एक Hyperlens-एकीकृत माइक्रोस्कोप और सुपर संकल्प इमेजिंग का प्रदर्शन

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Engineering

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Summary

एक hyperlens का उपयोग एक उपंयास सुपर संकल्प इमेजिंग वास्तविक समय इमेजिंग और पारंपरिक प्रकाशिकी के साथ अपने सरल कार्यांवयन में अपने फायदे के कारण तकनीक के रूप में माना गया है । यहां, हम एक गोलाकार hyperlens के निर्माण और इमेजिंग अनुप्रयोगों का वर्णन एक प्रोटोकॉल मौजूद ।

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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).

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Abstract

सुपर संकल्प इमेजिंग का उपयोग पारंपरिक माइक्रोस्कोपी की विवर्तन सीमा पर काबू पाने के लिए जीव विज्ञान और नैनो में शोधकर्ताओं के हित को आकर्षित किया है । हालांकि निकट क्षेत्र स्कैनिंग माइक्रोस्कोपी और superlenses निकट क्षेत्र क्षेत्र में संकल्प में सुधार हुआ है, सुदूर क्षेत्र इमेजिंग वास्तविक समय में एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है । हाल ही में, hyperlens, जो magnifies और evanescent तरंगों का प्रचार तरंगों में धर्मांतरित, सुदूर क्षेत्र इमेजिंग के लिए एक उपंयास दृष्टिकोण के रूप में उभरा है । यहां, हम बारी चांदी (एजी) और टाइटेनियम ऑक्साइड (TiO2) पतली परतों से बना एक गोलाकार hyperlens के निर्माण की रिपोर्ट । एक पारंपरिक बेलनाकार hyperlens के विपरीत, गोलाकार hyperlens दो आयामी आवर्धन के लिए अनुमति देता है । इस प्रकार, पारंपरिक माइक्रोस्कोपी में शामिल करना सीधा है । एक नया ऑप्टिकल hyperlens के साथ एकीकृत प्रणाली का प्रस्ताव है, एक उप तरंग दैर्ध्य छवि के लिए अनुमति देने के लिए वास्तविक समय में दूर क्षेत्र क्षेत्र में प्राप्त किया जाएगा । इस अध्ययन में निर्माण और इमेजिंग सेटअप विधियों को विस्तार से समझाया गया है । यह काम भी पहुंच और hyperlens की संभावना का वर्णन करता है, साथ ही साथ रहने वाले कोशिकाओं में वास्तविक समय इमेजिंग के व्यावहारिक अनुप्रयोगों, जो जीव विज्ञान और नैनो में एक क्रांति के लिए नेतृत्व कर सकते हैं ।

Introduction

एक के लिए जीवित कोशिकाओं में जैव अणुओं का पालन करने के लिए माइक्रोस्कोपी के आविष्कार के नेतृत्व में इच्छा है, और माइक्रोस्कोपी के आगमन जैसे जीव विज्ञान, विकृति विज्ञान के रूप में विभिंन क्षेत्रों की क्रांति का प्रचार किया, और सामग्री साइंस, पिछले कुछ सदियों से । हालांकि, अनुसंधान के आगे की उंनति विवर्तन द्वारा प्रतिबंधित किया गया है, जो पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी के संकल्प के बारे में आधा करने के लिए सीमा तरंग दैर्ध्य1। इसलिए, सुपर संकल्प इमेजिंग विवर्तन सीमा पर काबू पाने के लिए हाल के दशकों में एक दिलचस्प अनुसंधान क्षेत्र रहा है ।

के रूप में विवर्तन सीमा evanescent तरंगों है कि वस्तुओं पर उप तरंग दैर्ध्य जानकारी शामिल की हानि के लिए जिंमेदार ठहराया है, जल्दी अध्ययन दूर लुप्त होती से evanescent तरंगों रखने के लिए या उंहें2,3ठीक करने के लिए आयोजित किया गया है । विवर्तन सीमा पर काबू पाने के प्रयास पहले लगभग क्षेत्र स्कैनिंग ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी, जो वस्तु के करीब निकटता में evanescent क्षेत्र इकट्ठा पहले यह2अपव्यय है के साथ सूचित किया गया था । हालांकि, के रूप में पूरी छवि क्षेत्र स्कैनिंग और यह एक लंबे समय लेता है reconstructing, यह वास्तविक समय इमेजिंग करने के लिए लागू नहीं किया जा सकता है । हालांकि एक और दृष्टिकोण "superlens," जो evanescent तरंगों को प्रवर्धित पर आधारित है, वास्तविक समय इमेजिंग की संभावना प्रदान करता है, उप तरंग दैर्ध्य इमेजिंग केवल निकट क्षेत्र क्षेत्र में सक्षम है और अभी तक नहीं पहुंच सकता है वस्तुओं4से परे, 5 , , 7.

हाल ही में, hyperlens वास्तविक समय सुदूर क्षेत्र ऑप्टिकल इमेजिंग8,9,10,11,12के लिए एक उपंयास दृष्टिकोण के रूप में उभरा है । hyperlens, जो अत्यधिक अनिसोट्रोपिक अतिपरवलयिक metamaterials13से बना है, एक सपाट अतिशयोक्तिपूर्ण फैलाव दर्शाती है ताकि यह एक ही चरण के वेग के साथ उच्च स्थानिक जानकारी का समर्थन करे । इसके अलावा, गति संरक्षण कानून के कारण, उच्च अनुप्रस्थ wavevector धीरे लहर बेलनाकार ज्यामिति के माध्यम से चला जाता है के रूप में संकुचित है । इस प्रकार बढ़ाया जानकारी सुदूर क्षेत्र क्षेत्र में एक पारंपरिक माइक्रोस्कोप द्वारा पता लगाया जा सकता है । यह किसी भी बिंदु-दर-बिंदु स्कैनिंग या छवि पुनर्निर्माण की आवश्यकता नहीं है के रूप में यह वास्तविक समय तक सुदूर क्षेत्र इमेजिंग करने के लिए विशेष महत्व का है । इसके अलावा, hyperlens इमेजिंग के अलावा अन्य अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता, nanolithography सहित. प्रकाश है कि रिवर्स दिशा में hyperlens के माध्यम से गुजरता है एक उप विवर्तन समय उत्क्रमणीय समरूपता14,15,16के कारण क्षेत्र पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा ।

यहां, हम एक गोलाकार hyperlens कि दृश्य आवृत्ति पर दो आयामी जानकारी magnifies पर रिपोर्ट । पारंपरिक बेलनाकार ज्यामिति के विपरीत, गोलाकार hyperlens दो पार्श्व आयामों में magnifies वस्तुओं, व्यावहारिक इमेजिंग अनुप्रयोगों की सुविधा । निर्माण विधि और इमेजिंग सेटअप hyperlens के साथ एक उच्च गुणवत्ता hyperlens के प्रजनन के लिए विस्तार से प्रस्तुत कर रहे हैं । एक उप-तरंग दैर्ध्य वस्तु अपनी अति-संपति शक्ति को सिद्ध करने की खातिर hyperlens पर खुदा है । यह पुष्टि की है कि खुदा वस्तुओं की छोटी सुविधाओं hyperlens द्वारा बढ़ाया जाता है । इस प्रकार, स्पष्ट रूप से हल छवियों को वास्तविक समय में दूर क्षेत्र क्षेत्र में प्राप्त कर रहे हैं । गोलाकार hyperlens के इस नए प्रकार, पारंपरिक माइक्रोस्कोपी के साथ एकीकरण के अपने आसानी के साथ, व्यावहारिक इमेजिंग अनुप्रयोगों की संभावना प्रदान करता है, जीव विज्ञान, पैथोलॉजी में एक नए युग की सुबह के लिए अग्रणी, और सामान्य nanoscience.

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Protocol

< p class = "jove_title" > 1. सब्सट्रेट वडा

  1. प्राप्त अत्यधिक परिष्कृत क्वार्ट्ज वेफर । निर्माण के लिए यहां रिपोर्ट, एक ५०० & #181 के साथ एक वेफर का उपयोग करें; m मोटाई.
  2. स्पिन-कोट ६० एस के लिए २,००० rpm और सेंकना पर एक सकारात्मक photoresist के साथ क्वार्ट्ज वेफर ९० & #176; C.
    नोट: धनात्मक photoresist परत को बाद में काटने के चरण के दौरान क्षति को रोकने के लिए लेपित है ।
  3. एक dicing मशीन का उपयोग करने के लिए छोटे टुकड़ों में photoresist के साथ वेफर कटौती 20 x 20 मिमी 2 आकार में ।
  4. काटने कदम से उत्पंन कण को हटाने के लिए एक संपीड़ित नाइट्रोजन बंदूक का उपयोग कर उड़ा ।
  5. में एक अल्ट्रासोनिक स्नान में जगह (DI) पानी के लिए 5 मिनट में ४५ & #176; c. 5 मिनट के लिए एसीटोन में एक अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग कर photoresist परत को निकालें ४५ & #176; c. दो अल्ट्रासोनिक स्नान, एसीटोन और isopropyl शराब का उपयोग सब्सट्रेट साफ, पर 5 मिनट के लिए प्रत्येक ४५ & #176; ग.
  6. एक संकुचित नाइट्रोजन बंदूक के साथ सब्सट्रेट सूखी.
< p class = "jove_title" > 2. मास्क पैटर्न खोदना
  1. एक उच्च वैक्यूम इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण प्रणाली में स्वच्छ क्वार्ट्ज सब्सट्रेट लोड । सुनिश्चित करें कि सब्सट्रेट रोटेशन सक्षम है.
  2. 2 & #197 के साठा दर के साथ क्रोमियम परत जमा करना;/s.
    नोट: एक परत से कम १०० एनएम-मोटी नक़्क़ाशी मुखौटा के लिए जमा किया जाना चाहिए pinholes को रोकने के लिए जमाव से बना है ।
  3. प्रेस वेंट बटन के लिए चैंबर वेंट और ध्यान आयन बीम (मिथ्या) धारक तांबे टेप के संचालन का उपयोग कर पर एक नमूना माउंट ।
  4. मिथ्या धारक को
  5. में लोड करते हैं ।
  6. चैंबर के दरवाजे बंद
  7. और चैंबर खाली करने के लिए पंप बटन दबाएँ.
  8. Select & #34; बीम ऑन & #34; बीम नियंत्रण टैब के अंतर्गत और मिथ्या मोड के लिए आयन बीम वर्तमान (७.७ pA) और त्वरण वोल्टेज (30 केवी) सेट करें ।
  9. आयन बीम प्रणाली पर बारी.
  10. Select & #34; बीम ऑन & #34; इलेक्ट्रॉन बीम पर बारी और सॉफ्टवेयर का उपयोग कर कम आवर्धन के साथ छवि ध्यान केंद्रित करने के लिए बीम नियंत्रण टैब के अंतर्गत ।
  11. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) मोड में नेविगेशन टैब के तहत 4 मिमी पर काम दूरी (WD) सेट.
  12. धारक के झुकाव कोण सेट करने के लिए ५२ & #176; और छेद सरणी मुखौटा पैटर्न निर्माण से पहले विभिंन आवर्धन पर SEM छवियों ले लो ।
  13. पैटर्निंग टैब के तहत
  14. , patterning क्षेत्र का चयन और क्रोमियम परत पर एक ५० एनएम छेद सरणी बनाते हैं ।
    नोट: पैटर्निंग टैब के अंतर्गत सुलभ सरल patterning उपकरण हैं । अधिक जटिल ज्यामिति और एक्सपोज़र नियंत्रण बिटमैप आयात या स्क्रिप्ट जनरेट कर प्राप्त किया जा सकता है ।
  15. परिष्करण के बाद, बंद इलेक्ट्रॉन बीम और आयन बीम सिस्टम और शांत नीचे प्रणाली ।
  16. वेंट बटन प्रेस और नाइट्रोजन गैस के साथ चैंबर वेंट । होल्डर को चैंबर से बाहर ले जाएं ।
  17. चैंबर का दरवाजा बंद
  18. और पंप का बटन दबाकर चैंबर खाली करें ।
< p class = "jove_title" > 3. गीला-नक़्क़ाशी प्रक्रिया और मुखौटा परत के हटाने

  1. 5 min.
    के लिए 1:10 बफ़र्ड ऑक्साइड नक़्क़ाशी में नमूनों सब्सट्रेट डाल नोट: क्वार्ट्ज चुनिंदा और isotropically गीला-खोदना द्वारा धंसा है और एक गोलाकार आकार रूपों । लेंस के आकार नक़्क़ाशी मुखौटा के साथ प्राप्त किया जा सकता है, और व्यास ठीक नक़्क़ाशी समय से नियंत्रित है । एक बेहतर गोलाकार आकार एक छोटे पैटर्न व्यास के साथ बनाया जा सकता है । A १.५ & #181; m-व्यास गोलार्द्ध 5 min.
  2. के भीतर प्राप्त किया जा सकता है
  3. के लिए बफर ऑक्साइड खोदना (5 मिनट, दो बार) साफ करने के लिए DI पानी में नमूनों सब्सट्रेट डाल दिया.
    नोट: बफर ऑक्साइड खोदना खतरनाक हो सकता है, इसलिए इस खोदना का उपयोग करते समय सावधान रहें ।
  4. संकुचित नाइट्रोजन गैस के साथ नमूना सूखी ।
  5. सीआर में नमूनों सब्सट्रेट-7 क्रोमियम नक़्क़ाशी क्रोमियम मास्क परत को हटाने के लिए डाल दिया ।
    नोट: क्रोमियम परत को हटाने के बाद, एक गोलाकार नमूनों सब्सट्रेट १.५ & #181; व्यास में एम प्राप्त किया जा सकता है.
  6. यह (5 मिनट) को साफ करने के लिए DI पानी में नमूनों सब्सट्रेट डाल दिया.
< p class = "jove_title" > 4. बहुपरत साठा और नैनो-आकार ऑब्जेक्ट शिलालेख

< p class = "jove_content" > नोट: परतों की एक जोड़ी गोलाकार क्वार्ट्ज सब्सट्रेट पर जमा हो जाती है । यहां, एजी और TiO 2 जमाव सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है । एजी और TiO 2 15 एनएम की मोटाई पर एकांतर से जमा कर रहे हैं ।

  1. इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण प्रणाली के वेंट बटन दबाएँ और वेंट खत्म होने तक प्रतीक्षा करें ।
  2. वेंट के बाद एक उच्च वैक्यूम इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण प्रणाली में नमूनों सब्सट्रेट लोड.
  3. चैंबर दरवाजा बंद करो और पंप बटन दबाकर 10 -7 Torr के एक निर्वात डिग्री करने के लिए चैंबर खाली.
    नोट: सतह किसी न किसी से कैटरिंग को कम करने के लिए वैक्यूम शर्त 10 -7 Torr पर रखा जाना चाहिए ।
  4. 1 & #197 की वृद्धि दर के साथ एजी परत जमा है और एक 15 एनएम मोटी एजी परत जमा ।
  5. एजी परत के जमाव के बाद, 5 min.
  6. के लिए सब्सट्रेट नीचे शांत
  7. एक और क्रूसिबल चुनकर इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण प्रणाली की जेब बदल और 1 & #197 की वृद्धि दर के साथ tio 2 परत जमा;/s. एक 15 एनएम-मोटी tio 2 परत जमा ।
    नोट: जमाव प्रक्रिया के दौरान, सतह सेे एकरूपता बनाए रखने के लिए फिल्म विकास दर को कम रखा जाता है ।
  8. TiO 2 परत के जमाव के बाद
  9. , 5 min.
  10. के लिए सब्सट्रेट नीचे शांत
  11. दोहराने कदम ४.४-चक्र के दसियों के लिए ४.७ एजी और TiO 2 .
    के एक बहुपरत जमा नोट: इस बिंदु पर, hyperlens निर्माण खत्म हो गया है । अगला कदम एक मनमाना उप विवर्तन-hyperlens इमेजिंग क्षमता के परीक्षण के लिए सीमित सुविधा बनाने के लिए है । नैनोमीटर आकार के एपर्चर और slits मिथ्या मिलिंग द्वारा खुदा कर रहे हैं ।
  12. इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण प्रणाली की जेब बदलने के लिए और ५० एनएम की मोटाई पर क्रोमियम परत जमा ।
  13. एक सीआर परत के जमाव के बाद, इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण प्रणाली को बंद कर दें । वेंट बटन दबाएं और नाइट्रोजन गैस शुरू करके चैंबर वेंट ।
  14. के बाद, चैंबर दरवाजा खुला और चैंबर के बाहर माउंट धारक ले । गढ़े hyperlens डिवाइस से पट्टी.
  15. चैंबर का दरवाजा बंद
  16. और पंप का बटन दबाकर चैंबर खाली करें ।
  17. माउंट hyperlens में क्रोमियम के साथ जमा हुआ मिथ्या मिलिंग प्रणाली और पैटर्न एक नैनो-संरचना आकार, निर्माता के अनुसार & #39; s निर्देश.
< p class = "jove_title" > 5. इमेजिंग प्रणाली और इमेजिंग प्रक्रिया की स्थापना

  1. ऑप्टिकल मेज पर एक पारंपरिक संचरण प्रकार ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप जगह ।
    नोट: यहां, एक औंधा ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप मुख्य शरीर के रूप में इस्तेमाल किया गया था ।
  2. एक एडाप्टर का उपयोग कर माइक्रोस्कोप रोशनी पथ के लिए एक सफेद प्रकाश स्रोत कनेक्ट.
  3. एक ऑप्टिकल bandpass ४१० एनएम पर केंद्रित फिल्टर जगह है ।
    नोट: bandpass फिल्टर चुनिंदा प्रकाश की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य प्रवेश; यहां ४१० एनएम लाइट सैंपल पर रोशन किया गया है । एक एजी और TiO 2 से मिलकर एक ४१० एनएम तरंग दैर्ध्य पर उच्च प्रदर्शन किया है hyperlens । अनुकरणीय परिणाम (< सबल वर्ग = "xfig" > चित्रा 2c ) hyperlens के प्रदर्शन को दर्शाता है, जो ४१० एनएम प्रकाश पर अतिशयोक्तिपूर्ण फैलाव संबंध को संतुष्ट करता है ।
  4. एक उच्च आवर्धन तेल विसर्जन उद्देश्य लेंस का चयन करें । छवियों को प्राप्त करने के लिए एक उच्च गुणवत्ता वाले सीसीडी कैमरे का उपयोग करें ।
    नोट: यह ऑप्टिकल सेटिंग सिर्फ प्रतिबंध लगाता है४१० एनएम तरंग दैर्ध्य प्रकाश बाहर तरह करने के लिए प्रकाश रोशनी पथ में dpass फिल्टर । प्रकाश की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य सफेद प्रकाश का उपयोग कर के बिना नमूने पर प्रबुद्ध किया जा सकता है, लेकिन एक सामान्य प्रयोगशाला में, ऑप्टिकल सूक्ष्मदर्शी उज्ज्वल क्षेत्र या प्रतिदीप्ति इमेजिंग के माध्यम से नमूनों के अवलोकन के लिए एक सफेद प्रकाश स्रोत हो सकता है.
  5. उद्देश्य लेंस पर विसर्जन तेल की एक बूंद जगह है । नमूना मंच पर एक hyperlens प्लेस और छवियों पर कब्जा.
    नोट: hyperlens की भीतरी सतह पर खुदा नैनो आकार की वस्तुओं ४१० एनएम प्रकाश के साथ प्रबुद्ध किया जा सकता है । hyperlens के साथ, नैनो आकार की वस्तुओं और बढ़ाया जाएगा उद्देश्य लेंस द्वारा कब्जा कर लिया जाएगा और सीसीडी कैमरा द्वारा imaged ।

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Representative Results

उप-विवर्तन सुविधाओं को हल करने के लिए hyperlens डिवाइस की क्षमता अपनी एकरूपता पर और एक उच्च गुणवत्ता वाले निर्माण पर निर्भर करता है । यहां, एक hyperlens एजी और TiO के एक बहुपरत से बना है2 एकांतर जमा । चित्रा 2a एक अच्छी तरह से बनाया hyperlens17की SEM छवि से पता चलता है । पार अनुभागीय छवि से पता चलता है कि एजी और तिवारी के बहुपरत3हे5 पतली फिल्म अर्धगोल क्वार्ट्ज सब्सट्रेट पर वर्दी मोटाई के साथ जमा है । अंतिम hyperlens संरचना की सतह किसी न किसी १.५ एनएम रूट माध्य वर्ग (आर. एम. एस) से कम है ।

हम दोनों सामग्री है, जो 2 से अधिक उच्च अपवर्तन सूचकांक है के बाद से एक ढांकता के रूप में Ti35 के बजाय TiO2 इस्तेमाल किया, प्रभावी अतिशयोक्तिपूर्ण फैलाव को जंम दे जब चांदी के साथ खड़ी । के रूप में प्रोटोकॉलमें उल्लेख किया है, एक एजी और tio2 से मिलकर एक hyperlens ४१० एनएम पर एक महान प्रदर्शन क्योंकि एजी और tio2 के stacked बहुपरत के फैलाव संबंध है एक अतिशयोक्तिपूर्ण फैलाव वक्र है, के रूप में दिखाया गया है चित्र b . सिद्धांत रूप में, उच्च स्थानिक wavevector घटकों के साथ लहरों hyperlens की रेडियल दिशा के साथ इस तरह के एक अतिशयोक्तिपूर्ण माध्यम में प्रचार कर सकते हैं । दूसरे शब्दों में, छोटे सुविधाओं के उच्च आवृत्ति घटक है, जो पारंपरिक प्रकाशिकी द्वारा कब्जा नहीं किया जा सकता है, hyperlens के माध्यम से दूर क्षेत्र के लिए प्रचार कर सकते हैं । चित्र 2c एक परिमित तत्व (फेम) सिमुलेशन उपकरण का उपयोग करते हुए hyperlens में नकली क्षेत्र वितरण दिखाता है । डिजाइन, सामग्री गुण, और अनुकरण मॉडल के खुदा nanostructures गढ़े hyperlens के उन लोगों के साथ हूबहू सेट कर रहे हैं । दो छेद ५० एनएम व्यास में क्रोमियम परत पर खुदा कर रहे हैं, १५० एनएम की दूरी के साथ । hyperlens के शीर्ष ४१० एनएम प्रकाश से प्रबुद्ध है, और hyperlens से प्रकाश वस्तु है, जहां आवर्धन भीतरी त्रिज्या और hyperlens के बाहरी त्रिज्या के बीच अनुपात के द्वारा निर्धारित किया जाता है की छवि बढ़ाया होता है । । बढ़ाया छवि उप विवर्तन-सीमित वस्तु एक पारंपरिक उद्देश्य लेंस द्वारा कब्जा कर लिया जा सकता है और छवि ।

विवर्तन की माप-असीमित छवि एक hyperlens का उपयोग कर एक सरल ऑप्टिकल प्रणाली के माध्यम से किया जाता है । चित्र 3 ए hyperlens इमेजिंग प्रणाली के योजनाबद्ध दिखाता है । पारंपरिक माइक्रोस्कोपी एक mainframe के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, मामूली मतभेदों के साथ । दीप्ति पथ संचरण प्रकार है और सफेद प्रकाश स्रोत एक उचित bandpass फिल्टर के साथ रखा गया है । दीप्ति प्रकाश एक संघनित्र द्वारा एकत्र या लेंस ध्यान केंद्रित कर रहा है और वस्तु विमान को दिया । नमूना hyperlens की भीतरी सतह पर एक hyperlens इमेजिंग प्रणाली में रखा गया है, जबकि नमूना स्लाइड ग्लास पर पारंपरिक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी में रखा गया है । hyperlens में वस्तुएँ रोशन होती हैं, और छवि तो hyperlens के माध्यम से प्रचारित होती है. अंत में, छवि एक उद्देश्य लेंस और सीसीडी कैमरा द्वारा कब्जा कर लिया है । hyperlens-कार्यान्वित ऑप्टिकल प्रणाली चित्र बीमें दिखाया गया है. एक स्रोत और फिल्टर के रूप में सरल अतिरिक्त घटकों, के साथ, hyperlens आसानी से एक पारंपरिक माइक्रोस्कोप प्रणाली में लागू किया जा सकता है ।

एक hyperlens के माध्यम से कब्जा कर लिया असली छवियों चित्रा 4में दिखाया गया है । चित्र 4a और 4d उप तरंग दैर्ध्य संरचनाओं के SEM छवियों के दो सेट चित्रित, एक छेद और hyperlens की क्रोमियम परत में खुदा लाइन से मिलकर । अंतर आकार प्रत्येक मामले में १६०-१८० एनएम से कर रहे हैं । पारंपरिक माइक्रोस्कोपी में, इन उप विवर्तन संरचनाओं विवर्तन सीमा के कारण का समाधान नहीं किया जा सकता है । दूसरी ओर, छोटे सुविधाओं hyperlens के साथ स्पष्ट रूप से हल कर रहे हैं । चित्रा 4b और 4e hyperlens-आधारित प्रणाली का उपयोग कर प्राप्त ऑप्टिकल छवियों को दिखाने के लिए, और पार अनुभागीय तीव्रता प्रोफाइल (लाल डैश्ड रेखा) क्रमशः चित्र 4c और 4fमें दिखाए जाते हैं । क्रॉस-अनुभागीय तीव्रता रेखांकन ३६३ और ३४६ एनएम (चित्र 4c) और ३३३ एनएम (चित्रा 4f), क्रमशः, २.१ के एक इज़ाफ़ा करने के लिए इसी, hyperlens के भीतरी और बाहरी त्रिज्या के बीच अनुपात द्वारा निर्धारित की जुदाई दिखाओ ।

Figure 1
चित्रा 1: Hyperlens निर्माण प्रक्रिया के योजनाबद्ध । () निर्माण परिष्कृत क्वार्ट्ज वेफर की तैयारी के साथ शुरू होता है । क्वार्ट्ज वेफर पर (), एक क्रोमियम परत १०० एनएम मोटी एक इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण प्रणाली द्वारा जमा है । () एक गीले-नक़्क़ाशी प्रक्रिया के लिए एक मुखौटा पैटर्न बनाने के लिए, एक ५० एनएम-व्यास छेद क्रोमियम एक मिथ्या मिलिंग प्रणाली का उपयोग कर परत पर नमूनों है । (d) एक आइसोट्रोपिक गीला-नक़्क़ाशी प्रक्रिया क्रोमियम परत का उपयोग कर बाहर किया जाता है । एक अर्धगोल आकार क्वार्ट्ज वेफर पर बना है । () क्रोमियम की परत को हटाने के एक क्रोमियम नक़्क़ाशी के साथ किया जाता है । () अर्धगोल सतह पर एजी और TiO2 जमा के एक बहुपरत है, वैकल्पिक रूप से 15 एनएम की मोटाई के साथ । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: निर्माण और Hyperlens के सिमुलेशन परिणाम. () गढ़े hyperlens के पार धारा SEM छवि । एक 15 एनएम मोटाई के साथ एजी और TiO2 के प्रत्येक परत अच्छी तरह से जमा है, एकरूपता के साथ, और अंतिम hyperlens के किसी न किसी से कम है १.५ r.m.s. यह आंकड़ा संदर्भ17से संशोधित किया गया है । () hyperlens (हरी रेखा) और आइसोट्रोपिक मध्यम (बैंगनी रेखा) के Isofrequency समोच्च । hyperlens फैलाव संबंध है कि उच्च आवृत्ति घटक (छोटी सुविधाओं, कट ऑफ मूल्य से उच्च) सुदूर क्षेत्र में प्रचार कर सकते है की एक अतिपरवलयिक आकार है । हालांकि, आइसोट्रोपिक मध्यम पारंपरिक प्रकाशिकी की तरह एक परिपत्र फैलाव संबंध है और कट-ऑफ आवृत्ति पर प्रचार नहीं कर सकता । () hyperlens का अनुकरण परिणाम । परिणाम hyperlens भीतरी सतह के अंदर छोटे सुविधाओं से चुंबकीय क्षेत्र के वितरण से पता चलता है । उप diffractional वस्तु बढ़ाया और hyperlens के माध्यम से दूर क्षेत्र के लिए प्रचार किया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3: Hyperlens-कार्यान्वित इमेजिंग प्रणाली योजनाबद्ध. () एक ब्रॉडबैंड सफेद-प्रकाशस्रोत नमूना रोशन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । प्रकाश bandpass फिल्टर के माध्यम से गुजरता है और प्रकाश की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य चुना जाता है । यहां ४१० एनएम लाइट को दीप्ति लाइट के रूप में इस्तेमाल किया गया है । hyperlens वस्तु विमान पर आसानी से लागू किया जाता है और उद्देश्य लेंस और सीसीडी कैमरा के माध्यम से इतना है कि hyperlens पर छोटी सी वस्तु पर कब्जा कर लिया है । (b) Hyperlens-कार्यांवित इमेजिंग प्रणाली । एक पारंपरिक औंधा माइक्रोस्कोप शरीर एक mainframe के रूप में प्रयोग किया जाता है, और hyperlens सुपर संकल्प इमेजिंग के लिए जोड़ा गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: निर्माण परिणाम और सिमुलेशन Hyperlens के परिणाम17 . (एक) दो एक लाइन संरचना से अलग डॉट्स के साथ एक वस्तु की SEM छवि । प्रत्येक डॉट में १८० एनएम और १६० एनएम की दूरियां हैं । () ऑप्टिकल छवि hyperlens के माध्यम से कब्जा कर लिया । hyperlens में छोटी वस्तु बढ़ाया और कब्जा कर लिया है । उप विवर्तन सीमित सुविधाओं का समाधान कर रहे हैं । (c) लाल डैश्ड रेखा के साथ, क्रॉस-अनुभाग की गई तीव्रता प्रोफ़ाइल को मापा जाता है । पार अनुभागीय तीव्रता प्रोफाइल ३६३ और ३४६ एनएम के विभाजन दिखा । (घ) एक अंय वस्तु के SEM छवि तीन डॉट्स १६०, १७०, और १८० एनएम के साथ एक दूसरे से । () ऑप्टिकल छवि hyperlens के माध्यम से कब्जा कर लिया । () () में लाल डैश्ड रेखा की क्रॉस-खोदी हुई तीव्रता प्रोफ़ाइल । पार अनुभागीय तीव्रता प्रोफ़ाइल ३३३ एनएम के एक जुदाई दिखाता है । क्रॉस-अनुभागीय तीव्रता प्रोफाइल hyperlens के 2.1 x आवर्धन कारक के अनुरूप हैं । यह आंकड़ा refefence17से संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

एक hyperlens के निर्माण के तीन प्रमुख कदम शामिल हैं: एक गीला-नक़्क़ाशी प्रक्रिया के माध्यम से क्वार्ट्ज सब्सट्रेट में अर्धगोल ज्यामिति को परिभाषित करने, एक इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण प्रणाली का उपयोग कर धातु और ढांकता बहुपरत स्टैकिंग, और inscribing सीआर परत पर वस्तु । सबसे महत्वपूर्ण कदम दूसरा है, क्योंकि यह काफी hyperlens की गुणवत्ता को प्रभावित कर सकते हैं । पतली फिल्म जमाव की प्रक्रिया में, एक स्पष्ट सुपर संकल्प छवि के लिए विशेष देखभाल की आवश्यकता होती है कि दो शर्तें हैं । बहुपरत स्टैकिंग एक महत्वपूर्ण मुद्दों में से एक है, के रूप में गैर बहुपरत के अनुरूप स्वभाव सही गोलाकार आकार से एक विचलन की ओर जाता है । यदि फिल्म जमाव काफी धीमी नहीं है, केंद्र पर फिल्म मोटाई और है कि hemispheric ज्यामिति के किनारे पर इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण के angled प्रकृति के कारण अलग करते हैं । विशेष रूप से अलग फिल्म मोटाई विशेष रूप से निर्भर आवर्धन को जंम देता है और छवि विरूपण का कारण बनता है । इसलिए, फिल्म जमाव दर के रूप में संभव के रूप में धीमी गति से होना चाहिए (कम से ०.१ एनएम/एक अनुरूप बहुपरत प्राप्त करने के लिए ।

एक और संभव कारक है कि बाहर एक अपूर्ण छवि ला सकता है सतह किसी न किसी सतह प्रकाश बिखरने की संभावना बढ़ जाती है, के बाद से है । यह बताया गया है कि एक उच्च सतह ऊर्जा सामग्री की एक पतली परत के शामिल किए जाने के एक गीला प्रभाव है, तेजी से चांदी के18के चूना को कम करने । यहां, TiO2 परत गीला सामग्री के रूप में काम करता है । TiO2 परत पर जमा चांदी के लिए सामांय से अधिक चापलूसी हो जाता है । इसके अलावा, वैक्यूम हालत एक सम और चिकनी बहुपरत के लिए जमाव प्रक्रिया भर में 10-7 Torr से कम होना चाहिए । इलेक्ट्रॉनक बीम वाष्पीकरण के दौरान चांदी के ढेर भी सतह सेे बना सकते हैं. चूंकि ढेर को कम तापमान पर दबाया जाता है, इसलिए फिल्म का जमाव तरल नाइट्रोजन द्वारा नियंत्रित क्रायोजेनिक स्थितियों में किया जा सकता है । पतली फिल्म के जमाव के बाद, हम चिकनी सतह AFM का उपयोग सुनिश्चित करने के लिए गढ़े ढांचे की सतह किसी न किसी की जांच की और पुष्टि की कि सतह किसी न किसी १.५ एनएम से कम है ।

यहां तक कि अगर सभी तीन शर्तों को ध्यान से नियंत्रित कर रहे हैं, एक परिपूर्ण छवि भी आदर्श निर्माण के तहत, प्राप्य है । सबसे पहले, के रूप में किसी भी अंय पारंपरिक ऑप्टिकल प्रणाली के साथ, hyperlens आधारित ऑप्टिकल प्रणाली है, जो hyperlens और पारंपरिक उच्च ना प्रकाशिकी शामिल है, पारंपरिक वाकया, जैसे गोलाकार वाकया के अधीन है । इसके अलावा, हालांकि hyperlens के गोलाकार संरचनाओं दो आयामी सुपर संकल्प इमेजिंग के तहत unध्रुवीय प्रकाश सक्षम, गोलाकार ज्यामिति विचलन को जंम देता है । उदाहरण के लिए, जब वस्तु दो छेद और सीआर परत पर खुदा एक भट्ठा से बना है, वे एक ही वस्तु विमान पर नहीं हैं । इसलिए, एक वस्तुओं के ध्यान में हो सकता है जबकि दूसरों को नहीं कर रहे हैं । यह आंशिक ध्यान भी नमूने के कलह और बाद में उच्च ना इमेजिंग के ऑप्टिकल अक्ष से उत्पन्न होता है । इस स्थानिक निर्भर संकल्प के अलावा, अतिरिक्त धुंधला फ्रिंज प्रभाव है, जो रोशनी प्रकाश में अवशिष्ट जुटना से उपजी के कारण मनाया जाता है ।

इसके अलावा, प्रभावी माध्यम सन्निकटन के टूटने के संकल्प को सीमित करता है. लहरों जिसका अनुप्रस्थ लहर वेक्टर घटक निर्वात तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत बड़ा है के लिए, hyperlens में प्रभावी तरंग दैर्ध्य छोटे हो जाता है, और कुछ समय यह फिल्म मोटाई के बराबर हो जाता है । इसलिए, प्रभावी मध्यम संनिकटन अब मांय नहीं है । के रूप में प्रभावी तरंग दैर्ध्य 2d, जहां डी परतों की मोटाई है दृष्टिकोण, फैलाव वक्र काफी अतिशयोक्तिपूर्ण आकार से भटक, और लहरों प्रचार नहीं कर सकता । इस प्रस्ताव को यहां दिखाए गए विशिष्ट hyperlens-आधारित सिस्टम के लिए ६० nm के भीतर सीमित करता है । हम भी उल्लेख करना चाहिए कि, हालांकि hyperlens दूर क्षेत्र में छवियों उद्धार, वस्तु एक निकट क्षेत्र में रखा जाना चाहिए । अंयथा, उप-विवर्तन सुविधाओं को ले जाने वाली evanescent लहरें अतिपरवलयिक माध्यम तक नहीं पहुंच सकतीं ।

hyperlens के संकल्प को मौलिक सीमाओं के बावजूद, हम hyperlens की चिकनी और सही गोलाकार संरचना नकल उतार द्वारा इमेजिंग गुणवत्ता में सुधार करने में सफल रहा । चिकनी इंटरफेस कम तितर बितर और कम छवि विरूपण सुनिश्चित करता है, जबकि अनुरूप संरचना स्थानिक निर्भर वाकया कम कर देता है । इसके अलावा, सुपर संकल्प इमेजिंग का उपयोग hyperlenses के बाद से असाधारण फैलाव संबंध से उत्पंन, यह प्रतिदीप्ति या अंय जटिल तंत्र, जैसे stochastic विधि के उपयोग से मुक्त है । नतीजतन, एक hyperlens के बाद प्रसंस्करण की आवश्यकता नहीं है और वास्तविक समय इमेजिंग संभव बनाता है । यह भी जटिल प्रयोगात्मक घटकों को शामिल नहीं करता है, एक प्रकाशिकी मॉड्यूल है कि आसानी से एक पारंपरिक प्रकाशिकी सेटअप के साथ एकीकृत किया जा सकता है, के रूप में प्रदर्शन के रूप में काम कर रहे । इसके अलावा, पतली फिल्म की प्रक्रिया एक नैनोमीटर पैमाने पर नियंत्रणीय मोटाई के साथ, सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला ढेर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । इसलिए, एक अलग तरंग दैर्ध्य शासन पर काम कर hyperlens विभिंन सामग्रियों का उपयोग कर गढ़े जा सकते हैं ।

यहां, हम एक hyperlens और इमेजिंग के लिए अपने ऑप्टिकल सेटअप के निर्माण की प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं । हम भी प्रयोग एक hyperlens आधारित ऑप्टिकल प्रणाली का उपयोग कर वास्तविक समय में लेबल मुक्त उप विवर्तन छवियों की रिपोर्ट । चूंकि hyperlens एक सरल गोलाकार ज्यामिति है, वहां स्वतंत्रता के अंय डिग्री के लिए इमेजिंग वातावरण में कमी को कम कर रहे हैं । उदाहरण के लिए, हम एक स्केलेबल निर्माण विधि को अपनाने या निर्माण के लिए अतिरिक्त कदम जोड़कर अपनी बहुमुखी प्रतिभा का विस्तार करने के लिए इन विट्रो इमेजिंग अनुप्रयोगों में सक्षम द्वारा व्यावहारिकता में सुधार कर सकते हैं । hyperlenses का उपयोग वैज्ञानिकों को वास्तविक समय में नेनो पर होने वाली भौतिक गतिशीलता का निरीक्षण करने की अनुमति देगा । यह सुपर संकल्प इमेजिंग मंच की अगली पीढ़ी माना जा सकता है, जैसे जीव विज्ञान, चिकित्सा विज्ञान के रूप में विभिंन अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए, और सामग्री इंजीनियरिंग ।

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Disclosures

लेखकों की घोषणा है कि वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है ।

Acknowledgements

यह काम वित्तीय रूप से युवा अन्वेषक कार्यक्रम (एनआरएफ-2015R1C1A1A02036464), इंजीनियरिंग रिसर्च सेंटर प्रोग्राम (एनआरएफ-2015R1A5A1037668) और ग्लोबल फ्रंटियर प्रोग्राम (कामम-2014M3A6B3063708), एम, एस, I.K. ग्लोबल पीएचई स्वीकार द्वारा समर्थित है । फैलोशिप (एनआरएफ-2017H1A2A1043204, एनआरएफ-2017H1A2A1043322, एनआरएफ-2016H1A2A1906519) कोरिया के नेशनल रिसर्च फाउंडेशन (एनआरएफ) के माध्यम से विज्ञान मंत्रालय द्वारा वित्त पोषित अनुदान, आईसीटी और भविष्य की योजना (MSIP) कोरियाई सरकार की ।

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

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References

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