Demonstrasjon av en Hyperlens-integrert mikroskop og super-oppløsning Imaging

* These authors contributed equally
Published 9/08/2017
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
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!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Bruk av en hyperlens har vært ansett som en roman super-oppløsning tenkelig teknikk på grunn av sine fordeler i sanntid bildebehandling og enkle implementeringen med konvensjonelle optikk. Her presenterer vi en protokoll som beskriver fabrikasjon og bildebehandlingsprogrammer av en sfærisk hyperlens.

Cite this Article

Copy Citation

Lee, D., Kim, M., So, S., Kim, I., Yoon, G., Kim, K., et al. 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

Bruk av super-oppløsning for å overvinne Diffraksjon grensen på konvensjonelle mikroskopi har fått oppmerksomhet av forskere i biologi og nanoteknologi. Selv om feltnære skanning mikroskopi og superlenses har forbedret oppløsningen i regionen nær-feltet, fortsatt langt-feltet imaging i sanntid en betydelig utfordring. Nylig hyperlens, som forstørrer og konverterer evanescent bølger til spre bølger, har dukket opp som en roman tilnærming langt-feltet bildebehandling. Her rapporterer vi fabrikasjon av en sfærisk hyperlens består av vekslende sølv (Ag) og Titan oksid (TiO2) tynne lag. I motsetning til en vanlig sylindrisk hyperlens gir den sfæriske hyperlens todimensjonal forstørrelse. Dermed er inkorporering konvensjonelle mikroskopi grei. En ny optisk system integrert med hyperlens er foreslått, slik at en sub bølgelengde bilde innhentes i regionen langt-feltet i sanntid. I denne studien er fabrikasjon og tenkelig oppsettmetoder forklart i detalj. Dette arbeidet også beskriver tilgjengeligheten og muligheten for hyperlens og praktiske anvendelser av sanntids imaging i levende celler, som kan føre til en revolusjon i biologi og nanoteknologi.

Introduction

Et ønske om å observere biomolecules i levende celler førte til oppfinnelsen av mikroskopi, og bruk av mikroskopi overført revolusjonen i ulike felt, som biologi, patologi og materielle vitenskap, over siste århundrene. Men videre utvikling av forskning er begrenset av Diffraksjon, som begrenser oppløsningen av konvensjonell mikroskop til rundt halvparten av bølgelengde1. Super-oppløsning for å overvinne Diffraksjon grensen har derfor vært en interessant forskningsområde i de siste tiårene.

Som Diffraksjon grensen er tillagt tap av evanescent bølger som inneholder sub bølgelengde informasjon om objekter, har studier vært gjennomført å holde evanescent bølger fra filtrert bort eller gjenopprette dem2,3. Arbeidet med å overvinne Diffraksjon grensen ble først rapportert med nær-feltet skanning optisk mikroskopi, som samler evanescent feltet i nærheten objektet før det er utsvevende2. Men som skanner hele bildet regionen og rekonstruere det tar lang tid, kan den brukes sanntid bildebehandling. Selv om en annen tilnærming basert på "superlens," som forsterker evanescent bølger, gir mulighet for sanntids bildebehandling, sub bølgelengde imaging er bare i stand til i regionen nær-feltet og kan ikke komme langt utover objekter4, 5 , 6 , 7.

Hyperlens har nylig dukket opp som en ny tilnærming til sanntid langt-feltet optisk tenkelig8,9,10,11,12. Hyperlens, som er laget av svært Anisotrop hyperbolsk metamaterials13, viser en flat hyperbolsk dispersjon slik at den støtter høy romlig informasjon med samme fase hastighet. Videre, på grunn av momentum bevaring loven, høy tverrgående wavevector er gradvis komprimert som bølgen går gjennom sylindriske geometrien. Forstørret informasjonen kan dermed oppdages av konvensjonell mikroskop i regionen langt-feltet. Dette er spesielt viktig å sanntid langt-feltet bildebehandling, som ikke krever noen punkt-til-punkt skanning eller bildet gjenoppbygging. Hyperlens kan dessuten brukes for programmer enn avbildning, inkludert nanolithography. Lyset som passerer gjennom hyperlens i motsatt retning vil bli fokusert på en sub Diffraksjon området på grunn av tidspunktet for opprettelsen reversering symmetri14,15,16.

Her rapportere vi om en sfærisk hyperlens som forstørrer todimensjonal informasjon synlig frekvensen. I motsetning til konvensjonelle sylindriske geometri forstørrer de sfærisk hyperlens objekter i to laterale dimensjoner, tilrettelegge praktisk tenkelig søknadene. Fabrikasjon metoden og tenkelig oppsett med hyperlens presenteres i detalj for reproduksjon av en høykvalitets hyperlens. En sub bølgelengde objektet er innskrevet på hyperlens for å bevise sin super-løse makt. Det er bekreftet at små funksjoner innskrevet objekter blir forstørret av hyperlens. Dermed er tydelig løst bildene oppnådd i regionen langt-feltet i sanntid. Denne nye typen sfærisk hyperlens, med dens enkel integrering med konvensjonelle mikroskopi, gir mulighet for praktisk grafikkprogrammer, fører til begynnelsen av en ny æra i biologi, patologi og generell nanovitenskap.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. substratet

  1. motta svært raffinert kvarts wafer. For fabrikasjon rapporterte her, bruk en wafer med 500 µm tykkelse.
  2. Spin-coat kvarts kjeks med en positiv photoresist 2000 rpm og stek i 60 s på 90 ° C.
    Merk: Positiv photoresist laget er belagt for å hindre skade under det påfølgende klipping steget.
  3. Bruker en dicing maskinen skjær kjeks med photoresist i små biter 20 x 20 mm 2 størrelse.
  4. Blåse bruker en komprimert nitrogen pistol for å fjerne partikler fra kutte trinnet.
  5. Plasserer den i ultralydbad i de-ionisert (DI) vann i 5 min på 45 ° C. Fjern photoresist laget med ultralydbad i aceton i 5 min på 45 ° C. ren underlaget to ultralyd bad, aceton og isopropyl alkohol, hver for 5 min på 45 ° C.
  6. Tørr underlaget med en komprimert nitrogen pistol.

2. Etsing maske mønsteret

  1. Last rydde kvarts underlag i en høy-vakuum elektron strålen fordampning systemet. Kontroller at substrat rotasjon er aktivert.
  2. Innskudd krom laget med en avsetning rate på 2 Å/s.
    Merk: Et lag minst 100 nm-tykk bør settes til etsing mask å hindre knappenålshull laget av nedfall.
  3. Trykk på vent for å ventilere kammeret og montere en prøve på fokusert ion strålen (FIB) innehaveren benytter gjennomføre kobber tape.
  4. Laste FIB holderen inn i LØGN kammeret.
  5. Stenge kammer og trykk pumpen å evakuere kammeret.
  6. Velg " stråle på " under strålen kontrollknappen og sett ion stråle strøm (7,7 pA) og akselerasjon spenning (30 kV) for FIB modus.
  7. Slår ion strålen systemet på.
  8. Velg " stråle på " under kategorien beam kontroll aktivere elektronstråle og fokusere bildet med lav forstørrelse programmvre.
  9. Angi arbeidsavstand (WD) på 4 mm under kategorien navigasjon i scanning elektron mikroskop (SEM) modus.
  10. Sett vinkel av holderen til 52° og ta SEM bildene ved ulike forstørrelser før hull datatabell maske mønster fabrikasjon.
  11. Velg mønstre regionen og foreta en 50 nm hull matrise på krom laget under kategorien mønstre.
    Merk: Det er enkle mønstre verktøy tilgjengelig under kategorien mønster. Mer komplekse geometri og eksponering kontroll oppnås ved å importere punktgrafikk eller genererer skript.
  12. Etter endt, slå av elektron strålen og ion strålen systemer og kjøle ned systemet.
  13. Trykk på vent og vent til kammeret nitrogen gass. Ta innehaveren av kammeret.
  14. Stenge kammer og evakuere kammeret ved å trykke knappen pumpen.

3. Våt-etsing prosessen og fjerning av maske laget

  1. sette mønstret underlaget i 1:10 bufret oksid etsematerialer for 5 min.
    Merk: Kvarts er selektivt og isotropically våt-etset av etsematerialet og danner en sfærisk form. Formen på linsen kan fås med etsing maske, og diameteren er presist kontrollert innen etsning. En bedre sfærisk form kan dannes med mindre mønster diameter. En 1,5 µm-diameter halvkule kan oppnås innen 5 min.
  2. Inn mønstret underlaget DI vann å feilfri det bufrede oksid etsematerialet (5 min, to ganger).
    Merk: Bufrede oksid etsematerialer kan være farlig, så vær forsiktig når du bruker denne etsematerialer.
  3. Tørr prøven med komprimert nitrogen gass.
  4. Sette mønstret underlaget i CR-7 krom ETSEMATERIALER fjerner krom maske laget.
    Merk: Etter fjerner det chromium laget, en sfærisk mønstret substrat 1.5 µm i diameter kan fås.
  5. Inn DI vann å feilfri den (5 min) Mønstret underlaget.

4. Flerlags avsettelse og Nano-størrelse objektet Inskripsjon

Merk: et par lag settes på sfærisk kvarts underlaget. Her brukes Ag og TiO 2 som deponering materiale. AG og TiO 2 settes vekselvis på tykkelse på 15 nm.

  1. Trykk på vent av elektron strålen fordampning og vente til ventilen er.
  2. Laster mønstret underlaget i en høy-vakuum elektron strålen fordampning system etter ventilen.
  3. Stenge kammer og evakuere kammeret vakuum grad av 10 -7 Torr ved å trykke knappen pumpen.
    Merk: Betingelsen vakuum bør holdes på 10 -7 Torr å redusere spredning fra overflateruhet.
  4. Innskudd Ag laget med en vekst på 1 Å / s og innskudd et 15 nm-tykk Ag lag.
  5. Etter at Cospatric av Ag laget, avkjølt substrater for 5 min.
  6. Endre lommen av elektron strålen fordampning systemet ved å velge en annen smeltedigel og innskudd TiO 2 lag med en vekst på 1 Å/s. innskudd et 15 nm-tykk TiO 2 lag.
    Merk: Under deponering prosessen, filmen veksten holdes lav til å opprettholde den overflateruhet ensartethet.
  7. Etter at Cospatric av TiO 2 laget, avkjølt substrater for 5 min.
  8. Gjenta trinnene 4.4-4.7 for titalls sykluser for å sette inn et flerlags Ag og TiO 2.
    Merk: på dette punktet hyperlens fabrikasjon er. Neste skritt er for å gjøre en vilkårlig sub-diffraction-begrenset funksjon for å teste hyperlens imaging evne. Nanometer store åpninger og åpninger skrevet av FIB fresing.
  9. Endre lommen av elektron strålen fordampning og sette krom laget på en tykkelse på 50 nm.
  10. Etter at Cospatric av et Cr lag, slå av elektron strålen fordampning systemet. Trykk på vent og ventilere kammeret ved å innføre nitrogen gass.
  11. Etter åpningen, åpne kammer døren og ta mount holderen ut av kammeret. Kle av fabrikkerte hyperlens enheten.
  12. Stenge kammer og evakuere kammeret ved å trykke knappen pumpen.
  13. Montere hyperlens satt med krom inn liten LØGN fresing systemet og mønster en nano-størrelse struktur, per produsenten ' s instruksjoner.

5. Innstilling opp den Imaging System og Imaging prosedyre

  1. sted en konvensjonell transmisjon optisk mikroskopet på tabellen optisk.
    Merk: Her en invertert optisk mikroskop ble brukt som hoveddelen.
  2. Koble en hvit lys kilde til mikroskopet belysning banen med adapter.
  3. Plasserer en optisk båndpassfilter sentrert på 410 nm.
    Merk: Båndpassfilter selektivt trenger bestemte bølgelengden til lyset; Her lyser 410 nm lampe på prøven. En hyperlens bestående av Ag og TiO 2 har høy ytelse på en 410 nm bølgelengde. Simulering resultatet ( figur 2 c) viser resultatene for hyperlens, som tilfredsstiller den hyperbolske spredning forholdet på 410 nm lys.
  4. Velg en høy forstørrelse oljeneddyp linsen. Bruke en høy kvalitet CCD kamera for å få bildene.
    Merk: Innstillingen optisk bare setter forbudetdpass filtrerer i lys belysning banen å sortere ut 410 nm wavelength lyset. En bestemt bølgelengden til lyset kan bli belyst på prøven uten å bruke hvitt lys, men i en vanlig laboratoriet, optiske mikroskoper kan ha en hvit-lyskilde for observasjon av prøver gjennom lyse-feltet eller fluorescens imaging.
  5. Plasser en dråpe neddyppingsolje på målet linsen. Plasser en hyperlens på scenen og fange testbildene.
    Merk: Innskrevet nano-størrelse objektene overflatebehandling av hyperlens kan være tent med 410 nm lys. Med hyperlens, nano-størrelse objektene forstørres og blir fanget av linsen og fotografert av CCD kamera.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Muligheten for hyperlens enheten å løse sub Diffraksjon funksjoner stoler på sin ensartethet og en høy kvalitet fabrikasjon. Her består en hyperlens av et flerlags Ag og TiO2 avsatt vekselvis. Figur 2a viser SEM bildet av en vellaget hyperlens17. Tverrsnittsstudier bildet viser at multilayer av Ag og Ti3O5 tynn film er avsatt med ensartet tykkelse på hemisfæriske kvarts underlaget. Overflateruhet av siste hyperlens er mindre enn 1,5 nm rot betyr kvadratisk (r.m.s).

Vi brukte TiO2 i stedet for Ti3O5 som et dielektrisk siden begge materialer, som har høy refractive indekser over 2, gi opphav til effektiv hyperbolsk spredning når stablet med sølv. Som nevnt i protokollen, en hyperlens bestående av Ag og TiO2 har en god ytelse på 410 nm fordi spredning forholdet mellom den stablede multilayer av Ag og TiO2 har en hyperbolsk spredning kurve, som vist figur 2b . I prinsippet kan bølger med høy romlig wavevector komponenter overføres i så hyperbolsk medium radial retning i hyperlens. Med andre ord, kan de små funksjonene har høy frekvens komponenter som ikke kan fanges opp av konvensjonelle optikk, overføres til langt-feltet gjennom hyperlens. Figur 2 viser den simulerte felt fordelingen i hyperlens bruker et begrenset element (FEM) simuleringsverktøy. Design, materialegenskaper og innskrevet nanostrukturer av simulering modellen er satt identisk med de av den ferdige hyperlens. To hull 50 nm i diameter er innskrevet i krom laget, med en avstand på 150 nm. Toppen av hyperlens lyser 410 nm lyset og lyset fra hyperlens inneholder forstørrede bildet av objektet, der forstørrelsen bestemmes av forholdet mellom indre radius og ytre radius av hyperlens. Forstørrede bildet av sub-diffraction-begrenset objektet kan fanges opp av en konvensjonell linsen og fotografert.

Måling av Diffraksjon-ubegrenset bildet med en hyperlens utføres gjennom en enkel optisk system. Figur 3a viser skjematisk av hyperlens bildebehandling. Konvensjonelle mikroskopi kan brukes som en stormaskin, med små forskjeller. Belysning banen er overføring og hvitt lys kilden er plassert med en skikkelig båndpassfilter. Belysning lyset samles av en kondensator eller fokus linse og levert til objektet flyet. Prøven er plassert på hyperlens i en hyperlens tenkelig system, mens prøven er plassert på lysbildet glasset i konvensjonelle optisk mikroskopi indre overflate. Objektene i hyperlens er opplyst, og bildet deretter overføres gjennom hyperlens. Til slutt, bildet er tatt av en linsen og CCD kamera. Hyperlens-implementert optiske systemet er vist i figur 3b. Med enkel tilleggskomponenter, som kilde og filter, kan hyperlens lett bli implementert i en konvensjonell mikroskop system.

De virkelige bildene tatt gjennom en hyperlens vist i Figur 4. Figur 4a og 4 d viser to sett med SEM bilder av sub bølgelengde strukturer, bestående av et hull og linje innskrevet i krom laget av hyperlens. Gapet størrelsene er fra 160-180 nm i hvert tilfelle. I konvensjonell mikroskopi, kan ikke disse sub Diffraksjon strukturer løses fordi Diffraksjon grensen. På den annen side, er små funksjonene tydelig løst med hyperlens. Figur 4b og 4e innhentet optisk bildene ved hjelp av hyperlens-basert system, og kryss-delt intensitet profilene (rød stiplet linje) er vist i Figur 4 c og 4f, henholdsvis. Tverrsnittsstudier intensitet grafene viser separasjoner av 363 og 346 nm (Figur 4 c) og 333 nm (figur 4f), henholdsvis tilsvarer en forstørrelse på 2.1, bestemmes av forholdet mellom indre og ytre radius av hyperlens.

Figure 1
Figur 1: skjematisk av Hyperlens fabrikasjon prosessen. (en) fabrikasjon begynner med utarbeidelse av raffinerte kvarts wafer. (b) på kvarts kjeks, en krom lag 100 nm tykk er avsatt av et elektron strålen fordampning system. (c) slik at en maske for en våt-etsing prosess, 50 nm-diameter hull er mønstret på krom laget med en LØGN fresing systemet. (d) en isotropic våt-etsning prosessen er gjennomført med krom laget. En hemisfæriske figur dannes på kvarts kjeks. (e) fjerning av krom laget er gjort med en krom etsematerialer. (f) på hemisfæriske overflaten er et flerlags Ag og TiO2 avsatt eventuelt med en tykkelse på 15 nm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: fabrikasjon og simulering resultatene av Hyperlens. (en) Cross-sectioned SEM bilde av den ferdige hyperlens. Hvert lag av Ag og TiO2 med 15 nm tykkelse er godt deponert, med ensartethet og råhet av siste hyperlens er mindre enn 1,5 r.m.s. Dette tallet er endret fra referanse17. (b) Isofrequency konturlinje av den hyperlens (grønn linje) og isotropic medium (lilla linje). Hyperlens har en hyperbolsk form av spredning forhold som kan overføres høy frekvens komponenten (små funksjoner, høyere enn cut-off verdi) til feltet langt. Men isotropic medium som konvensjonelle optikk har en sirkulær spredning forhold og kan ikke overføre i cut-off frekvensområdet. (c) simulering resultatet av hyperlens. Resultatet viser magnetfelt fordelingen fra små funksjoner innenfor hyperlens overflatebehandling. Sub-diffractional objektet er forstørret og overført til langt feltet gjennom hyperlens. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Hyperlens-implementert Imaging System skjematisk. (en) A bredbånd hvitt lysbrukt til å belyse prøven. Lyset passerer gjennom båndpassfilter og en bestemt bølgelengden til lyset er valgt. Her brukes 410 nm lys som belysning lyset. Hyperlens implementeres enkelt på objektet flyet og gjennom linsen og CCD kamera, slik at liten objektet på hyperlens er tatt. (b) Hyperlens-implementert tenkelig system. En vanlig invertert mikroskop kropp er brukt som en stormaskin, og hyperlens legges for super-oppløsning bildebehandling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: fabrikasjon resultatet og simuleringsresultater Hyperlens17 . (en) SEM bilde av et objekt med to prikker atskilt med en linjestruktur. Hvert punkt har avstander 180 nm og 160 nm. (b) optisk bildet tatt gjennom hyperlens. Liten objektet i hyperlens er forstørret og fanget. Sub Diffraksjon begrenset funksjonene er løst. (c) langs røde stiplet linje, kryss-delt intensitet profilen er målt. Tverrsnittsstudier intensitet profilene viser separasjoner av 363 og 346 nm. (d) SEM bilde av et annet objekt med tre prikker 160, 170 og 180 nm fra hverandre. (e) optisk bildet tatt gjennom hyperlens. (f) kryss-delt intensitet profil av den røde stiplede linjen i (e). Tverrsnittsstudier intensitet profilen viser en separasjon av 333 nm. Tverrsnittsstudier intensitet profiler tilsvarer 2,1 X Forstørrelsesfaktoren for hyperlens. Dette tallet er endret fra refefence17. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fabrikasjon av en hyperlens inkluderer tre hovedtrinn: definere hemisfæriske geometri i kvarts underlaget gjennom en våt-etsing, stabling metall og dielektrisk flerlags bruker et elektron strålen fordampning system, og inscribing den objektet på Cr laget. Viktigste er andre, siden det kan påvirke kvaliteten på hyperlens. I tynn-film deponering prosessen er det bestemmelser som krever spesiell omsorg for et klart super løst bilde. Stable multilayer conformally er en av de avgjørende spørsmålene, som ikke-conformal avsettelsen av multilayer fører til et avvik fra perfekt sfærisk form. Hvis filmen avsetning ikke er treg nok, filmen tykkelsen på midten og at kanten av hemisfæriske geometri pleier å variere på grunn av vinklet natur elektron strålen fordampning. Romlig annen film tykkelsen gir opphav til romlig avhengige forstørrelse og forårsaker bildeforvrengning. Filmen deponering prisen bør derfor være så sakte som mulig (mindre enn 0,1 nm/s) for å oppnå en conformal flerlags.

En annen mulig faktor som kan bringe ut en ufullkommen bilde er overflateruhet, siden en ru overflate øker sannsynligheten for lysspredning. Det har blitt rapportert at inkludering av et tynt lag med en høy-overflate energi materiale har en wetting effekt, drastisk redusere percolation sølv18. Her, fungerer TiO2 laget som wetting materialet. Sølv avsatt på TiO2 laget tendens til å bli flatere enn vanlig. I tillegg skal vakuum tilstanden være mindre enn 10-7 Torr gjennom deponering prosessen for en jevnere og mykere flerlags. Agglomeration av sølv under elektron strålen fordamper kan også gjøre overflaten grove. Siden agglomeration undertrykkes ved lave temperaturer, kan filmen avsetning utføres i Kryogenisk forhold kontrollert av flytende nitrogen. Etter tynn-film avsetning, vi undersøkte overflateruhet fabrikkerte struktur å sikre den glatte overflaten med AFM og bekreftet at overflateruhet er mindre enn 1,5 nm.

Selv om alle tre betingelser er nøye kontrollert, er en perfekt bilde uovertrufne, selv under ideelle fabrikasjon. Først, som med alle andre konvensjonelle optisk system, den hyperlens-basert optisk systemet, som inkluderer hyperlens og konvensjonelle høy-NA optikk, er underlagt vanlig avvik, for eksempel sfærisk avvik. Også, selv om sfærisk strukturer av hyperlens aktiverer todimensjonal super-oppløsning imaging under unpolarized lys, sfærisk geometri gir opphav til avvik. For eksempel når objektet består av to hull og et slit innskrevet på Cr laget, er de ikke på samme objektplan. Ett av objektene kan derfor være i fokus mens den andre ikke. Dette delvis fokuserer også stammer fra discordance av utvalget og den optiske aksen påfølgende høy-NA avbilding. Bortsett fra denne romlig-avhengig oppløsning, er flere sløret observert på grunn av fringe effekten, som stammer fra den gjenværende sammenhengen i lys lys.

Videre begrenser nedbryting av effektiv medium tilnærming oppløsningen. For bølger som tverrgående bølge vektor komponenten er for stor sammenlignet med vakuum bølgelengde, effektiv bølgelengden i hyperlens blir mindre, og en gang det blir sammenlignes med filmen tykkelsen. Derfor er effektive middels tilnærming ikke gyldig lenger. Som effektive bølgelengden tilnærminger 2d, der d er tykkelsen på lagene, spredning kurven avviker betydelig fra hyperbolsk figuren, og bølgene kan overføre. Dette begrenser oppløsningen innen 60 nm for bestemte hyperlens-baserte systemet vist her. Vi bør også nevne at selv om hyperlens leverer bilder i langt-feltet, objektet skal plasseres i en nær-feltet. Ellers ikke kan evanescent bølger bærer sub Diffraksjon funksjoner nå den hyperbolske mediet.

Til tross for den grunnleggende begrensninger til løsning av hyperlens lykkes vi i å forbedre bildebehandling kvalitet mimicking glatt og perfekt sfærisk strukturen i hyperlens. Glatt grensesnittet sikrer lavere spredning og mindre bildeforvrengning, mens conformal strukturen reduserer romlig-avhengige feilslutning. Videre siden super-oppløsning bildevisning hyperlenses stammer fra ekstraordinære spredning forholdet, er det uten bruk av fluorescens eller andre kompliserte mekanismer, for eksempel metoden Stokastisk. Derfor en hyperlens krever etterbehandling og muliggjør sanntid bildebehandling. Det også involverer ikke intrikate eksperimentelle komponenter, jobbet som en optikk-modul som kan enkelt integreres med en konvensjonell optikk oppsett, som vist. Tynn-film prosessen kan dessuten brukes til å stable en rekke materialer, med tykkelsen kontrollerbar i nanometer-skala. Derfor kan en hyperlens arbeider på en annen bølgelengde regime være fabrikasjon benytter ulike materialer.

Her presenterer vi fabrikasjon prosessen med en hyperlens og dens optisk setup for bildebehandling. Vi rapporterer også eksperimentelt etikett-fri sub Diffraksjon bilder i sanntid ved hjelp av et hyperlens-basert optisk system. Siden hyperlens har en enkel sfærisk geometri, finnes det andre grader av frihet å redusere begrensninger i tenkelig miljøet. For eksempel kan vi forbedre praktiske ved å vedta en skalerbar fabrikasjon metode eller utvide sin allsidighet ved å legge til flere trinn fabrikasjon aktivere i vitro bildebehandlingsprogrammer. Bruk av hyperlenses vil tillate forskere å observere Biofysiske dynamikken i nanoskala i sanntid. Det kan bli vurdert neste generasjon super-oppløsning tenkelig plattformen, for bruk i programmer som biologi, medisinsk vitenskap og materiale engineering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer at de har ingen konkurrerende økonomiske interesser.

Acknowledgements

Dette arbeidet er økonomisk støttet av unge etterforsker programmet (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center program (NRF-2015R1A5A1037668) og Global Frontier programmet (CAMM-2014M3A6B3063708), MK, S.S., dermed erkjenner den globale Ph.D. Stipend (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) gjennom National Research Foundation av Korea (NRF) stipendet finansiert av departementet for vitenskap, IKT og fremtiden planlegging (MSIP) av koreanske regjeringen.

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.

    Video Stats