי אזור תת עקיפה עקב זמן-היפוך סימטריה15,14,, או16.

כאן, אנו מדווחים על hyperlens כדורית שמגדילה את מימדי מידע בתדר גלוי. בניגוד גיאומטריה גלילי קונבנציונלי, מגדילה hyperlens כדורית אובייקטים בשני מימדים לרוחב, הקלה על מעשי יישומי הדמיה. שיטת ייצור וההתקנה הדמיה עם hyperlens מוצגים בפירוט רבייה של hyperlens באיכות גבוהה. עצם תת אורך הגל הוא כתוב על hyperlens בשביל להוכיח את כוחו לפתרון סופר. הוא אישר כי תכונות קטנות של אובייקטים חקוקות הם מוגדל על ידי hyperlens. לפיכך, תמונות בבירור נפתרה מתקבלים באזור שדה רחוק בזמן אמת. זה סוג חדש של כדורי hyperlens, עם הקלות של שילוב עם מיקרוסקופ רגיל, מספק את האפשרות של מעשי יישומי הדמיה, המוביל אל השחר של עידן חדש ב ביולוגיה, פתולוגיה, הננו כללי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת הרקע

  1. קבל מאוד מעודן קוורץ וופל. הזיוף דיווחו כאן, לשימוש רקיק עם עובי מיקרומטר 500-
  2. ספין-קואט כשהפחד קוורץ עם photoresist חיובי ב-2000 סל ד ואופים 60 s ב 90 מעלות צלזיוס
    הערה: השכבה photoresist חיובי מצופה למניעת נזק במהלך השלב חיתוך עוקבות.
  3. להשתמש מכונת dicing כדי לחתוך חתיכות קטנות 20 x 20 מ מ 2 בגודל של וופל עם photoresist.
  4. לפוצץ באמצעות אקדח חנקן דחוס כדי להסיר חלקיקים הנובע השלב חיתוך.
  5. למקם אותו באמבט אולטרא במים מיוננים (DI) למשך 5 דקות בגיל 45 ° C. להסיר השכבה photoresist שימוש באמבט אולטרא אצטון עבור 5 דקות בגיל 45 מעלות צלזיוס. לנקות את המצע באמצעות שתי אמבטיות אולטראסוניות, אצטון אלכוהול איזופרופיל, כל אחד למשך 5 דקות- 45 ° C.
  6. אייבש את המצע עם אקדח חנקן דחוס.

2. תצריב התבנית מסיכת

  1. טען נקי סובסטרטים קוורץ לתוך אלקטרון גבוהה-ואקום לשגר מערכת אידוי. ודא המצע סיבוב מופעל.
  2. להפקיד את שכבת כרום עם קצב התצהיר של 2 Å/ס
    הערה: שכבה לפחות 100 ננומטר בעובי צריך להפקיד המסכה איכול למנוע pinholes זני התצהיר.
  3. לחץ על לחצן פתח כדי לפרוק את התא והר מדגם על בעל הקורה (שיקרתי) יון ממוקד באמצעות עריכת סרט נחושת.
  4. לטעון המחזיק שיקרתי אל החדר שיקרתי.
  5. לסגור את דלת החדר ולחץ על כפתור המשאבה לפנות את החדר.
  6. בחר " קרן " תחת הקורה פקד הכרטיסיה ערכה יון לשגר זרם (7.7 pA) ומתח האצה (30 kV) עבור מצב שיקרתי.
  7. להפעיל את המערכת קרן יון.
  8. בחר " קרן " תחת הכרטיסייה בקרת קרן להפעיל כשקרן האלקטרונים ולמקד את התמונה עם הגדלה נמוכה באמצעות תוכנה.
  9. להגדיר את המרחק עובד (WD)-4 מ מ תחת הכרטיסיה ניווט במצב סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM).
  10. לקבוע את זווית ההטיה של בעל ° 52 ולקחת את תמונות SEM בהגדלות שונות לפני החור מערך מסכת דפוס פבריקציה נוספת.
  11. תחת הלשונית המתבנת, לבחור את האזור המתבנת ולהפוך מערך חור 50 ננומטר על שכבת כרום-
    הערה: ישנם פשוט תכנים כלי נגיש תחת הלשונית המתבנת. גאומטריה מורכבת יותר ושליטה חשיפה יכולה להיות מושגת על-ידי ייבוא מפת סיביות או יצירת קבצי script.
  12. לאחר שסיים, כבה את קרן אלקטרונים ואת קרן יון מערכות, לקרר את המערכת.
  13. לחצו על כפתור אוורור ותנקה את התא עם גז חנקן. להוציא בעל התא.
  14. לסגור את דלת החדר, לפנות את החדר על-ידי לחיצה על כפתור המשאבה.

3. רטוב-איכול תהליך והסרה של מסיכת השכבה

  1. לשים המצע בדוגמת לתוך 1:10 buffered תחמוצת etchant עבור 5 דק
    הערה: הקוורץ הוא סלקטיבי, isotropically רטוב נחרטו על-ידי etchant ויוצר צורה כדורית. ניתן להשיג את צורת העדשה עם המסכה לתחריט, הקוטר נשלטת בצורה מדויקת עד תחריט. צורה כדורית יותר יכול להיווצר עם קוטר תבנית קטנה יותר. האונה מיקרומטר 1.5-קוטר יכולה להיות מושגת תוך 5 דק
  2. להכניס את המצע בדוגמת DI מים לנקות את etchant תחמוצת במאגר (5 דקות, פעמיים).
    הערה: תחמוצת במאגר etchant יכול להיות מסוכן, כדי להיות זהיר בעת שימוש זה etchant.
  3. יבש הדגימה עם גז דחוס חנקן.
  4. להכניס את המצע בדוגמת CR-7 etchant כרום כדי להסיר את שכבת המסכה כרום-
    הערה: לאחר הסרת השכבה כרום, מיקרומטר המצע בדוגמת כדורית 1.5 בקוטר ניתן להשיג.
  5. להכניס את המצע בדוגמת DI מים כדי לנקות אותו (5 דקות).

4. התצהיר מרובת שכבות, כתובת האובייקט בגודל ננו

הערה: זוג של שכבות מופקדים על מצע קוורץ כדורית. כאן, Ag, TiO 2 משמשים כחומרי התצהיר. Ag, TiO 2 מופקדים לסירוגין-עובי של 15 ננומטר.

  1. לחצו על כפתור אוורור של מערכת אידוי קרן אלקטרונים ולחכות עד הפתח נמצא מעל.
  2. לטעון את המצע בדוגמת לתוך מערכת אידוי קרן אלקטרונים גבוהה-ואקום לאחר האיוורור.
  3. סוגרים את הדלת קאמרית ולא לפנות את החדר במידה ואקום של 10 -7 טנדר של גוה של-ידי לחיצה על כפתור המשאבה.
    הערה: התנאי ואקום יש לשמור ב 10 -7 טנדר של גוה של כדי להפחית את הפיזור של חספוס פני השטח.
  4. להפקיד את השכבה Ag עם קצב גידול של 1 Å / s ופיקדון 15 ננומטר בעובי שכבה Ag-
  5. אחרי העדות של השכבה Ag, לקרר את המצע עבור 5 דק.
  6. לשנות את הכיס של מערכת אידוי קרן אלקטרונים על-ידי בחירה אחרת כור, להפקיד השכבה 2 TiO עם שיעור צמיחה של הפיקדון Å/ס' 1 ננומטר בעובי 15 TiO שכבה 2.
    הערה: במהלך תהליך התצהיר, קצב הגידול הסרט ברמה נמוכה כדי לשמור על אחידות חספוס פני השטח.
  7. אחרי העדות של השכבה 2 TiO, לקרר את המצע עבור 5 דק.
  8. חזור על צעדים 4.4-4.7 עבור עשרות מחזורים להפקיד multilayer של Ag, TiO 2.
    הערה: בשלב זה, הזיוף hyperlens נגמר. השלב הבא הוא להפיכת תכונת משנה מוגבלת diffraction-שרירותי לבדיקה את hyperlens הדמיה יכולת. פתחים בגודל ננומטר, חרכי חקוקים על-ידי כרסום שיקרתי.
  9. לשנות את הכיס של מערכת אידוי קרן אלקטרונים, להפקיד את שכבת כרום עובי של 50 ננומטר.
  10. אחרי העדות של שכבה Cr, כבה את מנגנון אידוי של קרן אלקטרונים. לחץ על הלחצן פתח ותנקה את התא על ידי החדרת גז חנקן.
  11. לאחר האיוורור, פתח את הדלת קאמרית ולקחת המחזיק הר החוצה מהחדר. מפשיטים את המכשיר מפוברק hyperlens.
  12. לסגור את דלת החדר, לפנות את החדר על-ידי לחיצה על כפתור המשאבה.
  13. הר את hyperlens עם כרום והופקדו שיקרתי הטחינה מערכת ותבנית מבנה בגודל ננו, לכל היצרן ' הוראות s.

5. הגדרת את הדמיה מערכת והליך הדמיה

  1. המקום קונבנציונאלי מסוג שידור במיקרוסקופ אופטי על השולחן האופטי.
    הערה: כאן, במיקרוסקופ אופטי הפוכה שימש הגוף העיקרי.
  2. להתחבר למקור אור לבן הנתיב תאורה מיקרוסקופ באמצעות מתאם.
  3. מקום מסנן אופטי bandpass ממורכז-410 nm.
    הערה: המסנן bandpass באופן סלקטיבי חודר הגל ספציפית של אור; . הנה, אור ננומטר 410 מואר על הדגימה. Hyperlens המורכב Ag, TiO 2 יש ביצועים גבוהים אורך גל nm 410. התוצאה סימולציה ( איור 2 c) מציג את הביצועים של hyperlens, המקיים את יחס נפיצה היפרבולי באור nm 410.
  4. בחר עדשה המטרה ההגדלה גבוה שמן-טבילה. השתמש מצלמת CCD באיכות גבוהה כדי לקבל את התמונות.
    הערה: הגדרה זו אופטי רק מעמיד את האיסורdpass לסנן לתוך נתיב האור תאורה כדי למיין את האור באורך גל של nm 410. גל מסוים של אור יכול להיות מואר על הדגימה ללא שימוש אור לבן, אבל במעבדה רגילה, מיקרוסקופ אופטי יכול להיות מקור אור לבן עבור התצפית של דגימות דרך שדה בהיר או קרינה פלואורסצנטית הדמיה-
  5. במקום טיפה של שמן טבילה על העדשה אובייקטיבי. המקום של hyperlens על מדגם הבמה ואת לכידת התמונות.
    הערה: האובייקטים בגודל ננו חקוקות על השטח הפנימי של hyperlens יכול להיות מואר באור nm 410. עם hyperlens, האובייקטים בגודל ננו להיות מוגדל, שהעדשה המטרה ולהיות עם תמונה על-ידי מצלמת CCD.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

היכולת של המכשיר hyperlens כדי לפתור עקיפה משנה תכונות מסתמך על אחידות שלה ועל זיוף באיכות גבוהה. כאן, hyperlens מורכב של multilayer של Ag, TiO2 שהופקדו לסירוגין. איור 2a מציג תמונת SEM ועשוי hyperlens17. התמונה חתך הרוחב מציגה multilayer של Ag ו- Ti3O5 סרט דק מועבר עם עובי אחיד על מצע קוורץ המיספרי. חספוס בפני השטח של המבנה hyperlens הסופי הוא פחות מ- 1.5 ננומטר שורש ממוצע הריבועים (לר).

השתמשנו TiO2 במקום Ti3O5 בתור חומר דיאלקטרי מאז שני חומרים, אשר יש מדדי השבירה גבוה מעל 2, להצמיח פיזור היפרבולי יעיל כאשר עמודות מוערמות עם כסף. כאמור בסופו של דבר פרוטוקול, hyperlens המורכב Ag, TiO2 יש הופעה מצוינת 410 nm כי יחס נפיצה מוערמים multilayer של Ag, TiO2 יש עקומת פיזור היפרבולי, כפי שמוצג באיור 2b . בעקרון, גלים עם רכיבים wavevector מרחבית גבוהה יכול להפיץ במדיום כזה היפרבולי לאורך בכיוון רדיאלי hyperlens. במילים אחרות, התכונות קטן יש רכיבי בתדירות גבוהה, אשר לא יכול להיות בשבי אופטיקה קונבנציונאלי, יכול להפיץ אל השדה הרחוק דרך hyperlens. C איור 2 מציג את התפלגות שדה מדומה hyperlens בעזרת כלי סימולציה סופיים (FEM). עיצוב, תכונות החומר, nanostructures חקוקות של מודל סימולציה מוגדרים באופן זהה עם אלו של hyperlens מפוברק. שני חורים 50 ננומטר בקוטר חקוקים על שכבת כרום, עם מרחק של 150 ננומטר. החלק העליון של hyperlens הוא מואר על ידי אור ננומטר 410, אור hyperlens מכיל את התמונה בהגדלה של האובייקט, איפה ההגדלה נקבע לפי היחס בין הרדיוס הפנימי לבין הרדיוס החיצוני של hyperlens. התמונה בהגדלה של האובייקט משנה מוגבלת diffraction-יכול להיות נתפס על ידי עדשה קונבנציונליים אובייקטיבי, עם תמונה.

המידה של התמונה ללא הגבלה-עקיפה באמצעות hyperlens מתבצע באמצעות מערכת אופטית פשוטה. איור 3a מראה התרשים של מערכת הדמיה hyperlens. מיקרוסקופ רגיל יכול לשמש המרכזי, עם הבדלים קלים. הנתיב תאורה הוא סוג השידור והניח מקור אור לבן הוא עם מסנן bandpass נכונה. האור תאורה נאסף על ידי מעבה או התמקדות העדשה ונשלח למטוס אובייקט. המדגם מושם על השטח הפנימי של hyperlens ב hyperlens הדמיה למערכת, בעוד המדגם ימוקם על הזכוכית שקופיות מיקרוסקופ אופטי קונבנציונלי. האובייקטים hyperlens מוארים, והפצת התמונה ואז לעבור hyperlens. בסופו של דבר, התמונה נלכד על ידי עדשה המטרה מצלמת CCD. המערכת האופטית המיושמת hyperlens מוצג באיור 3b. עם פשוט רכיבים נוספים, כגון המקור, מסנן, בקלות ניתן ליישם את hyperlens למערכת מיקרוסקופ רגיל.

תמונות אמיתיות באמצעות hyperlens מוצגים באיור4. איור 4a 4 d מתארים שתי קבוצות של תמונות SEM של מבנים תת אורך גל, המורכב חור וקו השער חרוט השכבה כרום של hyperlens. גודל הפער נמצאים במרחק של 160-180 ננומטר בכל מקרה ומקרה. במיקרוסקופ רגיל, מבנים תת עקיפה אלה לא ניתן לפענח בגלל המגבלה עקיפה. מצד שני, התכונות קטן נפתרות באופן ברור עם hyperlens. איור 4b 4e מראים את התמונות אופטי שהושג באמצעות מערכת מבוססת hyperlens, הפרופילים בעוצמה בחתך רוחב (קו מקווקו אדום) מוצגים באיור 4 c ו- 4f, בהתאמה. עוצמת חתך הרוחב גרפים להראות הפרדות של nm 363 ו- 346 (איור 4 c), 333 nm (איור 4f), בהתאמה, התואם ההגדלה של 2.1, נקבע על ידי היחס בין הרדיוס הפנימיים והחיצוניים של hyperlens.

Figure 1
איור 1: סכמטי של תהליך ייצור Hyperlens. () הזיוף מתחיל עם הכנת וופל קוורץ מעודן. (b) על כשהפחד קוורץ, שכבת 100 ננומטר כרום עבה מועבר באמצעות מערכת אידוי של אלומת אלקטרונים. (ג) כדי להפוך תבנית המסיכה עבור תהליך רטוב-איכול, חור בקוטר 50 ננומטר הוא בדוגמת על שכבת כרום משתמש שיקרתי כרסום במערכת. (d) רטוב-חריטה איזוטרופיות התהליך מתבצע באמצעות השכבה כרום. צורת המיספרי נוצר על כשהפחד קוורץ. (e) ההסרה של השכבה כרום מתבצעת באמצעות etchant כרום. (f) על פני השטח המיספרי הוא multilayer של Ag, TiO2 שהופקדו לסירוגין, עם עובי של 15 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: ייצור ותוצאות הסימולציה של Hyperlens. () Cross-sectioned SEM תמונה של hyperlens מפוברק. כל שכבה של Ag, TiO2 עם עובי 15 ננומטר הוא הפקיד היטב, עם אחידות, המראה המחוספס של hyperlens הסופי הוא פחות מ 1.5 r.m.s. דמות זו שונתה מן ההפניה17. קווי המתאר של hyperlens (קו ירוק) ו isotropic בינוני (קו סגול) (b) Isofrequency. Hyperlens יש צורה היפרבולי של יחס נפיצה זה יכול להפיץ את הרכיב בתדירות גבוהה (תכונות קטנות, גבוה יותר ניתוק הערך) בשדה הרחוק. אולם, איזוטרופיות בינוני כמו אופטיקה קונבנציונלי יש יחס נפיצה מעגלית, אינו יכול להפיץ על התדר ניתוק. (ג) תוצאת הדמיה של hyperlens. התוצאה מראה את התפלגות שדה מגנטי של תכונות קטן בתוך השטח הפנימי hyperlens. האובייקט sub-diffractional מוגדל, להפיץ את השדה הרחוק דרך hyperlens. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: הדמיה מערכת מפרטים טכניים המיושמת Hyperlens. אור לבן פס רחב () Aמקור משמש כדי להאיר את הדגימה. האור עובר דרך המסנן bandpass ונבחרה גל מסוים של אור. . הנה, אור ננומטר 410 משמש כמו האור תאורה. Hyperlens מיושם בקלות על המטוס אובייקט ואת דרך אובייקטיבית עדשת מצלמת CCD כך האובייקט קטן על hyperlens נלכד. (b) המיושמת Hyperlens מערכת הדמיה. גוף מיקרוסקופ הפוכה קונבנציונאלי משמש המרכזי, והוסיף hyperlens עבור הדמיה ברזולוציה סופר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: ייצור תוצאה ותוצאות הסימולציה של ה-Hyperlens17 . () SEM תמונה של אובייקט עם שתי נקודות המופרדות על-ידי מבנה קו. כל נקודה יש מרחק של 180 ננומטר ל-160 ננומטר. תמונה (b) אופטי באמצעות את hyperlens. העצם קטן hyperlens מוגדל, שנתפסו. התכונות עקיפה משנה מוגבלת הן נפתרה. (ג) לאורך קו מקווקו אדום, נמדד בעוצמה בחתך רוחב הפרופיל. הפרופילים בעוצמה חתך הרוחב להראות הפרדות של 363, 346 ננומטר. (ד) SEM תמונה של אובייקט אחר, עם שלוש נקודות 160, 170, 180 ננומטר אחד מהשני. תמונה (e) אופטי באמצעות את hyperlens. (f) עוצמת בחתך רוחב הפרופיל של קו מקווקו אדום (e). הפרופיל בעוצמה חתך הרוחב מראה על הפרדה של 333 ננומטר. פרופילים בעוצמה חתך הרוחב מקבילים לגורם X 2.1 הגדלה hyperlens. איור זה השתנה מ refefence17. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הזיוף של hyperlens כולל שלושה שלבים עיקריים: הגדרת הגיאומטריה המיספרי לתוך המצע קוורץ באמצעות תהליך רטוב-איכול, לערום את multilayer מתכת, מבודד באמצעות מערכת אידוי של אלומת אלקטרונים, חריטה אובייקט בשכבה Cr. הצעד החשוב ביותר הוא השני, מאז זה יכול להשפיע באופן משמעותי על איכות hyperlens. בתהליך דפוזיציה סרט דק, ישנם שני תנאים הדורשות טיפול מיוחד עבור סופר-נפתרה תמונה ברורה. לערום את multilayer conformally היא אחת הסוגיות מכריע, כמו בתצהיר שאינה קונפורמית של multilayer שמוביל סטייה מהצורה הכדורית מושלם. אם התצהיר הסרט אינו איטי למדי, עובי הסרט במרכז, זה בקצה של הגיאומטריה hemispheric נוטים להשתנות בשל אופיו בזווית של אידוי קרן אלקטרונים. עובי הסרט שונה במרחב הולידה ההגדלה תלויים במרחב וגורמת לעיוות התמונה. לכן, שיעור התצהיר הסרט צריך להיות כמו לאט ככל האפשר (פחות מ 0.1 nm/s) כדי להשיג multilayer קונפורמית.

גורם אפשרי נוסף שיכול להביא את כל התמונות לא מושלם הוא חספוס פני השטח, שכן משטח מחוספס מגדילה את ההסתברות של פיזור אור. בעבר דווח כי הכללת שכבה דקה של חומר גבוהה-פני אנרגיה יש אפקט הרטבה, באופן דרסטי הפחתת של חלחול של סילבר18. . הנה, השכבה2 TiO עובד כמו החומר הרטבה. כסף שהופקדו על השכבה2 TiO נוטה להיות שטוח יותר מהרגיל. בנוסף, התנאי ואקום צריכה להיות פחות מ- 10-7 טנדר של גוה של לאורך כל התהליך התצהיר multilayer אפילו וחלקה. הצטברות של כסף במהלך מתאדים קרן אלקטרונים באפשרותך גם להפוך את משטח מחוספס. מאז הצטברות מדוכא בטמפרטורות נמוכות, התצהיר הסרט יכול להתבצע בתנאים קריוגני נשלט על ידי חנקן נוזלי. אחרי העדות סרט דק, אנו בחן את חספוס פני השטח של המבנה מפוברק על מנת להבטיח את משטח חלק באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, אישר כי החספוס פני השטח הוא פחות מ 1.5 ננומטר.

אפילו אם כל שלושה תנאים נשלטים בקפידה, תמונה מושלמת לא ניתנת להשגה, אפילו תחת פבריקציה נוספת אידיאלי ראשית, כמו עם כל אחרים קונבנציונאלי מערכת אופטית, מבוסס-hyperlens מערכת אופטית, הכוללת hyperlens ואופטיקה גבוה-נה קונבנציונאלי, כפוף סטיות קונבנציונליים, כגון סטייה כדורית. כמו כן, למרות מבנים כדוריים של hyperlens לאפשר הדמיה סופר-ברזולוציה מימדי תחת אור unpolarized, גאומטריה ספירית נותן עלייה סטיות. לדוגמה, כאשר האובייקט מורכבת שני חורים חתך על השכבה Cr, הם לא על אותו מישור אובייקט. לכן, אחד מהאובייקטים יכול להיות בפוקוס בזמן שהאחרים לא. התמקדות חלקית זו גם מקורו של הכתבים של המדגם, הציר האופטי של ההדמיה גבוה-נה עוקבות. מלבד זה רזולוציה מרחבית תלוית, טשטוש נוסף הוא ציין בשל האפקט שוליים, אשר נובעת ה קוהרנטיות שיורית באור תאורה.

יתר על כן, פירוט של קירוב בינונית יעיל מגביל את הרזולוציה. עבור גלי אשר רכיב וקטור גל רוחבי גדול מדי לעומת אורך הגל ואקום, אורך הגל יעיל ב- hyperlens הופכת לקטנה, מתישהו זה הופך להשוות עובי הסרט. לכן, קירוב בינונית יעיל זה אינו תקף יותר. אורך הגל יעיל מתקרב 2d, איפה d עובי השכבות, עקומת פיזור במידה ניכרת סוטה מהצורה היפרבולי, הגלים אינו יכול להפיץ. זה מגביל את הרזולוציה בתוך 60 ננומטר עבור מערכת מבוססת hyperlens ספציפי המוצג כאן. בנוסף נציין כי, למרות hyperlens מספק תמונות בשדה-הרחוק, האובייקט צריך להיות ממוקם ליד-שדה. אחרת, evanescent גלי נושא תכונות המשנה עקיפה לא יכולה להגיע המדיום היפרבולי.

למרות המגבלות הבסיסיות לפתרון hyperlens, הצלחנו לשיפור איכות הדמיה על ידי מחקה את מבנה כדורית מושלמת וחלקה hyperlens. הממשק חלקה מבטיח פיזור נמוך יותר, פחות עיוות התמונה, בעוד המבנה קונפורמיים מפחית את המפגע תלויי-מרחבית. יתר על כן, מאז הדמיה סופר-ברזולוציה שימוש hyperlenses מקורו יחס נפיצה יוצאת דופן, זה חינם משימוש של זריחה או מנגנונים אחרים מורכבים, כגון שיטת סטוכסטיים. כתוצאה מכך, hyperlens אינו דורש שלאחר עיבוד, מאפשר הדמיה בזמן אמת. זה גם אינו כרוך רכיבים ניסיוני מורכבות, עובד כמו מודול של אופטיקה זה ניתן לשלב בקלות עם מלכודת אופטיקה המקובלת, כפי שמתואר. יתר על כן, תהליך סרט דק ניתן לערום מגוון רחב של חומרים, עם העובי לשליטה על סולם ננומטר. לכן, hyperlens בעבודה משטר אורך גל שונה יכול להיות מפוברק מחומרים שונים.

כאן, אנו מציגים את תהליך ייצור של hyperlens שלה ההתקנה אופטי לדימות. גם השפעול מדווחים ללא תווית עקיפה תת תמונות בזמן אמת באמצעות מערכת אופטית מבוססת hyperlens. מאז hyperlens יש גאומטריה ספירית פשוטה, ישנם אחרים דרגות חופש כדי להפחית את אילוצי הסביבה הדמיה. לדוגמה, אנו יכולים לשפר את המעשיות על ידי אימוץ שיטת ייצור מדרגיים או להרחיב צדדיות שלה על-ידי הוספת שלבים נוספים הזיוף כדי לאפשר במבחנה הדמיה יישומים. השימוש hyperlenses תאפשר למדענים לצפות dynamics biophysical המתרחשים ננו בזמן אמת. זה יכול להיחשב הדור הבא של פלטפורמת דימות ברזולוציה סופר, לשימוש ביישומים שונים כגון ביולוגיה, מדע הרפואה, הנדסת חומרים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי יש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת כלכלית תוכנית חוקר צעיר (ה-NRF-2015R1C1A1A02036464), המרכז לחקר הנדסה התוכנית (ה-NRF-2015R1A5A1037668) ותוכנית האלקטרונית העולמית (CAMM-2014M3A6B3063708), I.K. ונפלט, אס, המכירים את Ph.d. גלובל מלגות (ה-NRF-2017H1A2A1043204, ה-NRF-2017H1A2A1043322, ה-NRF-2016H1A2A1906519) באמצעות המענק הלאומי מחקר קרן של קוריאה (NRF) ממומן על ידי משרד המדע, תקשוב העתיד תכנון (MSIP) של ממשלת קוריאה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Focused Ion Beam milling machine FEI Helios Nanolab G3 CX
E-beam evaporation system Korea Vacuum Tech KVE-E4000
Scanning electron microscopy Hitachi SU6600
Inverted microscopy Zeiss Axiovert 200
Light source EXCELITAS Technologies X-Cite 110 LED
Band pass filter Chroma ET405/30M
Objective lens Zeiss Plan-Apochromat NA=1.3, 100X
CCD camera Andor Zyla 4.2
Quartz wafer CORNING Fused Silica Corning 7980
Buffered oxide etchant J.T Baker TM J.T.Baker 5175
Photoresist AZ electronic materials GXR-601 PR
Chromium etchant SIGMA-ALDRICH 651826
Aceton J.T Baker TM UN1090
Isopropyl alcohol J.T Baker TM UN1219
FEM simulation tool COMSOL 5.1 Multiphysics

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics