Demonstration av en Hyperlens-integrerat Mikroskop och super-upplösning Imaging

* 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

Användning av en hyperlens har betraktats som en roman super-upplösning imaging teknik på grund av dess fördelar i realtid imaging och dess enkel implementering med konventionella optik. Här presenterar vi ett protokoll som beskriver tillverkning och imaging tillämpningar av en sfärisk 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

Användningen av super-upplösning imaging för att övervinna diffraktionsgränsen av konventionella mikroskopi har väckt intresse för forskare i biologi och nanoteknik. Även om nära-fält skanning mikroskopi och superlenses har förbättrade upplösningen i regionen nära-fält, fortfarande långt-området imaging i realtid en betydande utmaning. Nyligen, den hyperlens, som förstorar och omvandlar flyktig vågor till förökningsmaterial vågor, har vuxit fram som en ny metod för långt-området imaging. Vi rapporterar här, tillverkning av en sfärisk hyperlens består av omväxlande silver (Ag) och Titan oxid (TiO2) tunna lager. Till skillnad från en konventionell cylindrisk hyperlens möjliggör den sfäriska hyperlens tvådimensionell förstoring. Införlivande i konventionella mikroskopi är alltså enkel. Det föreslås ett nytt optiskt system integrerat med hyperlens möjliggör en sub våglängd avbildning ska erhållas i regionen långt-fältet i realtid. I denna studie förklaras den tillverkning och setup avbildningsmetoder i detalj. Detta arbete beskriver också den tillgänglighet och möjligheten av hyperlens samt praktiska tillämpningar av realtid imaging i levande celler, vilket kan leda till en revolution inom biologi och nanoteknik.

Introduction

En önskan att iaktta biomolekyler i levande celler ledde till uppfinningen av mikroskopi och tillkomsten av mikroskopi förökade rotationen av olika områden, såsom biologi, patologi och materialvetenskap, över senaste århundradena. Dock ytterligare befordran av forskning har begränsats av diffraktion, vilket begränsar upplösningen av konventionella Mikroskop till ungefär hälften av våglängd1. Super-upplösning imaging för att övervinna diffraktionsgränsen har därför varit ett intressant forskningsområde under de senaste decennierna.

Som diffraktionsgränsen tillskrivas till förlusten av flyktig vågorna som innehåller sub våglängd information om objekt, har tidiga studier genomförts att hålla flyktig vågor från bleknar bort eller återställa dem2,3. Arbetet med att övervinna diffraktionsgränsen rapporterades först med nära-fält skanning optisk mikroskopi, som samlar in fältet flyktig i nära närhet till objektet innan det är avges2. Dock som skanning regionen hela bilden och rekonstruera det tar lång tid, kan inte det användas till realtid imaging. Även om en annan strategi som bygger på de ”superlens”, som förstärker flyktig vågor, ger möjligheten att i realtid imaging, sub våglängd avbildning kan bara i regionen nära-fält och inte kan nå långt utanför de objekt4, 5 , 6 , 7.

Nyligen, hyperlens har vuxit fram som en ny metod för realtid långt-området optisk imaging8,9,10,11,12. Den hyperlens, som är tillverkad av starkt anisotropiska hyperbolisk metamaterial13, uppvisar en platt hyperbolisk spridning så att den stöder hög rumslig information med samma fashastighet. Dessutom komprimeras gradvis den höga tvärgående wavevector på grund av momentum bevarande lag, som vågen går igenom cylindriska geometri. Denna förstorade information kan således upptäckas av ett konventionellt Mikroskop i regionen långt-fältet. Detta är av särskild betydelse för realtid långt-området imaging, eftersom det inte kräver någon punkt för punkt skanning eller bild återuppbyggnad. Hyperlens kan dessutom användas för andra program än imaging, inklusive nanolithography. Ljus som passerar genom hyperlens i motsatt riktning kommer att inriktas på en sub diffraktion området på grund av den tid-återföring symmetri14,15,16.

Här rapporterar vi om en sfärisk hyperlens som förstorar tvådimensionell information den synliga frekvens. Till skillnad från konventionella cylindriska geometri förstorar den sfäriska hyperlens objekt i två laterala dimensioner, att underlätta praktisk bildhanteringsprogram. Fabrication metod och imaging setup med hyperlens presenteras i detalj för reproduktion av en högkvalitativ hyperlens. En sub våglängd objekt är inskrivna på hyperlens skull bevisar dess super-lösa makt. Det är bekräftat att små funktioner av inskriven objekt förstoras av hyperlens. Således erhålls tydligt löst bilder i regionen långt-fältet i realtid. Denna nya typ av sfäriska hyperlens, med dess enkel integrering med konventionella mikroskopi, ger möjlighet till praktisk bildhanteringsprogram, leder till gryningen av en ny era i biologi, patologi och allmänna nanovetenskap.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. substrat förberedelse

  1. Erhåll mycket raffinerad quartz wafer. För tillverkning rapporteras här använda en wafer med en tjocklek av 500 µm.
  2. Spin-coat kvarts rånet med en positiv fotoresist vid 2.000 rpm och grädda i 60 s vid 90 ° C.
    Obs: Positiv fotoresist lagret är belagd och för att förhindra skador under efterföljande styckning steg.
  3. Använd en tärning maskin för att skära rånet med fotoresist i små bitar 20 x 20 mm 2 i storlek.
  4. Blåsa använder en komprimerad kväve pistol ta bort partiklar som härrör från styckning steg.
  5. Placera den i ett ultraljudsbad i avjoniserat (DI) vatten för 5 min vid 45 ° C. ta bort fotoresist lagret med ett ultraljudsbad i aceton för 5 min vid 45 ° C. Rengör underlagsmaterialet med hjälp av två Ultraljuds bad, aceton och isopropylalkohol, var och en för 5 min vid 45 ° C.
  6. Torra underlaget med en komprimerad kväve pistol.

2. Etsning mönstret Mask

  1. Ladda ren kvarts substrat i en hög-vakuum electron beam avdunstning system. Kontrollera att substrat rotation är aktiverat.
  2. Insättning krom lagret med en beläggningshastighet 2 Å/s.
    Obs: Ett lager på minst 100 nm tjock ska deponeras för etsning mask att förhindra hål gjorda av nedfall.
  3. Tryck på ventilationsknappen att ventilera kammaren och montera ett prov på fokuserad ion beam (FIB) innehavaren med genomföra koppar band.
  4. Ladda FIB innehavare i FIB kammaren.
  5. Stäng luckan till kammaren och tryck på pumpen för att evakuera kammaren.
  6. Välj " balk på " under fliken beam kontroll och set jonen stråla ström (7,7 pA) och acceleration spänning (30 kV) för FIB läge.
  7. Slå på ion beam systemet.
  8. Välj " balk på " under fliken beam kontroll aktivera elektronen strålar och fokusera bilden med låg förstoring med hjälp av programvara.
  9. Ställ in arbetsavståndet (WD) på 4 mm under navigeringsfliken i svepelektronmikroskop (SEM) läge.
  10. Inställt 52° tiltvinkel av innehavaren och ta de SEM-bilderna vid olika förstoringar innan hålet array mask mönster fabrication.
  11. Under fliken mönster, välj regionen mallning och göra en 50 nm hål array i krom lager.
    Obs: Det finns enkla mönstring verktyg tillgängliga under fliken mönster. Mer komplexa geometri och exponering kontroll kan uppnås genom att importera bitmappar eller generera skript.
  12. Efter avslutad, Stäng av elektronen strålar och ion beam system och kyla ner systemet.
  13. Tryck på ventilationsknappen och ventilera kammaren med kvävgas. Ta ut hållaren ur kammaren.
  14. Stäng luckan till kammaren och evakuera kammaren genom att trycka på knappen pumpen.

3. Våt-etsning Process och borttagning av maskeringslagret

  1. Put mönstrade underlaget till 1:10 buffrade oxid etsmedlet för 5 min.
    Obs: Kvartar är selektivt och isotropically våt-etsade av etsmedlet och bildar en sfärisk form. Formen på linsen kan erhållas med etsning masken, och diametern styrs just etsning tiden. En bättre sfärisk form kan bildas med mindre mönster diameter. En 1,5 µm diameter halvklotet kan erhållas inom 5 min.
  2. Sätta mönstrade underlaget i DI vatten för att rengöra buffrade oxid etsmedlet (5 min, två gånger).
    Obs: Buffrad oxid etsmedel kan vara farligt, så var försiktig när du använder detta etsmedel.
  3. Torra provet med komprimerade kvävgas.
  4. Sätta mönstrade underlaget i CR-7 krom etsmedlet ta bort krom maskeringslagret.
    Obs: Ta krom lagret, en sfärisk mönstrade substrat 1,5 µm i diameter kan erhållas.
  5. Sätta mönstrade underlaget i DI vatten för att rengöra det (5 min).

4. Multilayer nedfall och Nano-storlek objekt Inscription

Obs: ett par lager deponeras på sfäriska kvarts substraten. Här används Ag och TiO 2 som nedfall material. AG och TiO 2 sätts växelvis med en tjocklek på 15 nm.

  1. Tryck på ventilationsknappen electron beam avdunstning systemet och vänta tills ventilen är över.
  2. Ladda mönstrade underlaget i ett hög-vakuum electron beam avdunstning system efter ventilen.
  3. Stäng luckan till kammaren och evakuera kammare vakuum grad av 10 -7 Torr genom att trycka på knappen pumpen.
    Obs: Vakuum villkoret bör hållas på 10 -7 Torr att minska spridningen från ytfinheten.
  4. Insättning Ag lagret med en tillväxt på 1 Å / s och insättning ett 15 nm tjock Ag lager.
  5. Efter avsättning av den Ag-lagret, kyla ner underlaget för 5 min.
  6. Ändra fickan på electron beam avdunstning systemet genom att välja en annan degel och insättning TiO 2 lagret med en tillväxt på 1 Å/s. insättning en 15 nm tjock TiO 2 lagers.
    Obs: Under processen nedfall film tillväxttakten hålls låg för att upprätthålla ytjämnhet likformigheten.
  7. Efter avsättning av TiO 2 lagret, kyla ner underlaget för 5 min.
  8. Upprepa steg 4,4-4,7 för tiotals cykler att deponera en multilayer Ag och TiO 2.
    Obs: vid denna punkt, hyperlens tillverkning är över. Nästa steg är för att göra en godtycklig sub-sub-diffraction-begränsad funktion för att testa den hyperlens imaging förmåga. Nanometer-stora öppningar och springor är inskrivna av FIB fräsning.
  9. Ändra fickan på systemets electron beam avdunstning och deponera krom lagret med en tjocklek på 50 nm.
  10. Efter nedfallet av ett Cr-lager, Stäng av electron beam avdunstning systemet. Tryck på ventilationsknappen och vent kammaren genom att införa kvävgas.
  11. Efter ventilen, öppna kammare dörren och ta montera hållaren ur kammaren. Remsor av enhetens fabricerade hyperlens.
  12. Stäng luckan till kammaren och evakuera kammaren genom att trycka på knappen pumpen.
  13. Montera de hyperlens insatta med krom på den FIB fräsning systemet och mönster en nano-storlek struktur, per tillverkaren ' anvisningar.

5. Inställningen upp the Imaging System och Imaging förfarande

  1. plats en konventionell överföring-typ optiska mikroskopet på optiska bordet.
    Obs: Här, ett inverterat ljusmikroskop användes som det viktigaste organet.
  2. Ansluta en vitt ljus källa till den Mikroskop belysning sökvägen med hjälp av en adapter.
  3. Placera en optisk bandpassfilter centrerad vid 410 nm.
    Obs: Bandpassfiltret selektivt tränger den viss våglängden av ljus; här, är 410 nm lampan tänd på provet. En hyperlens bestående av Ag och TiO 2 har hög prestanda på en 410 nm våglängd. Simulering resultatet ( figur 2 c) visar prestanda för den hyperlens, som uppfyller hyperbolisk dispersion förhållandet vid 410 nm ljus.
  4. Välj en hög förstoring-oljeimmersion objektiv. Använda en högkvalitativ CCD-kamera för att få bilderna.
    Obs: Inställningen optiska bara sätter förbudetdpass filtrera till ljus belysning sökvägen till sortera ut 410 nm våglängd ljuset. En viss våglängd av ljus kan belysas på prov utan att använda vitt ljus, men i en normal laboratorium, optiska mikroskop kan ha en vitt ljus källa för observationen av prover genom ljusa fält eller fluorescens imaging.
  5. Placera en droppe nedsänkning olja på objektivet. Placera en hyperlens på scenen och fånga exempelbilderna.
    Obs: Inskriven nano-storlek objekt på den inre ytan av hyperlens kan belysas med 410 nm ljus. Med hyperlens, nano-storlek objekt kommer att förstoras och vara fångas av objektivet och fotograferad av CCD-kamera.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Hyperlens enheten förmåga att lösa sub diffraktion funktioner bygger på dess enhetlighet och en hög kvalitet tillverkning. Här, består en hyperlens av en multilayer Ag och TiO2 deponeras växelvis. Figur 2a visar den SEM-bilden av en välgjord hyperlens17. Tvärsnittsdata bilden visar att multilayer av Ag och Ti3O5 tunn film deponeras med enhetlig tjocklek på halvrunda kvarts substraten. Ytjämnheten slutliga hyperlens struktur är mindre än 1,5 nm kvadratiska medelvärdet (r.m.s).

Vi använde TiO2 i stället för Ti3O5 som en dielektrisk eftersom både material, som har hög refractive index över 2, ger upphov till effektiva hyperbolisk spridning när staplas med silver. Som nämns i protokoll, en hyperlens bestående av Ag och TiO2 har en bra prestanda vid 410 nm eftersom spridning förhållandet av de staplade multilayer Ag och TiO2 har en hyperbolisk dispersion kurva, som visas figur 2b . I princip kan vågor med hög rumslig wavevector komponenter sprida i sådant hyperbolisk medium längs radiella riktning av hyperlens. Med andra ord, kan de små funktioner som att ha hög frekvens komponenter, som inte kan fångas av konventionella optik, sprida till långt-fältet genom hyperlens. Figur 2 c visar den simulerade fältet distributionen i den hyperlens som använder ett verktyg för simulering av finita element (FEM). Design, materialegenskaper och inskriven nanostrukturer av simuleringsmodellen anges identiskt med den påhittade hyperlens. Två hål 50 nm i diameter är inskrivna på krom lager, med ett avstånd av 150 nm. Toppen av hyperlens belyses med 410 nm ljus och ljuset från hyperlens innehåller den förstorade bilden av objektet, där förstoringen bestäms av förhållandet mellan den inre radien och yttre radien av hyperlens. Den förstorade bilden i objektet sub-sub-diffraction-limited kan fångas upp av en konventionell objektiv och avbildas.

Mätning av diffraktion-obegränsad bilden med en hyperlens utförs via ett enkelt optiska system. Figur 3a visar schematiskt av det hyperlens imaging systemet. Konventionella mikroskopi kan användas som en stordator, med små skillnader. Belysning sökvägen är vilken överföring och vitt ljus källan placeras med en ordentlig bandpassfilter. Det belysning ljuset samlas av en kondensor eller fokusera linsen och levereras till objektet planet. Provet placeras på insidan av hyperlens i en hyperlens imaging system, medan provet placeras på bilden glaset i konventionella optisk mikroskopi. Objekt i hyperlens belyses och bilden sprids sedan via hyperlens. Slutligen, bilden fångas av en objektiv och CCD-kamera. Hyperlens-genomförda optiska systemet visas i figur 3b. Med enkla komponenter, såsom en källa och filter, kan hyperlens enkelt implementeras i ett konventionellt Mikroskop system.

Riktiga bilder tagna genom en hyperlens visas i figur 4. Figur 4a och 4 d skildrar två uppsättningar av SEM-bilder av sub våglängd strukturer, bestående av ett hål och linje inskriven i hyperlens krom lager. Gap storlekarna är från 160-180 nm i varje fall. I konventionella mikroskopi, inte kan dessa sub diffraktion strukturer lösas på grund av att diffraktionsgränsen. Däremot, löses de små funktionerna klart med hyperlens. Figur 4b och 4e visar erhållna optiska bilderna med hjälp av hyperlens-baserade systemet, och över uppställd intensitet profilerna (röd streckad linje) visas i figur 4 c och 4f, respektive. Tvärsnittsdata intensitet diagrammen visar separationer av 363 och 346 nm (figur 4 c) och 333 nm (figur 4f), respektive, motsvarar en förstoring på 2.1, bestäms av förhållandet mellan den inre och yttre radien av hyperlens.

Figure 1
Figur 1: Schematisk av tillverkningsprocessen Hyperlens. (en) tillverkning börjar med förberedelsen av raffinerade kvarts wafer. (b) kvarts rånet, en krom lager 100 nm tjock är deponerade av en electron beam avdunstning system. (c) för att göra ett mönster för en wet-etsning process, ett 50 nm diameter hål är mönstrad på krom lager använder en FIB fräsning system. (d) en isotrop våt-etsning process utförs med krom lagret. En halvsfärisk form bildas på kvarts rånet. (e) avlägsnande av krom lagret sker med en krom etsmedlet. (f) på den halvsfäriska ytan är en multilayer Ag och TiO2 deponeras växelvis, med en tjocklek på 15 nm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Fabrication och simuleringsresultat med Hyperlens. (en) Cross-sectioned SEM bild av den påhittade hyperlens. Varje lager av Ag och TiO2 med en 15 nm tjocklek är väl insatta, med enhetlighet och ojämnheter på sista hyperlens är mindre än 1,5 r.m.s. Denna siffra har ändrats från referens17. (b), Isofrequency konturen av hyperlens (gröna linjen) och isotropiskt medium (lila linje). Hyperlens har en hyperbolisk form av spridning relation som kan sprida den högfrekventa komponenten (små funktioner, högre än frånslagsvärdet) till fältet långt. Dock isotropiskt medium-liknande konventionella optik har en cirkulär dispersion relation och kan inte sprida över gränsfrekvensen. (c) simulering resultatet av hyperlens. Resultatet visar magnetfält fördelningen från små funktioner inuti den hyperlens inre ytan. Objektet sub-diffractional är förstorad och sprids till fältet långt genom hyperlens. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Hyperlens-genomförda Imaging System Schematisk. (en) A bredband vitt ljuskälla används för att belysa provet. Ljuset passerar genom bandpassfiltret och en viss våglängd av ljus är markerad. Här används 410 nm ljus som lampan belysning. Hyperlens genomförs enkelt på objektet planet och genom objektiv och CCD-kamera så att små objektet på hyperlens fångas. (b) Hyperlens-genomförda bildsystem. En konventionella inverterade mikroskopet kroppen används som en stordator, och hyperlens är till för super-upplösning imaging. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Fabrication resultatet och simuleringsresultat av Hyperlens17 . (en) SEM-bild av ett objekt med två prickar avgränsade med en radstruktur. Varje punkt har avstånd 180 nm och 160 nm. (b), optiska bilden genom hyperlens. Liten objektet i hyperlens är förstorad och fångas. Funktionerna sub diffraktion begränsad är lösta. (c) längs den röda streckade linjen, över uppställd intensitet profilen mäts. Tvärsnittsdata intensitet profilerna Visa separationer av 363 och 346 nm. (d) SEM-bild av ett annat objekt, med tre prickar 160, 170 och 180 nm från varandra. (e), optiska bilden genom hyperlens. (f) över uppställd intensiteten profil på den röda streckade linjen i (e). Tvärsnittsdata intensitet profilen visar en separation av 333 nm. Tvärsnittsdata intensitet profiler motsvarar 2,1 faktor X förstoring av hyperlens. Denna siffra har ändrats från refefence17. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tillverkning av en hyperlens innehåller tre viktiga steg: definiera halvrunda geometri i kvarts underlaget genom en våt-etsning process, stapling av metall och dielektrisk multilayer använder ett electron beam avdunstning system och måttsättning i objekt i Cr-skiktet. Det viktigaste steget är andra, eftersom det kan påverka kvaliteten på hyperlens. I tunnfilms-nedfall processen finns det två villkor som kräver särskild vård för Super löst bilden tydlig. Stapling av multilayer conformally är en av de avgörande frågorna, som icke-conformal nedfall av skiktade leder till en avvikelse från den perfekt sfärisk formen. Om filmen nedfall inte är långsam nog filmtjockleken vid centrum och som vid kanten av hemisfäriska geometri tenderar att skilja sig på grund av electron beam avdunstning vinklade. Rumsligt olika filmtjocklek ger upphov till rumsligt beroende förstoring och orsakar bildförvrängning. Den filmen insvetstal bör därför så sakta som möjligt (mindre än 0,1 nm/s) för att uppnå en conformal multilayer.

En annan möjlig faktor som kan få fram en ofullkomlig bild är ytfinheten, eftersom en grov yta ökar sannolikheten för ljusspridning. Det har rapporterats att införandet av ett tunt lager av ett hög-ytan energi material inverkar vätning, drastiskt minska infiltration silver18. Här arbetar TiO2 lagret som vätning material. Silver som deponeras på TiO2 lager tenderar att bli plattare än vanligt. Dessutom bör vakuum villkoret vara mindre än 10-7 Torr under hela nedfall processen för en jämn och slät multilayer. Gytter av silver under den electron beam indunstning kan också göra ytan grov. Eftersom gytter dämpas vid låga temperaturer, kan filmen nedfall utföras i kryogena villkor kontrolleras av flytande kväve. Efter tunnfilms-nedfall, vi undersökte ytfinheten fabricerade struktur att säkerställa den släta ytan använder AFM och bekräftat att ytfinheten är mindre än 1,5 nm.

Även om alla tre villkor kontrolleras noggrant, är en perfekt bild ouppnåelig, även under perfekt fabrication. Först, som med alla andra konventionella optiska system, hyperlens-baserade optiska systemet, som omfattar hyperlens och konventionella hög-NA optik, är föremål för konventionella avvikelser, såsom sfärisk aberration. Också, även om sfäriska strukturer av hyperlens aktivera tvådimensionell super-upplösning imaging under unpolarized ljus, sfärisk geometri ger upphov till avvikelser. Till exempel när objektet består av två hål och en skåra inskriven på Cr lager, är de inte på samma objekt plan. Ett objekt kan därför i fokus medan andra inte. Detta partiella fokuserar också påbörjar från discordance av provet och den optiska axeln för de efterföljande hög-NA imaging. Förutom resolutionen rumsliga-beroende observeras ytterligare oskärpa på grund av den marginella effekten, som härrör från den kvarvarande samstämmigheten i lampan belysning.

Dessutom begränsar nedbrytningen av effektivt medium tillnärmning resolutionen. För vågor vars transverse vinkar vektor komponenten är för stora jämfört med vakuum våglängden, effektiv våglängd i hyperlens blir mindre, och någon gång blir det jämförbar med filmtjockleken. Därför är effektivt medium tillnärmning inte giltig längre. Effektiva våglängden nalkas 2d, där d är tjockleken på lager, dispersion kurvan avviker betydligt från hyperbolisk formen och vågorna propagera inte. Detta begränsar med upplösning inom 60 nm för det specifika hyperlens-baserade systemet som visas här. Vi bör också nämna att även om hyperlens levererar bilder i långt-fältet, objektet ska placeras i en nära-fält. Annars, flyktig vågor transporterar sub diffraktion funktioner inte kan nå det hyperboliska mediet.

Trots de grundläggande begränsningarna till resolution av hyperlens lyckades vi förbättra imaging kvalitet genom att härma hyperlens smidig och perfekt sfärisk struktur. Smidig gränssnittet garanterar lägre spridning och mindre bildförvrängning, medan conformal struktur minskar den rumsliga-beroende villfarelse. Dessutom eftersom super-upplösning imaging använder hyperlenses härstammar från extraordinära dispersion relationen, är den fri från användning av fluorescens eller andra komplicerade mekanismer, såsom stokastiska metoden. Följaktligen, en hyperlens kräver ingen efterbearbetning och makesmöjlighet realtid imaging. Det också innebär inte intrikata experimentella komponenter, arbetar som en optik-modul som enkelt kan integreras med en konventionell optik setup, som visat. Tunnfilms-processen kan dessutom användas till stack ett brett utbud av material, med tjockleken reglerbar i nanometer-skala. En hyperlens arbetar på en annan våglängd regim kan därför vara fabricerade med hjälp av olika material.

Här presenterar vi tillverkningsprocessen av ett hyperlens och dess optiska setup för avbildning. Vi rapporterar också experimentellt etikett-fri sub diffraktion bilder i realtid med hjälp av en hyperlens-baserade optiska system. Eftersom hyperlens har en enkel sfärisk geometri, finns det andra frihetsgrader att minska begränsningarna i imaging miljön. Exempelvis kan vi förbättra praktiskhet genom att anta en skalbar fabrication metod eller expandera sin mångsidighet genom att lägga till ytterligare steg tillverkning att in vitro- imaging applikationer. Användning av hyperlenses gör att forskare att iaktta biofysiska dynamics som inträffar på nanonivå i realtid. Det kan anses vara nästa generation av super-upplösning imaging plattformen, för användning i olika applikationer såsom biologi, medicinsk vetenskap och materialteknik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar att de har inga konkurrerande finansiella intressen.

Acknowledgements

Detta arbete stöds ekonomiskt av Young Investigator programmet (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center programmet (NRF-2015R1A5A1037668) och globala Frontier programmet (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. erkänna den globala Ph.D. Stipendier (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) genom National Research Foundation i Korea (NRF) bidraget finansieras av ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering (MSIP) av sydkoreanska regeringen.

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