Demonstration af en Hyperlens-integreret mikroskop og super-resolution 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

Brug af en hyperlens er blevet betragtet som en roman super-resolution imaging teknik på grund af dens fordele i real-time imaging og enkel gennemførelse med konventionelle optik. Vi præsenterer her, en protokol, der beskriver fabrikation og imaging anvendelser af 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

Brugen af super-opløsning imaging for at overvinde diffraktion grænsen for konventionel mikroskopi har tiltrukket interesse af forskere i biologi og nanoteknologi. Selvom nær felt scanning mikroskopi og superlenses have forbedret opløsning i regionen nær felt, stadig langt-ager imaging i real-time en betydelig udfordring. For nylig, den hyperlens, som forstørrer og konverterer flygtige bølger til formerings bølger, fremstod som en ny tilgang til langt-ager billeddannelse. Her rapporterer vi fabrikation af en sfærisk hyperlens består af skiftevis sølv (Ag) og titanium oxid (TiO2) tynd lag. I modsætning til en konventionel cylindriske hyperlens, den sfæriske hyperlens giver mulighed for to-dimensionelle forstørrelse. Således er iblanding i konventionelle mikroskopi ligetil. Et nyt optisk system integreret med hyperlens foreslås, giver mulighed for en sub bølgelængde billede fremstilles i regionen langt-ager i realtid. I denne undersøgelse, er fabrikation og billedbehandling opsætningsmetoder forklaret i detaljer. Dette arbejde beskriver også tilgængelighed og muligheden for hyperlens, såvel som praktiske anvendelser af real-time imaging i levende celler, hvilket kan føre til en revolution i biologi og nanoteknologi.

Introduction

Et ønske om at observere biomolekyler i levende celler førte til opfindelsen af mikroskopi, og fremkomsten af mikroskopi formeret revolution i forskellige områder, som biologi, patologi og materiallære, over sidste par århundreder. Yderligere fremskridt inden for forskning har imidlertid været begrænset af diffraktion, som begrænser opløsning af konventionelle mikroskoper til omkring halvdelen af bølgelængde1. Super-opløsning imaging for at overvinde diffraktion grænsen har derfor været et interessant område for forskning i de seneste årtier.

Som diffraktion grænse er tilskrevet tab af flygtige bølger, der indeholder sub bølgelængde oplysninger om objekter, er tidlige undersøgelser blevet gennemført at holde flygtige bølger fra fading væk eller at inddrive dem2,3. Bestræbelserne på at overvinde diffraktion grænsen blev først rapporteret med nær-felt scanning Optisk mikroskopi, som indsamler feltet flygtige tæt på objektet, før det er spredes2. Men som scanning regionen hele billedet og rekonstruere det tager lang tid, det kan ikke anvendes til real-time imaging. Selv om en anden tilgang baseret på "superlens," som forstærker flygtige bølger, giver mulighed for real-time imaging, sub bølgelængde imaging er kun i stand til i regionen nær-felt og kan ikke nå langt ud over objekter4, 5 , 6 , 7.

For nylig, hyperlens er opstået som en ny tilgang til real-time langt-ager optiske billeddannelse8,9,10,11,12. Hyperlens, som er lavet af stærkt anisotrope hyperbolske metamaterialer13, udstiller en flad hyperbolske spredning, således at den understøtter høj geografisk information med den samme fase hastighed. Derudover komprimeret den høje tværgående wavevector gradvist på grund af momentum bevarelse lov, da bølgen går igennem den cylindriske geometri. Forstørret oplysningerne kan dermed påvises ved en konventionel mikroskop i regionen langt-ager. Dette er af særlig betydning for real-time langt-ager billedbehandling, da det ikke kræver nogen punkt for punkt scanning eller billede genopbygning. Desuden, hyperlens kan bruges til andre programmer end imaging, herunder nanolithography. Lys, der passerer gennem hyperlens i den modsatte retning vil være fokuseret på en sub diffraktion område på grund af tid-tilbageførsel symmetri14,15,16.

Her, rapport vi om en sfærisk hyperlens, der forstørrer to-dimensionelle oplysninger med synlige frekvens. I modsætning til konventionelle cylindrisk geometri forstørrer den sfæriske hyperlens objekter i to laterale dimensioner, lette praktiske billedbehandlingsprogrammer. Fabrikation metode og billedbehandling setup med hyperlens præsenteres i detaljer for gengivelse af en høj kvalitet hyperlens. En sub bølgelængde objekt er indskrevet på hyperlens for at bevise sin løsning af super power. Det bekræftes, at små features indskrevet objekter er forstørret af hyperlens. Således fremstilles klart løst billeder i regionen langt-ager i realtid. Denne nye type af sfæriske hyperlens, med dens nemme integration med konventionelle mikroskopi, giver mulighed for praktisk billedbehandlingsprogrammer, fører til begyndelsen af en ny æra i biologi, patologi og generelle nanovidenskab.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. underlaget forberedelse

  1. få raffineret varmt kvarts wafer. For fabrikation rapporteret her bruger en wafer med 500 µm tykkelse.
  2. Spin-coat kvarts wafer med en positiv photoresist på 2.000 omdr. / min. og bages i 60 s på 90 ° C.
    Bemærk: Positive photoresist lag er belagt for at forhindre skader under trinnet efterfølgende skæring.
  3. Bruge en terninger maskine til at skære wafer med photoresist i små stykker 20 x 20 mm 2 størrelse.
  4. Blæse ved hjælp af en komprimeret kvælstof pistol til at fjerne partikler som følge af trinnet opskæring.
  5. Anbringes i ultralydbad i afioniseret (DI) vand i 5 min. ved 45 ° C. Fjern det photoresist lag ved hjælp af et ultralydsbad i acetone i 5 min på 45 ° C. ren underlaget ved hjælp af to ultralyd bade, acetone og isopropylalkohol, hver i 5 min på 45 ° C.
  6. Tørre bærematerialet med en komprimeret kvælstof pistol.

2. Ætsning maske mønster

  1. belastning af ren kvarts substrater i en high-vacuum elektron stråle fordampning system. Sikre, at substrat rotation er aktiveret.
  2. Deponere chrom lag med en aflejring af 2 Å/s.
    Bemærk: Et lag mindst 100 nm tykke bør deponeres for ætsning maske til at forhindre pinholes fremstillet af deposition.
  3. Tryk på knappen vent at lufte kammeret og montere en stikprøve på fokuseret ion beam (FIB) indehaver bruger udførelse kobber tape.
  4. Indlæse FIB indehaveren i FIB afdeling.
  5. Luk kammer og tryk på knappen pumpe til at evakuere kammeret.
  6. Vælg " fjernlys på " under beam kontrol fanen og sæt ion stråle strøm (7,7 pA) og acceleration spænding (30 kV) for FIB tilstand.
  7. Slå ion beam system.
  8. Vælg " fjernlys på " under fanen beam kontrol at tænde elektronstrålen og fokusere billedet med lav forstørrelse ved hjælp af software.
  9. Sæt arbejde afstand (WD) på 4 mm under fanen navigation i scanning elektron mikroskop (SEM) tilstand.
  10. Indstille tilt vinkel af indehaveren til 52° og tage SEM billeder i forskellige forstørrelser før hul array maske mønster fabrikation.
  11. Under fanen mønstre vælger regionen mønstre og gøre en 50 nm hul array på laget chrom.
    Bemærk: Der er simpelt mønster værktøjer tilgængelige under fanen mønstre. Mere komplekse geometri og eksponering kontrol kan opnås ved at importere bitmaps eller genererer scripts.
  12. Efter endt, slukke elektronstråle og ion beam systemer og køle ned systemet.
  13. Tryk på knappen vent og lufte kammer med nitrogen gas. Tag indehaveren ud af salen.
  14. Luk kammer og evakuere mødesalen ved at trykke på knappen pumpe.

3. Wet-ætsning-processen og fjernelse af maske lag

  1. Læg det mønstrede underlag i 1:10 buffered oxid TIPkan i 5 min.
    Bemærk: Kvarts er selektivt og isotropt våd-ætset af TIPkan og danner en kugleform. Form af linsen kan fås med ætsning maske, og diameteren er netop kontrolleret af ætsning tid. En bedre kugleform kan stiftes med et mindre mønster diameter. En 1,5 µm diameter halvkugle kan opnås inden for 5 min.
  2. Sætte det mønstrede underlag i DI vand til at rense bufferet oxid TIPkan (5 min, to gange).
    Bemærk: Buffered oxid TIPkan kan være farligt, så vær forsigtig, når du bruger denne TIPkan.
  3. Tør prøve med komprimeret nitrogen gas.
  4. Sætte det mønstrede underlag i CR-7 krom TIPkan at fjerne chrom maske lag.
    Bemærk: Efter fjernelse af chrom lag, en sfærisk mønstrede substrat 1,5 µm i diameter kan opnås.
  5. Sætte det mønstrede underlag i DI vand til at rense det (5 min).

4. Multilayer Deposition og Nano-størrelse objekt indskriften

NOTE: et par lag er deponeret på sfæriske kvarts substrat. Her, anvendes Ag og TiO 2 som deposition materialer. AG og TiO 2 er deponeret skiftevis på en tykkelse af 15 nm.

  1. Tryk på knappen udluftning af elektron beam fordampning system og vente, indtil ventilen er slut.
  2. Indlæse de mønstrede underlag i en high-vacuum elektron beam fordampning system efter ventilen.
  3. Luk kammer og evakuere salen til et vakuum graden af 10 -7 Torr ved at trykke på knappen pumpe.
    Bemærk: Vakuum betingelsen bør holdes på 10 -7 Torr at reducere spredning fra den overfladeruhed.
  4. Deponere Ag lag med en vækstrate på 1 Å / s og depositum en 15 nm tykke Ag lag.
  5. Efter aflejring af laget Ag køle ned substrat for 5 min.
  6. Ændre lomme af elektron beam fordampning system ved at vælge en anden digel og deponere TiO 2 lag med en vækstrate på 1 Å/s. depositum en 15 nm tykke TiO 2 lag.
    Bemærk: Undervejs deposition film vækstrate holdes lav til at opretholde overfladeruhed ensartethed.
  7. Efter aflejring af TiO 2 lag, køle ned substrat for 5 min.
  8. Gentag trin 4.4-4.7 for snesevis af cykler til at deponere en flerlags Ag og TiO 2.
    Bemærk: på dette tidspunkt hyperlens fabrikation er. Det næste skridt er for at gøre en vilkårlig sub diffraction limited funktion til test hyperlens imaging evne. Nanometer-størrelse åbninger og slidser er indskrevet ved FIB fræsning.
  9. Ændre lomme af elektron beam fordampning system og deponere chrom lag på en tykkelse på 50 nm.
  10. Efter aflejring af et Cr lag, slukke elektron beam fordampning system. Tryk på knappen vent og lufte kammeret ved at indføre nitrogen gas.
  11. Efter aftræk, åbne kammer døren og tage mount indehaveren ud af salen. Krænge af enhedens fabrikerede hyperlens.
  12. Luk kammer og evakuere mødesalen ved at trykke på knappen pumpe.
  13. Montere hyperlens indsat med chrom på FIB milling system og mønster en nano-størrelse struktur, pr. fabrikanten ' s instruktioner.

5. Indstilling af Imaging-systemet og Imaging Procedure

  1. sted en konventionel transmission-type optisk mikroskop på tabellen optiske.
    Bemærk: Her, en inverteret optisk mikroskop blev brugt som lygtehuset.
  2. Tilsluttes mikroskop belysning stien ved hjælp af en adapter hvid lyskilde.
  3. Placer en optiske bandpass filter centreret på 410 nm.
    Bemærk: Bandpass filter selektivt trænger den specifikke bølgelængde af lys; her, er 410 nm lys belyst på prøve. En hyperlens bestående af Ag og TiO 2 har høj ydeevne på en 410 nm bølgelængde. Simulering resultat ( figur 2 c) viser udførelsen af hyperlens, som opfylder relationen hyperbolske spredning på 410 nm lys.
  4. Vælg en høj forstørrelse immersionsolie mål linse. Brug en høj kvalitet CCD kamera til at hente billederne.
    Bemærk: Indstillingen optisk bare sætter forbuddetdpass filtreres i lys belysning stien til at sortere ud 410 nm bølgelængde lys. En bestemt bølgelængde af lys kan være oplyst på prøve uden at bruge hvidt lys, men i et normalt laboratorium, optiske mikroskoper kan have en hvid lyskilde til iagttagelse af prøver gennem lysfelt eller fluorescens imaging.
  5. Placere en dråbe immersionsolie på objektive linse. Placere en hyperlens på scenen og fange billedeksempler.
    Bemærk: Indskrevet nano-størrelse objekterne på den indvendige overflade af hyperlens kan være belyst med 410 nm lys. Med hyperlens, nano-størrelse objekter vil blive forstørret og være fanget af formålet objektivet og afbildet af CCD kamera.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Enhedens hyperlens evne til at løse sub diffraktion funktioner bygger på dens ensartethed og høj kvalitet opdigtet. Her, er et hyperlens sammensat af et flerlaget Ag og TiO2 deponeret skiftevis. Figur 2a viser SEM billede af en vellavet hyperlens17. Tværsnits billedet viser, at flerlags Ag og Ti3O5 tynde film er deponeret med ensartet tykkelse på halvkugleformet kvarts substrat. Overfladeruhed af endelige hyperlens struktur er mindre end 1,5 nm root mean square (r.m.s).

Vi brugte TiO2 i stedet for Ti3O5 som en dielektrisk da begge materialer, der har højt refraktivt indeks over 2, give anledning til effektiv hyperbolske dispersion når stablet med sølv. Som nævnt i protokollen, en hyperlens bestående af Ag og TiO2 har en stor ydeevne på 410 nm fordi relationen spredning af de stablede flerlags Ag og TiO2 har en hyperbolsk dispersion kurve, som vist figur 2b . I princippet, kan bølger med høj fysisk wavevector komponenter udbrede i et hyperbolsk medium langs radial retning af hyperlens. Med andre ord, kan de små features at have højfrekvens komponenter, som ikke kan blive fanget af konventionelle optik, overføres til langt-ager gennem hyperlens. Figur 2 c viser den simulerede felt fordeling i hyperlens ved hjælp af en finite element (FEM) simulering værktøj. Konstruktion, materialeegenskaber og indskrevet nanostrukturer af simulationsmodellen angives identiske med dem i den fabrikerede hyperlens. To huller 50 nm i diameter er indskrevet på chrom lag, med en afstand af 150 nm. Toppen af hyperlens er oplyst af 410 nm lys, og lyset fra hyperlens indeholder det forstørrede billede af det objekt, hvor forstørrelsen er bestemt af forholdet mellem den indre radius og den ydre radius af hyperlens. Det forstørrede billede af objektet sub diffraction limited kan fanget af en konventionel mål linse og afbildet.

Måling af diffraktion-ubegrænset billedet ved hjælp af en hyperlens udføres gennem en simpel optiske system. Figur 3a viser skematisk hyperlens imaging system. Konventionelle mikroskopi kan bruges som en mainframe, med mindre forskelle. Belysning stien er typen transmission og hvid-lyskilde er placeret med en ordentlig bandpass filter. Belysning-lys er indsamlet af en kondensator eller fokus linse og leveret til objektplanet. Prøven er placeret på den indvendige side af hyperlens i en hyperlens imaging system, mens prøven placeres på dias glas i konventionelle Optisk mikroskopi. Objekterne i hyperlens er belyst, og billedet derefter overfører gennem hyperlens. Endelig, billedet er fanget af en mål linse og CCD kamera. Hyperlens-gennemført optiske system er vist i figur 3b. Med enkle yderligere komponenter, som en kilde og filter, kan hyperlens let gennemføres i en konventionel mikroskop system.

De virkelige billeder taget gennem en hyperlens er vist i figur 4. Figur 4a og 4 d skildrer to sæt af SEM-billeder af sub bølgelængde strukturer, bestående af et hul og linje indskrevet i chrom-laget af hyperlens. Kløften størrelser er fra 160-180 nm i hvert enkelt tilfælde. I konventionelle mikroskopi, ikke kan disse sub diffraktion strukturer løses på grund af at diffraktion grænse. På den anden side er de lille funktioner klart løst med hyperlens. Figur 4b og 4e viser de opnåede optiske billeder ved hjælp af hyperlens-baseret system, og cross-sectioned intensitet profiler (rød stiplet linje) er vist i figur 4 c og 4f, henholdsvis. Tværsnits intensitet grafer Vis separationer af 363 og 346 nm (fig. 4 c) og 333 nm (figur 4f), henholdsvis, svarende til en forstørrelse af 2.1, bestemt af forholdet mellem den indre og ydre radius af hyperlens.

Figure 1
Figur 1: skematisk af fabrikationsproces Hyperlens. (en) fabrikation begynder med udarbejdelsen af raffineret kvarts wafer. (b) på kvarts wafer, en krom lag 100 nm tykke er deponeret af en elektron beam fordampning system. (c) at lave en maske mønster for en våd-radering, en 50 nm-diameter hul er mønstret på chrom lag ved hjælp af en FIB milling system. (d) en isotropic våd-ætsning processen udføres ved hjælp af chrom lag. En halvkugleformet figur er dannet på kvarts wafer. (e) fjernelse af chrom lag er udført med en krom TIPkan. (f) på den halvkugleformede overflade er en flerlags Ag og TiO2 deponeret skiftevis, med en tykkelse af 15 nm. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: fabrikation og simulationsresultaterne af Hyperlens. (en) Cross-sectioned SEM billede med den opdigtede hyperlens. Hvert lag af Ag og TiO2 med 15 nm tykkelse er godt deponerede, med ensartethed og ruhed af endelige hyperlens er mindre end 1,5 r.m.s. Dette tal er blevet ændret fra reference17. (b) Isofrequency kontur af hyperlens (grøn linje) og isotropic medium (lilla linje). Hyperlens har en hyperbolsk form af dispersion forhold, der kan udbrede højfrekvens komponent (små funktioner, højere end cut-off værdi) til feltet langt. Men isotropic medium-lignende konventionelle optik har en cirkulær dispersion relation og kan ikke udbrede over grænsefrekvens. (c) simulering resultatet af hyperlens. Resultatet viser magnetfelt distribution fra lille funktioner inde i hyperlens indre overflade. Objektet sub-diffractional er forstørret og overført til feltet langt gennem hyperlens. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Hyperlens-implementerede Imaging System skematisk. (en) A bredbånd hvid-lysbruges til at belyse prøven. Lyset passerer gennem bandpass filter og en bestemt bølgelængde af lys er markeret. Her, bruges 410 nm lys som belysning lys. Hyperlens er gennemført let på objektplanet og gennem mål linse og CCD kamera så at den lille objekt på hyperlens er fanget. (b) Hyperlens-implementerede imaging system. En konventionel inverteret mikroskop kroppen bruges som en mainframe, og hyperlens er tilføjet til Super-resolution billeddannelse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: fabrikation resultat og simulationsresultaterne Hyperlens17 . (en) SEM billede af et objekt med to prikker adskilt af en linjestruktur. Hver prik har afstande på 180 nm og 160 nm. (b) optisk Billed fanget gennem hyperlens. Den lille genstand i hyperlens er forstørret og fanget. Sub diffraktion begrænset funktioner er løst. (c) langs den røde stiplede linje, profilen cross-sectioned intensitet måles. Tværsnits intensitet profiler Vis separationer af 363 og 346 nm. (d) SEM billede af et andet objekt, med tre prikker 160, 170 og 180 nm fra hinanden. (e) optisk Billed fanget gennem hyperlens. (f) Cross-sectioned intensitet profil af den røde stiplede linje i (e). Tværsnits intensitet profil viser en adskillelse af 333 nm. Tværsnits intensitet profiler svarer til 2,1 X forstørrelse faktor af hyperlens. Dette tal er blevet ændret fra refefence17. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fabrikation af en hyperlens omfatter tre hovedtrin: definere halvkugleformet geometri i kvarts substrat gennem en våd-ætsning, stabling metal og dielektriske flerlags ved hjælp af en elektron beam fordampning system, og indskrive den objektet på laget Cr. Det vigtigste skridt er andet, da det har væsentlig indflydelse på kvaliteten af hyperlens. I tynd-hinde deposition proces er der to forhold, der kræver særlig pleje for en klart super-løst billede. Stabling af flerlags conformally er et af de afgørende spørgsmål, som ikke-konform aflejring af flerlaget fører til en afvigelse fra den perfekte kugleform. Hvis filmen deposition er langsomme nok, filmtykkelse på midten og der på kanten af den hemisfærisk geometri har tendens til at variere på grund af den vinklede karakter af elektron beam fordampning. Den rumligt forskellige filmtykkelse giver anledning til rumligt afhængige forstørrelse og forårsager billedforvrængning. Filmen deposition sats bør derfor, som langsomt som muligt (mindre end 0,1 nm/s) for at opnå en conformal flerlags.

En anden mulig faktor, der kan bringe et ufuldstændigt billede er overfladeruhed, da en ru overflade øger sandsynligheden for lysspredning. Det er blevet rapporteret, at medtagelsen af et tyndt lag af en høj-overfladen energi materiale har en befugtning effekt, drastisk at reducere nedsivning af sølv18. Her, fungerer TiO2 lag som befugtning materiale. Sølv deponeret på TiO2 lag tendens til at være fladere end sædvanligt. Derudover skal vakuum betingelsen være mindre end 10-7 Torr deposition proces for en jævn og glat flerlags. Bymæssigt område af sølv under elektron beam fordamper kan også gøre den overflade ru. Da byområdet er undertrykt ved lave temperaturer, kan filmen deposition udføres i kryogene betingelser kontrolleres af flydende kvælstof. Efter tynd-hinde deposition, vi undersøgte overfladeruhed af opdigtede struktur til at sikre den glatte overflade ved hjælp af AFM og bekræftet, at den overfladeruhed er mindre end 1,5 nm.

Selv hvis alle tre betingelser er omhyggeligt kontrolleret, er et perfekt billede uopnåelig, endda under ideelle fabrikation. Første, som med alle andre konventionelle optiske system, de hyperlens-baserede optiske system, som omfatter hyperlens og konventionelle high-NA optik, er underlagt konventionelle aberrationer, såsom sfæriske aberration. Også, selvom sfæriske strukturer i hyperlens aktiverer to-dimensionelle super-opløsning billedbehandling i unpolarized lys, sfærisk geometri giver anledning til vildfarelser. For eksempel, når objektet er sammensat af to huller og en slids, der er indskrevet på Cr lag, er de ikke på samme objektplanet. Et af objekterne kan derfor være i fokus, mens de andre ikke er. Denne delvise fokuserer også stammer fra da af prøven og den efterfølgende high-NA imaging optiske akse. Bortset fra denne rumlige-afhængige opløsning, er yderligere sløring observeret af fringe virkningen, som stammer fra den resterende sammenhæng i belysning-lys.

Desuden begrænser fordelingen af effektiv medium tilnærmelse beslutningen. For bølger hvis tværgående bølge vektor komponent er for stor i forhold til vakuum bølgelængde, den effektive Bølgelængde i hyperlens bliver mindre, og engang bliver det sammenlignes med filmtykkelse. Derfor er effektiv medium tilnærmelse ikke lovlig mere. Den effektive Bølgelængde nærmer 2d, hvor d er tykkelsen af lag, dispersion kurve afviger væsentligt fra den hyperbolske figur, og bølgerne kan ikke udbrede. Dette begrænser beslutning inden for 60 nm for den specifikke hyperlens-baseret system vist her. Vi bør også nævne, at selv om hyperlens leverer billeder i langt-ager, objektet skal placeres i en nær-felt. Ellers, flygtige bølger transporterer sub diffraktion funktioner kan ikke nå den hyperbolske medium.

Trods de grundlæggende begrænsninger til løsning af hyperlens, det lykkedes os at forbedre billeddiagnostiske kvalitet ved at efterligne den glat og perfekt kugleformet struktur af hyperlens. Den glatte grænseflade sikrer lavere spredning og mindre billedforvrængning, mens conformal struktur reducerer den rumlige-afhængige aberration. Desuden, da super-resolution imaging ved hjælp af hyperlenses stammer fra relationen ekstraordinære dispersion, det er gratis fra brugen af fluorescens eller andre komplicerede mekanismer, som den stokastiske metode. Derfor en hyperlens kræver ingen efterbehandling og muliggør real-time imaging. Det indebærer også ikke indviklede eksperimentelle komponenter, arbejder som en optik modul, der kan nemt integreres med en konventionel optik setup, som vist. Desuden, tynd-film proces kan bruges til at stable en bred vifte af materialer, med tykkelsen kontrolleres på en nanometer skala. Derfor, en hyperlens, arbejder på en anden bølgelængde regime kan være opdigtet benytter forskellige materialer.

Vi præsenterer her, fabrikationsproces af en hyperlens og dens optisk setup for billeddannelse. Vi rapporterer også eksperimentelt etiket-gratis sub diffraktion billeder i realtid ved hjælp af en hyperlens-baserede optiske system. Siden hyperlens har en simpel sfærisk geometri, er der andre frihedsgrader til at reducere begrænsninger i imaging miljø. For eksempel, kan vi forbedre praktiske ved at vedtage en skalerbar fabrikationsanlæg metode eller udvide sin alsidighed ved at føje yderligere trin til fabrikation til in vitro- imaging applikationer. Brugen af hyperlenses vil gøre det muligt for forskere at observere biofysiske dynamics forekommer på nanoskala i realtid. Det kan betragtes som den næste generation af super-opløsning imaging platform, til brug i forskellige programmer som biologi, lægevidenskaben og materielle engineering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de har ingen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgements

Dette arbejde er finansielt støttet af Young Investigator program (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center program (NRF-2015R1A5A1037668) og Global grænse program (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. anerkender den globale Ph.D. Stipendier (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) gennem de nationale Research Foundation i Korea (NRF) tilskud finansieret af Ministeriet for videnskab, IKT og fremtidige planlægning (MSIP) af koreanske regering.

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