Demonstratie van een Hyperlens-geïntegreerd Microscoop en super resolutie beeldvorming

* 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:

 

Summary

Het gebruik van een hyperlens werd beschouwd als een nieuwe super resolutie beeldvormende techniek te wijten aan haar voordelen in real-time beeldvorming en haar eenvoudige implementatie met conventionele optica. Hier presenteren we een protocol met een beschrijving van de fabricage en beeldtoepassingen van een sferische hyperlens.

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

Het gebruik van super resolutie imaging om te overwinnen de limiet van de diffractie van conventionele microscopie heeft het belang van onderzoekers in de biologie en nanotechnologie aangetrokken. Hoewel in de buurt van-veld scanning microscopie en superlenses zijn de resolutie in de buurt van het veld regio verbeterd, blijft ver-veld imaging in real-time een aanzienlijke uitdaging. Onlangs, de hyperlens, die vergroot en zet vluchtig golven in teeltmateriaal golven, heeft ontpopt als een nieuwe benadering voor de beeldvorming van de ver-veld. Wij rapporteren hier, de fabricage van een sferische hyperlens, samengesteld uit afwisselende zilver (Ag) en titanium-oxide (TiO2) dunne lagen. In tegenstelling tot een conventionele cilindrische hyperlens voorziet de sferische hyperlens twee-dimensionale vergroting. Opneming van de conventionele microscopie is dus eenvoudig. Een nieuwe optische systeem is geïntegreerd in de hyperlens wordt voorgesteld, waardoor een afbeelding met een sub golflengte worden verkregen in de ver-veld regio in real-time. In deze studie, worden de fabricage en imaging setup methoden uiteengezet in detail. Dit werk beschrijft ook de toegankelijkheid en de mogelijkheid van de hyperlens, alsmede praktische toepassingen voor real-time imaging in levende cellen, die tot een revolutie in de biologie en nanotechnologie leiden kan.

Introduction

Een verlangen naar het observeren van biomoleculen in levende cellen leidde tot de uitvinding van microscopie, en de komst van microscopie doorgegeven de revolutie van verschillende gebieden, zoals biologie, pathologie en materiaalkunde, over de laatste paar eeuwen. Verdere vooruitgang van het onderzoek heeft echter zijn beperkt door diffractie, ter beperking van de resolutie van conventionele microscopen tot ongeveer de helft van de golflengte1. Daarom is super resolutie imaging om te overwinnen de diffractie-limiet een interessante onderzoeksruimte geweest in de afgelopen decennia.

Zoals de diffractie-limiet wordt toegeschreven aan het verlies van de vluchtig golven die sub golflengte informatie over objecten bevatten, zijn vroege studies uitgevoerd om te voorkomen dat vluchtig golven vervagen of om ze te herstellen2,3. De inspanning om te overwinnen de diffractie-limiet was voor het eerst gemeld met scanning optische microscopie, die het vluchtig veld in directe nabijheid van het object verzamelt voordat het gedissipeerde2in de buurt van veld. Echter, zoals het scannen van de afbeelding van de hele regio en reconstructie van het duurt een lange tijd, het kan niet worden toegepast op real-time imaging. Hoewel een andere aanpak gebaseerd op de "superlens," die vluchtig golven versterkt, de mogelijkheid voor real-time imaging biedt, beeldvorming van de sub golflengte is alleen geschikt in de regio in de buurt van-veld en niet bereiken ver buiten de objecten4, 5 , 6 , 7.

Onlangs, de hyperlens heeft ontpopt als een nieuwe benadering voor real-time ver-veld optische beeldvorming8,9,10,11,12. De hyperlens, die uit zeer anisotrope hyperbolische metamaterials13 bestaat, vertoont een plat hyperbolische dispersie zodat het ondersteunt hoge ruimtelijke informatie met dezelfde fase snelheid. Bovendien, als gevolg van de behoudswet van de dynamiek, de hoge dwarse wavevector is geleidelijk gecomprimeerd wanneer de Golf door de cilindrische geometrie gaat. Deze vergrote informatie kan dus worden gedetecteerd door een conventionele Microscoop regio ver-veld. Dit is van bijzonder belang aan real-time ver-veld imaging, zoals op niet ieder punt-voor-punt scannen of afbeelding wederopbouw vergen doet. Bovendien kan de hyperlens worden gebruikt voor andere toepassingen dan imaging, met inbegrip van nanolithography. Het licht dat via de hyperlens in de omgekeerde richting gaat zal uitgaan naar een sub diffractie-gebied als gevolg van de tijd-omkering symmetrie14,15,16.

Wij rapporteren hier, over een sferische hyperlens dat twee-dimensionale informatie vindt u op de zichtbare frequentie vergroot. In tegenstelling tot conventionele cilindrische meetkunde vergroot de sferische hyperlens objecten in de twee zijdelingse dimensies, praktische weergavetoepassingen vergemakkelijken. De fabricage methode en imaging setup met de hyperlens worden gepresenteerd in detail voor de reproductie van een kwalitatief hoogwaardige hyperlens. Een object sub golflengte is aangeduid op de hyperlens omwille van de bewijzen van zijn macht van super-oplossing. Het is bevestigd dat kleine elementen van ingeschreven objecten worden vergroot door de hyperlens. Aldus, duidelijk opgelost afbeeldingen zijn verkregen in de ver-veld regio in real-time. Deze nieuwe vorm van sferische hyperlens, met het gemak van integratie met conventionele microscopie, biedt de mogelijkheid van praktische beeldbewerkingstoepassingen, wat leidt tot het begin van een nieuw tijdperk in de biologie, pathologie en algemene nanoscience.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. substraat voorbereiding

  1. verkrijgen zeer verfijnd kwarts wafer. Voor de fabrikatie gemeld hier, gebruik een zegel met een dikte van 500 µm.
  2. Spin-jas het kwarts wafer met een positieve fotoresist op 2.000 rpm en bak gedurende 60 s op 90 ° C.
    Opmerking: De positieve fotoresist laag is gecoat om schade te voorkomen tijdens de daaropvolgende snijden stap.
  3. Gebruik van een dicing machine te snijden de wafer met fotoresist in kleine stukjes 20 x 20 mm 2 in grootte.
  4. Blazen met behulp van een gecomprimeerde stikstof-pistool voor het verwijderen van deeltjes als gevolg van het snijden stap.
  5. Plaatst u deze in het ultrasoonbad in de geïoniseerde (DI) water gedurende 5 minuten op 45 ° C. verwijderen de fotoresist laag met behulp van een ultrasoon bad in aceton voor 5 min op 45 ° C. schoon het substraat met behulp van twee Ultrasoon Baden, aceton, en isopropylalcohol, elk voor 5 min op 45 ° C.
  6. Droog het substraat met een pistool samengeperste stikstof.

2. Etsen van het masker patroon

  1. lading de schone kwarts substraten in een hoog-vacuüm-electron beam verdamping systeem. Zorg ervoor dat het substraat rotatie is ingeschakeld.
  2. Storten de laag chroom met een tarief van de depositie van 2 Å/s.
    Opmerking: Een laag minimaal 100 nm-dik moet worden neergelegd voor het etsen masker om te voorkomen dat gaatjes gemaakt van depositie.
  3. Druk op de knop vent vent van de zaal en monteren van een monster op de gerichte ion beam (FIB) houder met behulp van uitvoeren van koperen tape.
  4. Laden de FIB houder in de bedwelmingsruimte FIB.
  5. Sluit de deur van de kamer en druk op de pompknop te evacueren van de zaal.
  6. Selecteer " balk op " onder de lichtbundel controle tabblad en de ion beam stroom (7.7 pA)- en versnelling (30 kV) voor FIB modus.
  7. Hiermee zet u de ion beam system.
  8. Selecteer " balk op " onder het tabblad beam control inschakelen van de elektronenbundel en richten het beeld met lage vergroting softwarematig.
  9. De werkende afstand (WD) vastgesteldop 4 mm onder het tabblad navigatie in scannende elektronen microscoop (SEM) modus.
  10. De tilt hoek van de houder op 52° ingesteld en nemen de SEM-beelden op verschillende vergrotingen voordat gat matrix masker patroon fabricage.
  11. Kies de patronen regio onder het tabblad patronen en maak een 50 nm gat array op de laag chroom.
    Opmerking: Er zijn eenvoudige patronen hulpmiddelen toegankelijk onder het tabblad patronen. Meer complexe geometrie en blootstelling controle kan worden bereikt door bitmaps importeren of het genereren van scripts.
  12. Na het beëindigen, uitschakelen van de elektronenbundel en ion beam systemen en het systeem afkoelen.
  13. Druk op de knop vent en luchten van de kamer met stikstofgas. Neem de houder uit de zaal.
  14. Sluit de deur van de kamer en het evacueren van de kamer door te drukken op de pompknop.

3. Nat-etsen proces en verwijdering van de maskeerlaag

  1. Put het patroon substraat in 1:10 gebufferd oxide etchant voor 5 min.
    Opmerking: Het kwarts is selectief en isotropically natte-geëtst door het etchant en vormt een bolvorm. De vorm van de lens kan worden verkregen met de etsen-masker, en de diameter juist wordt beheerd door de etsen-tijd. Een beter sferische vorm kan worden gevormd met een kleinere diameter van de patroon. Een diameter van 1,5 µm halfrond kan worden verkregen binnen 5 min.
  2. Het patroon substraat gestoken in DI water te reinigen de gebufferde oxide etchant (5 min, twee keer).
    Opmerking: Gebufferde oxide etchant kan gevaarlijk zijn, dus wees voorzichtig bij het gebruik van deze etchant.
  3. Droog het monster met gecomprimeerde stikstofgas.
  4. Het patroon substraat gestoken in CR-7 chroom etchant te verwijderen van de maskeerlaag chroom.
    Opmerking: Na het verwijderen van de laag van chroom, een bolvormige gedessineerde substraat 1,5 µm in diameter kan worden verkregen.
  5. Het patroon substraat gebracht DI water om het schoon (5 min).

4. Gelaagde afzetting en Nano-sized Object inscriptie

Opmerking: een paar lagen worden gestort op het substraat sferische kwarts. Hier, worden Ag en TiO 2 gebruikt als de depositie materialen. AG en TiO 2 afwisselend worden gedeponeerd bij een dikte van 15 nm.

  1. Druk op de knop van de opening van de electron beam verdamping systeem en wacht tot de vent is.
  2. Het patroon substraat in een hoog-vacuüm electron beam verdamping systeem laden na de vent.
  3. Sluit de deur van de kamer en evacueren van de kamer tot een vacuüm mate van 10 -7 Torr door op de pompknop.
    Opmerking: De vacuüm voorwaarde moet worden bewaard bij 10 -7 Torr te verminderen de verstrooiing van de oppervlakteruwheid.
  4. Storten de Ag-laag met een groeitempo op jaarbasis van 1 Å / s en storting een 15 nm-dikke Ag laag.
  5. Na de afzetting van de Ag-laag, het substraat gedurende 5 minuten afkoelen
  6. De zak van de electron beam verdamping systeem veranderen door te kiezen voor een andere Kroes en storten de TiO 2 laag met een groeitempo op jaarbasis van 1 Å/s. storting een 15 nm-dikke TiO 2 laag.
    Opmerking: Tijdens de afzetting, de film groeipercentage is laag gehouden om de uniformiteit van de oppervlakteruwheid.
  7. Na de afzetting van de TiO 2 laag, het substraat gedurende 5 minuten afkoelen
  8. Herhaal stappen 4.4-4.7 voor tientallen cycli te deponeren een multilayer van Ag en TiO 2.
    Opmerking: op dit punt, de fabricage van hyperlens is voorbij. De volgende stap is voor het maken van een willekeurige functie van de sub-diffraction-beperkt voor het testen van de hyperlens imaging mogelijkheid. Nanometer-sized openingen en spleten zijn ingeschreven door FIB frezen.
  9. Wijzigen van de zak van de electron beam verdamping systeem en de chroom laag storten bij een dikte van 50 nm.
  10. Na de afzetting van een Cr-laag, de electron beam verdamping systeem uitschakelen. Druk op de knop vent en luchten van de kamer door de invoering van stikstofgas.
  11. Na de vent, open de deur van de kamer en de mount houder uit de zaal. Strippen af het apparaat gefabriceerde hyperlens.
  12. Sluit de deur van de kamer en het evacueren van de kamer door te drukken op de pompknop.
  13. Mount de hyperlens gestort de FIB frezen systeem met chroom en patroon van een nano-sized structuur, per de fabrikant ' s instructies.

5. Setting Up the Imaging systeem en Imaging Procedure

  1. plaats een conventionele overdracht-type optische Microscoop op optische tafel.
    Opmerking: Hier, een omgekeerde optische Microscoop werd gebruikt als de hoofdmacht.
  2. Een witte-lichtbron verbinden met de Microscoop verlichting pad met behulp van een adapter.
  3. Plaats een optische bandfilter filter gecentreerd op 410 nm.
    Opmerking: Het bandfilter filter selectief doordringt de specifieke golflengte van het licht; 410 nm licht brandt hier, op het monster. Een hyperlens bestaande uit Ag en TiO 2 heeft hoge prestaties bij een 410 nm golflengte. Het resultaat van de simulatie ( Figuur 2 c) toont de prestaties van de hyperlens, die voldoet aan de relatie van de hyperbolische dispersie op licht van 410 nm.
  4. Selecteer een high-vergroting olie-immersie objectief. Gebruik van een CCD-camera met hoge kwaliteit te verkrijgen van de beelden.
    Opmerking: Deze optische instelling zet enkel het verboddpass filteren in het pad van de lichte verlichting uitzoeken van het licht voor golflengte van 410 nm. Een specifieke golflengte van licht kan worden verlicht op het monster zonder gebruik te maken van wit licht, maar in een normale laboratorium, optische microscopen kunnen hebben een wit-licht bron voor de waarneming van monsters door heldere-veld of fluorescentie imaging.
  5. Breng een druppel van immersie-olie op het objectief. Plaats een hyperlens op de voorbeeldafbeeldingen fase en vangen.
    Opmerking: De ingeschreven nano-sized objecten aan de binnenzijde van de hyperlens kunnen worden verlicht met licht van 410 nm. Met de hyperlens, de nano-sized objecten zal worden vergroot en worden gevangen genomen door het objectief en beeld door CCD camera.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het vermogen van het hyperlens-apparaat op te lossen sub diffractie eigenschappen berust op uniformiteit en een kwalitatief hoogwaardige productie. Hier is een hyperlens samengesteld uit een multilayer van Ag en TiO2 afwisselend gestort. Figuur 2a toont het SEM-beeld van een goed gemaakte hyperlens17. De transversale afbeelding toont dat de multilayer van Ag en Ti3O5 dunne film met uniforme dikte op het hemisferische kwarts substraat wordt gestort. De oppervlakteruwheid van de structuur van de definitieve hyperlens is minder dan 1,5 nm kwadratische gemiddelde (r.m.s).

We gebruikten TiO2 in plaats van Ti3O5 als een diëlektrische, aangezien beide materialen, die hoge brekingsindices meer dan 2 hebben, aanleiding tot effectieve hyperbolische dispersie geven gestapelde met zilver. Zoals vermeld in het Protocol, een hyperlens bestaande uit Ag en TiO2 heeft een geweldige prestatie bij 410 nm omdat de relatie van de spreiding van de gestapelde multilayer Ag en TiO2 een hyperbolische dispersie-curve, zoals getoond Figuur 2b heeft . In principe kunnen golven met hoge ruimtelijke wavevector componenten propageren in zo'n een hyperbolische medium langs de radiale richting van de hyperlens. Met andere woorden, kunnen de kleine elementen hebben van hoogfrequente componenten, die niet kunnen worden vastgelegd met conventionele optica, doorgeven aan het ver-veld door middel van de hyperlens. Figuur 2 c toont de verdeling van de gesimuleerde veld in de hyperlens met behulp van een eindige elementen (FEM) simulatie-instrument. Het ontwerp, materiaaleigenschappen en ingeschreven nanostructuren van het simulatiemodel zijn identiek met die van de gefabriceerde hyperlens ingesteld. Twee gaten 50 nm in diameter zijn ingeschreven op de laag van chroom, met een afstand van 150 nm. De bovenkant van de hyperlens wordt verlicht door licht van 410 nm, en het licht van de hyperlens bevat het vergrote beeld van het object, waar de vergroting wordt bepaald door de verhouding tussen de binnenste straal en de buitenste straal van de hyperlens. Het vergrote beeld van het sub-diffraction-beperkte-object kan worden gevangen door een conventionele objectief en beeld.

De meting van de diffractie-onbeperkt beeld met behulp van een hyperlens wordt uitgevoerd door middel van een eenvoudige optische systeem. Figuur 3a geeft het schema van de hyperlens imaging systeem. Conventionele microscopie kan worden gebruikt als een mainframe, met kleine verschillen. Het pad van verlichting is het type van de transmissie en de wit-lichtbron wordt geplaatst met een juiste bandfilter filter. Het licht van de verlichting wordt verzameld door een condensator of focus lens en geleverd op het vlak van het object. Het monster wordt geplaatst aan de binnenzijde van de hyperlens in een hyperlens imaging systeem, terwijl het monster op het dia-glas in conventionele optische microscopie is geplaatst. De objecten in de hyperlens zijn verlicht, en de afbeelding vervolgens wordt doorgegeven via de hyperlens. Tot slot is het beeld gevangen door een objectief en CCD-camera. Het hyperlens geïmplementeerde optische systeem is afgebeeld in Figuur 3b. Met eenvoudige extra onderdelen, zoals een bron en filter, kunnen de hyperlens gemakkelijk worden geïmplementeerd in een conventionele Microscoop systeem.

De echte beelden via een hyperlens worden weergegeven in Figuur 4. Figuur 4a en 4 d verbeelden twee sets van de SEM beelden van sub golflengte structuren, bestaande uit een gat en de lijn gegraveerd in de chroom-laag van de hyperlens. De maten van de kloof zijn van 160-180 nm in elk geval. In conventionele microscopie, worden deze sub diffractie-structuren niet opgelost omdat de diffractie-limiet. Aan de andere kant, zijn de kleine functies duidelijk opgelost met de hyperlens. Figuur 4b en 4e tonen de verkregen optische beelden met behulp van de hyperlens gebaseerde systeem, en de cross-sectioned intensiteit profielen (rode stippellijn) worden weergegeven in Figuur 4 c en 4f, respectievelijk. Transversale intensiteit grafieken tonen scheidingen van 363 en 346 nm (Figuur 4 c) en 333 nm (figuur 4f), respectievelijk, overeenstemt met een vergroting van 2.1, bepaald door de verhouding tussen de binnenste en buitenste straal van de hyperlens.

Figure 1
Figuur 1: schematische van het fabricageproces Hyperlens. (een) de fabricage begint met de voorbereiding van verfijnde kwarts wafer. (b) op de quartz-wafer, een chroom laag 100 nm dik wordt gestort door een electron beam verdamping systeem. (c) te maken van een masker patroon voor een natte-etsen-proces, een 50 nm diameter gat is patroon op de laag van de chroom met behulp van een FIB frezen systeem. (d) een isotrope NAT-ETS proces wordt uitgevoerd met behulp van de laag van chroom. Een halfronde vorm wordt gevormd op de quartz-wafer. (e) de verwijdering van de chroom laag wordt gedaan met een chroom-etchant. (f) op het hemisferische oppervlak is een multilayer van Ag en TiO2 gestort afwisselend, met een dikte van 15 nm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: fabricage en simulatieresultaten van de Hyperlens. (een) Cross-sectioned SEM beeld van de gefabriceerde hyperlens. Elke laag van Ag en TiO2 met een dikte van 15 nm is goed gedeponeerd, met uniformiteit en de ruwheid van definitieve hyperlens is minder dan 1.5 r.m.s. Dit cijfer is gewijzigd van referentie17. (b) Isofrequency omtrek van de hyperlens (groene lijn) en een anisotroop medium (paarse lijn). De hyperlens heeft een hyperbolische vorm van dispersie relatie die de hoge frequentie component (kleine elementen, hoger dan de cut-off waarde) naar het verre veld kunt verspreiden. Echter isotrope middellange-achtige conventionele optiek heeft een circulaire dispersie relatie en niet kan verspreiden over de cut-off frequentie. (c) resultaat van de simulatie van de hyperlens. Het resultaat toont de verdeling van het magnetisch veld van kleine functies binnen de binnenzijde van de hyperlens. Het sub-diffractional-object is vergroot en doorgegeven aan de verre veld door middel van de hyperlens. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: Hyperlens geïmplementeerde Imaging systeem schematische. (een) A breedband wit-lichtbron wordt gebruikt voor het verlichten van het monster. Het licht passeert het bandfilter filter en een specifieke golflengte van het licht is geselecteerd. Hier, wordt 410 nm licht gebruikt als het licht van de verlichting. De hyperlens is eenvoudig op het vlak van het object en door het objectief en de CCD camera geïmplementeerd zodat het kleine object op de hyperlens is vastgelegd. (b) Hyperlens geïmplementeerde imaging systeem. Een conventionele omgekeerde Microscoop lichaam wordt gebruikt als een mainframe, en de hyperlens wordt toegevoegd voor super-resolutie beeldvorming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: fabricage resultaat en simulatieresultaten van de Hyperlens17 . (een) SEM afbeelding van een object met de twee puntjes die zijn gescheiden door een lijnstructuur. Elke stip heeft afstanden van 180 nm en 160 nm. (b) optische beeld vastgelegd door middel van de hyperlens. Het kleine object in de hyperlens is vergroot en gevangen. De sub diffractie beperkte functies zijn opgelost. (c) langs de rode onderbroken lijn, het profiel van de cross-sectioned intensiteit wordt gemeten. De intensiteit van de transversale profielen tonen scheidingen van 363 en 346 nm. (d) het SEM-beeld van een ander object, met drie puntjes 160, 170 en 180 nm van elkaar. (e) optische beeld vastgelegd door middel van de hyperlens. (f) Cross-sectioned intensiteit Profiel van de rode stippellijn in (e). Het transversale intensiteit profiel toont een scheiding van 333 nm. Transversale intensiteit profielen komen overeen met de 2.1 X vergrotingsfactor van de hyperlens. Dit cijfer is gewijzigd van refefence17. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De fabricage van een hyperlens omvat drie belangrijke stappen: definiëren hemisferische geometrie in het substraat kwarts via een proces van natte-etsen, stapelen de metaal- en diëlektrische multilayer beschilderen met behulp van een electron beam verdamping systeem, en de object op de Cr-laag. De belangrijkste stap is de tweede, omdat het aanzienlijk de kwaliteit van de hyperlens beïnvloeden kan. In het proces van dunne-film depositie zijn er twee voorwaarden waarvoor speciale zorg voor een duidelijk beeld van de Super opgelost. Stapelen van de multilayer hoekgetrouw is een van de cruciale vraagstukken, zoals de niet-hoekgetrouwe afzetting van de multilayer tot een afwijking van de ideale bolvorm leidt. Als de afzetting van de film niet is traag genoeg, de dikte van de film in het midden en die aan de rand van de hersenhelften geometrie vaak afwijken vanwege de hoekige aard van electron beam verdamping op. De ruimtelijk verschillende laagdikte leidt tot ruimtelijk afhankelijke vergroting en veroorzaakt beeldvervorming. De snelheid van film afzetting moet dus zo langzaam mogelijk (minder dan 0,1 nm/s) om een hoekgetrouwe multilayer.

Een andere mogelijke factor die een onvolmaakte beeld kan brengen is de oppervlakteruwheid, omdat een ruw oppervlak de kans op verstrooiing van licht verhoogt. Er werd gemeld dat de opneming van een dun laagje van een hoge-oppervlak energie materiaal een bevochtiging effect heeft, drastisch verminderen van de doorsijpeling van zilver18. De TiO2 laag werkt hier, als het bedplassen materiaal. Zilver gestort op de TiO2 laag meestal platter dan gebruikelijk. Bovendien, moet de vacuüm voorwaarde minder dan 10-7 Torr tijdens de afzetting proces voor een multilayer zelfs en glad. Agglomeratie van zilver tijdens de electron beam verdampen kan ook het oppervlak ruw maken. Aangezien de agglomeratie is onderdrukt bij lage temperaturen, kan de film afzetting in Cryogene omstandigheden gecontroleerd door vloeibare stikstof worden uitgevoerd. Na de afzetting van dunne-film, we onderzocht de oppervlakteruwheid van de gefabriceerde structuur om ervoor te zorgen het gladde oppervlak met behulp van AFM en bevestigd dat de oppervlakteruwheid minder dan 1.5 is nm.

Zelfs als alle drie voorwaarden zijn zorgvuldig gecontroleerd, is een perfecte opname onverkrijgbaar, zelfs onder ideale fabricage. Eerst, net als bij elke andere conventionele optische systeem, het optische systeem op basis van hyperlens, waaronder hyperlens en conventionele high-nb optica, is onderworpen aan conventionele aberraties, zoals sferische aberraties. Ook, hoewel bolvormige structuren van de hyperlens tweedimensionale super resolutie beeldvorming onder ongepolariseerde licht inschakelen, de sferische meetkunde geeft aanleiding tot aberraties. Bijvoorbeeld, wanneer het object is samengesteld uit twee gaten en een spleet die zijn ingeschreven op de Cr-laag, zijn ze niet op hetzelfde object vlak. Daarom kan een van de objecten worden in focus terwijl de anderen niet. Deze gedeeltelijke gericht ook afkomstig is van het verschil van het monster en de optische as van de latere high-nb beeldvorming. Afgezien van deze resolutie ruimtelijk-afhankelijke wordt extra vervaging waargenomen als gevolg van het marginale effect, dat vloeit uit de resterende samenhang in het licht van de verlichting voort.

Bovendien, de verdeling van de effectieve middellange onderlinge aanpassing beperkt de resolutie. Voor golven waarvan component van de vector transversale golf te groot in vergelijking met de vacuüm golflengte is, de effectieve golflengte in de hyperlens wordt kleiner, en soms wordt het vergelijkbaar met de laagdikte. Daarom is effectieve middellange aanpassing niet geldig meer. Als de effectieve golflengte 2d benaderingen, waar d is de dikte van de lagen, de dispersie curve aanzienlijk afwijkt van de hyperbolische vorm, en de golven niet kunnen voortplanten. Dit beperkt de resolutie binnen 60 nm voor de specifieke hyperlens-gebaseerd systeem dat is afgebeeld hier. Ook moeten we vermelden dat, hoewel de hyperlens beelden in het ver-veld levert, het object moet worden geplaatst in een in de buurt van-veld. Anders bereiken niet vluchtig golven uitvoering sub diffractie functies het hyperbolische medium.

Ondanks de fundamentele beperkingen naar de resolutie van de hyperlens, die we erin imaging kwaliteitsverbetering door het nabootsen van de gladde en perfecte bolvormige structuur van de hyperlens. De gladde interface zorgt voor lagere verstrooiing en minder beeldvervorming, terwijl de hoekgetrouwe structuur de ruimtelijk-afhankelijke aberratie vermindert. Bovendien, aangezien super resolutie beeldvorming met behulp van de hyperlenses afkomstig uit de buitengewone dispersie-relatie is, is het vrij zijn van het gebruik van de fluorescentie- of andere ingewikkelde mechanismen, zoals de stochastische methode. Dus een hyperlens vereist geen post-processing en real-time imaging mogelijk maakt. Het gaat ook niet om ingewikkelde experimentele onderdelen, werken als een optica-module die eenvoudig kan worden geïntegreerd met een conventionele optica setup, zoals is gebleken. Bovendien kan de dunne-film proces naar een breed scala van materialen, met de dikte controleerbaar op nanometerschaal-stack gebruikt te worden. Daarom kan een hyperlens werkt op een verschillende golflengte regime worden vervaardigd met behulp van verschillende materialen.

Hier presenteren we het fabricageproces van een hyperlens en zijn optische setup voor imaging. Wij rapporteren ook experimenteel sub diffractie label-vrije beelden in real-time met behulp van een hyperlens gebaseerde optische systeem. Aangezien de hyperlens een eenvoudige sferische meetkunde heeft, zijn er andere graden van vrijheid voor het verminderen van de beperkingen in de imaging-omgeving. Bijvoorbeeld kunnen we de bruikbaarheid te verbeteren door het aannemen van een schaalbare fabricage methode of zijn veelzijdigheid uitbreiden door extra stappen toe te voegen aan de fabricage om in vitro beeldtoepassingen. Het gebruik van hyperlenses kunnen wetenschappers te observeren biofysische dynamiek die zich voordoen op de nanoschaal in real-time. De volgende generatie van de super resolutie imaging platform, voor gebruik in diverse toepassingen zoals biologie, geneeskunde en materiële techniek kan worden beschouwd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Acknowledgements

Dit werk wordt financieel ondersteund door de jonge onderzoeker programma (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center programma's (NRF-2015R1A5A1037668) en Global Frontier (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., i. k. erkennen de globale Ph.D. Beurzen (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) door middel van de subsidie van de National Research Foundation van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap, ICT en toekomst Planning (MSIP) van de Koreaanse overheid.

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