Demonstration eines Hyperlens integriert Mikroskop und super-Resolution Imaging

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Engineering

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Summary

Die Verwendung von einem Hyperlens gilt als eine neuartige Höchstauflösung bildgebendes Verfahren wegen seiner Vorteile in Echtzeit-Bildgebung und die einfache Umsetzung mit konventioneller Optik. Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll beschreibt die Herstellung und imaging-Anwendungen von einem sphärischen Hyperlens.

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Lee, D., Kim, M., So, S., Kim, I., Yoon, G., Kim, K., Rho, J. Demonstration of a Hyperlens-integrated Microscope and Super-resolution Imaging. J. Vis. Exp. (127), e55968, doi:10.3791/55968 (2017).

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Abstract

Die Verwendung von Super-Resolution imaging um zu überwinden, die Beugungsgrenze der konventionellen Mikroskopie hat das Interesse der Forscher in der Biologie und Nanotechnologie angezogen. Obwohl Nahfeld-scanning-Mikroskopie und Superlenses die Auflösung der Nahfeld-Region verbessert haben, bleibt Fernfeld Bildgebung in Echtzeit eine große Herausforderung dar. Vor kurzem hat die Hyperlens, die vergrößert und wandelt evaneszenten Wellen in Wellen zu propagieren, einen neuartigen Ansatz zur Fernfeld Bildgebung entwickelt. Hier berichten wir über die Herstellung von einer kugelförmigen Hyperlens, bestehend aus abwechselnd Silber (Ag) und Titan (TiO2) dünne Oxidschichten. Im Gegensatz zu einem konventionellen zylindrischen Hyperlens ermöglicht die sphärischen Hyperlens zweidimensionaler Vergrößerung. Einbindung in konventionellen Mikroskopie ist so einfach. Ein neues optisches System integriert mit der Hyperlens wird vorgeschlagen, so dass für eine Sub-Wellenlänge-Bild in der Fernfeld Region in Echtzeit abgerufen werden. In dieser Studie werden die Fertigung und bildgebende Methoden der Einrichtung ausführlich erläutert. Diese Arbeit beschreibt auch die Zugänglichkeit und die Möglichkeit der Hyperlens sowie praktische Anwendungen der Echtzeit-Bildgebung in lebenden Zellen, was zu einer Revolution in der Biologie und Nanotechnologie führen kann.

Introduction

Ein Wunsch, Biomoleküle in lebenden Zellen beobachten führte zur Erfindung der Mikroskopie, und das Aufkommen der Mikroskopie propagiert der Revolution von verschiedenen Bereichen wie Biologie, Pathologie und Materialkunde, über letzten Jahrhunderte. Weiterentwicklung der Forschung hat jedoch durch Beugung, die die Auflösung der konventionellen Mikroskopen über Grenzen beschränkt die Hälfte der Wellenlänge1. Super-Resolution imaging um zu überwinden, die Beugungsgrenze ist daher ein interessantes Forschungsgebiet in den letzten Jahrzehnten gewesen.

Da die Beugungsgrenze den Verlust der evaneszenten Wellen, die Sub-Wellenlängeninformationen über Objekte enthalten zugeschrieben wird, wurden das Frühstudium evaneszenten Wellen abhalten, verblassen oder, sie zurückzugewinnen,2,3durchgeführt. Die Bemühungen um die Beugungsgrenze überwunden wurde zuerst berichtet, mit Nahfeld-optische Rasterelektronenmikroskopie, die sammelt der evaneszenten Feldes in unmittelbarer Nähe zum Objekt, bevor es verschleuderten2ist. Aber wie der gesamte Bildbereich scannen und rekonstruieren es sehr lange dauert, kann es zu Echtzeit-Bildgebung angewendet werden. Obwohl ein anderer Ansatz, basierend auf der "Superlens," dem evaneszenten Wellen verstärkt, die Möglichkeit der Echtzeit-Bildgebung bietet, Sub Wellenlänge Bildgebung ist nur in der Nahfeld-Region in der Lage und nicht weit über die Objekte4, erreichen 5 , 6 , 7.

Vor kurzem hat die Hyperlens einen neuartigen Ansatz zur Echtzeit-Fernfeld optische Bildgebung8,9,10,11,12entwickelt. Die Hyperlens, die stark anisotrope hyperbolische Metamaterialien13erfolgt, weist eine flache hyperbolische Verteilung so dass es hohe räumliche Informationen mit der gleichen Phasengeschwindigkeit unterstützt. Darüber hinaus ist aufgrund der Impuls-Erhaltungssatz der hohen transversalen Wavevector allmählich komprimiert die zylindrische Geometrie der Welle durchläuft. Diese vergrößerten Informationen kann somit von einem herkömmlichen Mikroskop in der Fernfeld Region erfasst werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für Echtzeit-Fernfeld Bildgebung erfordert nicht die jeder Punkt für Punkt scannen oder Bild-Rekonstruktion. Darüber hinaus kann die Hyperlens für andere Anwendungen als Bildgebung, einschließlich Nanolithografie verwendet werden. Licht, das durch die Hyperlens in umgekehrter Richtung geht konzentriert sich auf eine Sub-Beugung durch die Zeitumkehr Symmetrie14,15,16.

Hier berichten wir über eine sphärische Hyperlens, die zweidimensionale Informationen bei der sichtbaren Frequenz vergrößert. Im Gegensatz zu konventionellen zylindrischen Geometrie vergrößert die sphärischen Hyperlens Objekte in zwei seitliche hervorragen, praktische imaging-Anwendungen zu erleichtern. Die Herstellungsverfahren und imaging-Setup mit dem Hyperlens sind für die Wiedergabe von einem qualitativ hochwertigen Hyperlens ausführlich vorgestellt. Ein Sub-Wellenlänge-Objekt ist auf dem Hyperlens Willen beweisen seine Super-Lösung macht eingeschrieben. Es wird bestätigt, dass kleine Merkmale der beschrifteten Objekte sind durch die Hyperlens vergrößert. Somit ergeben sich klar aufgelöste Bilder der Fernfeld Region in Echtzeit. Diese neue Art der kugelförmigen Hyperlens, mit der einfachen Integration mit konventionellen Mikroskopie, bietet die Möglichkeit der praktischen imaging-Anwendungen, was zu Beginn einer neuen Ära in der Biologie, Pathologie und allgemeine Nanoscience.

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Protocol

1. Substrataufbereitung

  1. erhalten sehr raffiniert Quarz Wafer. Für die Herstellung berichtet hier verwenden einen Wafer mit einer Dicke von 500 µm.
  2. Spin-Mantel der Quarz-Wafer mit einer positiven Photoresist auf 2.000 u/min und im vorgeheizten Backofen 60 s bei 90 ° c
    Hinweis: Die positiven Photoresist-Schicht beschichtet wird, um Schäden während der anschließenden schneiden Schritt zu vermeiden.
  3. Eine dicing Maschine benutzen, um dem Wafer mit Fotolack in kleine Stücke 20 x 20 mm 2 Zoll Größe geschnitten.
  4. Schlag mit einer komprimierten Stickstoff-Pistole entfernen Partikel aus dem Schneiden Schritt.
  5. Legen Sie sie in ein Ultraschallbad in deionisiertes (DI) Wasser für 5 min bei 45 ° C. Entfernen Sie die Photoresist-Schicht mit einem Ultraschallbad in Aceton für 5 min bei 45 ° c Reinigen Sie das Substrat mit zwei Ultraschallbäder, Aceton und Isopropyl-Alkohol, jeweils für 5 min bei 45 ° c
  6. Trocknen Sie das Substrat mit einer komprimierten Stickstoff-Pistole.

2. Das Maskenmuster Ätzen

  1. Last den sauberen Quartz Substrate in einem Hochvakuum-Elektron Lichtstrahl Verdampfungssystem. Sicherzustellen, dass Substrat Drehung aktiviert wird.
  2. Einzahlen der Chromschicht mit einer Abscheiderate von 2 Å/s.
    Hinweis: Sollte eine Schicht von mindestens 100 nm Dicke für die Ätzmaske Nadellöcher hergestellt aus Ablagerung zu verhindern hinterlegt werden.
  3. Der Taste Vent Entlüften der Kammers und montieren Sie eine Probe auf dem fokussierten Ion Beam (FIB) Halter mit Durchführung von Kupferband.
  4. Laden die FIB-Halter in die Kammer FIB.
  5. Schließen die Kammertür und die Pumpe drücken, um die Kammer zu evakuieren.
  6. Wählen Sie " Strahlen auf " unter dem Reiter Beam Control und Satz das Ion beam Strom (7,7 pA) und Beschleunigungsspannung (30 kV) für FIB Modus.
  7. Ion Beam einschalten.
  8. Wählen Sie " Strahlen auf " auf der Registerkarte Strahl Kontrolle der Elektronenstrahl einschalten und das Bild mit geringer Vergrößerung mit Software zu konzentrieren.
  9. 4 mm unter der Registerkarte "Navigation" im Rasterelektronenmikroskop (REM) Modus den Arbeitsabstand (WD) festgesetzt.
  10. Den Neigungswinkel des Inhabers 52° und die REM-Bilder bei verschiedenen Vergrößerungen vor Loch Array Maske Muster Fertigung.
  11. Unter der Registerkarte "Muster" wählen Sie die Musterung Region und stellen eine 50 nm Loch Array auf die Chromschicht.
    Hinweis: Es gibt einfache Strukturierung Werkzeuge unter der Registerkarte "Muster" zur Verfügung. Komplexer Geometrie und Belichtung Steuerung erreicht werden, indem Sie Bitmaps importieren oder Skripts generieren.
  12. Nach Beendigung, schalten Sie den Elektronenstrahl und Ionenstrahl Systeme und das System abkühlen.
  13. Drücken Sie die Schaltfläche "Vent" und die Kammer mit Stickstoffgas zu entlüften. Den Halter aus der Kammer nehmen.
  14. Schließen die Kammertür und Evakuierung die Kammer durch Drücken der Schaltfläche "Pumpe".

3. Nass-Ätzen Prozess- und Entfernung der Maskenebene

  1. Put das gemusterte Substrat in 01:10 gepuffert Oxid Ätzmittel für 5 min.
    Hinweis: Die Quarz ist selektiv und isotropically nass-geätzt mit der Ätzmittel und bildet eine Kugelform. Die Form der Linse die Ätzmaske erzielt werden, und der Durchmesser ist durch die Radierung Zeit exakt gesteuert. Eine bessere Kugelform kann mit kleinerem Durchmesser Muster gebildet werden. Eine Halbkugel 1,5 µm Durchmesser erhalten Sie innerhalb von 5 min.
  2. Setzen das gemusterte Substrat in VE-Wasser zu reinigen die gepufferten Oxid Ätzmittel (5 min, zweimal).
    Hinweis: Gepufferte Oxid Ätzmittel kann gefährlich sein, also seien Sie vorsichtig bei der Verwendung dieses Ätzmittel.
  3. Trocknen Sie die Probe mit komprimierte Stickstoffgas.
  4. CR-7 Chrom Ätzmittel, die Chromschicht Maske zu entfernen das gemusterte Substrat umgesetzt.
    Hinweis: Nach dem Entfernen der Chromschicht, eine sphärische gemusterten Substrat 1,5 µm im Durchmesser erzielt werden.
  5. DI Wasser zu reinigen (5 min) das gemusterte Substrat umgesetzt.

4. Mehrschichtige Deposition und Nanogrösse Objekt Inschrift

Hinweis: ein paar Schichten lagern sich auf dem kugelförmigen Quarz Substrat. Hier, werden Ag und TiO 2 als die Ablagerung Materialien verwendet. AG und TiO 2 lagern sich abwechselnd bei einer Dicke von 15 nm.

  1. Vent die Taste des Trägersystems Verdunstung Elektron und warten Sie, bis der Schlot über ist.
  2. Laden die gemusterte Substrat in ein Hochvakuum-Elektron-Trägersystem Verdunstung nach Vent.
  3. Schließen die Kammertür und evakuieren die Kammer zu gewisser 10 -7 Torr Vakuum durch Drücken der Schaltfläche "Pumpe".
    Hinweis: Der Vakuum Zustand aufbewahrt werden bei 10 -7 Torr zur Verringerung der Streuung von der Oberflächenrauheit.
  4. Hinterlegen die Ag-Schicht mit einer Wachstumsrate von 1 Å / s und Hinterlegung einer 15 nm dicken Ag Schicht.
  5. Nach der Absetzung der Schicht Ag das Substrat für 5 min. abkühlen
  6. Ändern die Tasche des Trägersystems Verdunstung Elektron durch die Wahl einer anderen Tiegel und hinterlegen der TiO 2 Schicht mit einer Wachstumsrate von 1 Å/s. Einzahlung eine 15 nm dicken TiO 2 Schicht.
    Hinweis: Während der Abscheidung, die Film-Wachstumsrate wird gering gehalten, die Rauheit der Oberfläche Gleichförmigkeit beizubehalten.
  7. Nach der Absetzung der TiO 2 Schicht das Substrat für 5 min. abkühlen
  8. Wiederholen Sie Schritte 4.4-4.7 für Zehntausende Zyklen ein Multilayer Ag und TiO 2 einzahlen.
    Hinweis: an dieser Stelle ist die Herstellung von Hyperlens über. Der nächste Schritt ist für die Herstellung einer willkürlichen sub-diffraction-Limited-Funktion zum Testen der Hyperlens imaging-Fähigkeit. Nanometergroßen Öffnungen und Schlitze sind eingeschrieben durch FIB Fräsen.
  9. Die Tasche des Trägersystems Verdunstung Elektron zu ändern und die Chromschicht zu hinterlegen, bei einer Dicke von 50 nm.
  10. Nach der Absetzung eines Cr-Layers, schalten Sie das Balkensystem Verdunstung Elektron. Drücken Sie die Schaltfläche "Vent" und Entlüften die Kammer durch die Einführung von Stickstoffgas.
  11. Nach den Schlot, öffnen Sie die Tür und nehmen Sie die Halterung aus der Kammer. Fabrizierte Hyperlens Gerät abzustreifen.
  12. Schließen die Kammertür und Evakuierung die Kammer durch Drücken der Schaltfläche "Pumpe".
  13. Der Hyperlens, hinterlegt mit Chrom in der FIB Fräsen System montieren und Muster eine Nanogrösse Struktur pro Hersteller ' Anweisungen s.

5. Einstellung von the Imaging System und bildgebende Verfahren

  1. Ort ein konventionelles Getriebe-Art Lichtmikroskop auf dem optischen Tisch.
    Hinweis: Hier eine umgekehrte Lichtmikroskop diente als Hauptteil.
  2. Schließen eine Weißlicht-Quelle an den Mikroskop-Beleuchtung-Pfad mit Hilfe eines Adapters.
  3. Legen Sie einen optischen Bandpassfilter zentriert auf 410 nm.
    Hinweis: Der Bandpassfilter dringt selektiv die spezifische Wellenlänge des Lichtes; Hier wird auf die Probe 410 nm Licht beleuchtet. Ein Hyperlens bestehend aus Ag und TiO 2 hat hohen Leistung bei einer 410 nm Wellenlänge. Das Simulationsergebnis ( Abbildung 2 c) zeigt die Leistung von Hyperlens, welche die hyperbolische Dispersion Relation bei 410 nm Licht erfüllt.
  4. Wählen Sie eine hohe Vergrößerung Ölimmersion Objektivlinse. Verwenden Sie eine qualitativ hochwertige CCD-Kamera, um die Bilder zu erhalten.
    Hinweis: Diese optische Einstellung legt nur das VerbotDpass in der Beleuchtung Weg zu sortieren, das 410 nm Wellenlänge Licht filtern. Eine spezifische Wellenlänge des Lichtes kann auf die Probe ohne Verwendung von weißem Licht beleuchtet werden, aber in einem normalen Labor können optische Mikroskope eine Weißlichtquelle zur Beobachtung der Proben durch Hellfeld oder Fluoreszenz-Bildgebung haben.
  5. Geben Sie einen Tropfen Immersionsöl auf das Objektiv. Legen Sie eine Hyperlens auf Bühne und erfassen die Beispielbilder.
    Hinweis: Die beschrifteten Nanogrösse Objekte auf der inneren Oberfläche der Hyperlens können mit 410 nm Licht beleuchtet werden. Mit der Hyperlens der Nanogrösse Objekte vergrößert werden und durch das Objektiv erfasst und durch CCD-Kamera abgebildet.

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Representative Results

Die Fähigkeit des Hyperlens Geräts Sub Beugung Funktionen lösen basiert auf seiner Gleichmäßigkeit und eine qualitativ hochwertige Fertigung. Hier besteht ein Hyperlens aus einem mehrschichtigen Ag und TiO2 abwechselnd hinterlegt. Abbildung 2a zeigt die REM-Aufnahme einer gut gemachten Hyperlens17. Das Cross-sectional Bild zeigt, dass die Multilayer Ag und Ti3O5 Dünnschicht mit gleichmäßiger Dicke auf dem halbkugelförmigen Quarz Substrat abgeschieden wird. Die Oberflächenrauhigkeit der endgültigen Hyperlens Struktur ist weniger als 1,5 nm Root-Mean-Square (r.m.s).

Wir verwendet TiO2 statt Ti3O5 als Dielektrikum, da beide Materialien, die hohe Brechungsindizes über 2, effektive hyperbolische Streuung, wenn Sie mit Silber gestapelt hervorrufen. Wie im Protokollerwähnt, eine Hyperlens bestehend aus Ag und TiO2 hat eine tolle Leistung bei 410 nm weil das Verteilung Verhältnis von gestapelten Multilayer Ag und TiO2 eine hyperbolische Verteilung Kurve als gezeigten Abbildung 2 b hat . Grundsätzlich können Wellen mit hoher räumlicher Wavevector Komponenten in einem hyperbolischen Medium entlang radialer Richtung die Hyperlens ausbreiten. In anderen Worten, können die kleinen Features, die mit Hochfrequenz-Komponenten, die durch konventionelle Optik nicht erfasst werden können, an das Fernfeld durch die Hyperlens weitergegeben. Abbildung 2 c zeigt den simulierten Feldverteilung in der Hyperlens mit einem finite-Elemente (FEM) Simulationstool. Design, Materialeigenschaften und beschrifteten Nanostrukturen des Simulationsmodells sind identisch mit denen der vorgefertigten Hyperlens festgelegt. Zwei Löcher 50 nm im Durchmesser sind eingeschrieben auf der Chromschicht mit einem Abstand von 150 nm. Oben auf der Hyperlens von 410 nm Licht beleuchtet ist, und das Licht aus dem Hyperlens enthält das vergrößerte Bild des Objekts, wobei die Vergrößerung durch das Verhältnis zwischen den inneren Radius und den äußeren Radius der Hyperlens bestimmt wird. Das vergrößerte Bild des Objekts sub-diffraction-Limited werden von einer konventionellen Objektiv erfasst und abgebildet.

Die Messung der Beugung-unbegrenzte Bild mit einem Hyperlens erfolgt durch ein einfaches optisches System. Abbildung 3a zeigt die schematische Darstellung der Hyperlens-imaging-System. Konventionellen Mikroskopie kann als ein Mainframe, mit leichten Unterschieden verwendet werden. Die Beleuchtung-Pfad ist der Transmission Type und Weißlicht-Quelle befindet sich mit einem richtigen Bandpassfilter. Die Beleuchtung Licht durch einen Kondensator oder Fokussierlinse gesammelt und an der Objektebene geliefert. Die Probe befindet sich auf der inneren Oberfläche des Hyperlens in einem Hyperlens imaging-System, während die Probe auf die Folie Glas in konventionellen Lichtmikroskopie gelegt wird. Die Objekte in der Hyperlens sind beleuchtet, und das Bild dann breitet sich durch die Hyperlens. Schließlich ist das Bild von einem Objektiv und CCD-Kamera aufgenommen. Hyperlens-implementierte optischen Systems ist in Abbildung 3 bdargestellt. Mit einfachen Zusatzkomponenten, wie eine Quelle und einen Filter können die Hyperlens einfach in einem herkömmlichen Mikroskopsystem implementiert werden.

Die realen Bilder durch eine Hyperlens sind in Abbildung 4dargestellt. Abbildung 4a und 4D zeigen zwei Sätze der SEM Bilder der Sub Wellenlänge Strukturen, bestehend aus einem Loch und Linie eingeschrieben in der Chromschicht der Hyperlens. Die Spaltmaße sind von 160-180 nm in jedem Fall. In der konventionellen Mikroskopie können diese Sub Beugungsstrukturen wegen der an die Beugungsgrenze aufgelöst werden. Auf der anderen Seite sind die kleinen Merkmale eindeutig mit der Hyperlens gelöst. Abbildung 4 b und 4e zeigen die erhaltenen optische Bilder mit dem Hyperlens-System und die Modellbaugruppe Intensität Profile (rote gestrichelte Linie) sind in Abbildung 4 c und 4f, bzw. dargestellt. Cross-sectional Intensität Diagramme zeigen Trennungen von 363 und 346 nm (Abbildung 4 c) und 333 nm (Abbildung 4f), entspricht einer Vergrößerung von 2.1, bzw. durch das Verhältnis zwischen der inneren und äußeren Radius der Hyperlens bestimmt.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische von den Fertigungsprozess Hyperlens. (ein) beginnt die Fertigung mit der Vorbereitung der raffinierten Quarz Wafer. (b) auf dem Wafer Quarz ist eine Chrom-Schicht 100 nm dick durch ein Elektron Lichtstrahl Verdampfungssystem hinterlegt. (c) zu einer Maskenmuster für eine nass-Ätzprozess, ein Loch mit 50 nm Durchmesser ist auf die Chromschicht mit einem FIB Fräsen System gemustert. (d) eine isotrope nass-Ätzen erfolgt mit Hilfe der Chromschicht. Eine halbkugelförmige Form bildet sich auf dem Quarz-Wafer. (e) erfolgt die Entfernung von der Chromschicht mit einer Chrom-Ätzmittel. (f) auf die halbkugelförmige Oberfläche ist ein Multilayer Ag und TiO2 hinterlegt abwechselnd, mit einer Dicke von 15 nm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Herstellung und Simulationsergebnisse für die Hyperlens. (ein) Cross-sectioned SEM Bild der vorgefertigten Hyperlens. Jede Schicht des Ag und TiO2 mit 15 nm Dicke ist gut abgelagerten, mit Gleichförmigkeit und die Rauheit der endgültigen Hyperlens ist weniger als 1,5 RMS Diese Zahl wurde von Referenz17geändert. (b) Isofrequency Kontur des Hyperlens (grüne Linie) und isotropen Medium (violette Linie). Die Hyperlens hat eine hyperbolische Form der Dispersion Relation, die die Hochfrequenz-Komponente (kleine Features, höher als Cut-off-Wert) für das Fernfeld verbreiten kann. Allerdings isotropen Medium-wie konventionelle Optik hat einen kreisförmigen Dispersion Bezug und kann nicht über die Cutoff-Frequenz verbreiten. (c) Simulationsergebnis von der Hyperlens. Das Ergebnis zeigt die Magnetfeld-Verteilung von kleinen Funktionen innerhalb der inneren Oberfläche des Hyperlens. Das sub-diffractional-Objekt wird vergrößert und an das Fernfeld durch die Hyperlens weitergegeben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Hyperlens-implementierte Imaging System Schaltplan. (ein) A Breitband WeißlichtQuelle wird verwendet, um die Probe zu beleuchten. Das Licht tritt durch den Bandpassfilter und eine spezifische Wellenlänge des Lichtes ist ausgewählt. Hier wird 410 nm Licht als Beleuchtung Licht verwendet. Die Hyperlens ist leicht auf der Objektebene und durch das Objektiv und CCD-Kamera umgesetzt, so dass das kleine Objekt auf dem Hyperlens erfasst wird. (b) Hyperlens implementiert imaging-System. Ein konventionelle umgekehrtes Mikroskop Körper dient als ein Mainframe, und die Hyperlens für Super-Auflösung hinzugefügt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: Fertigung Ergebnis und Simulationsergebnisse der Hyperlens17 . (ein) SEM Bild eines Objekts mit zwei Punkte durch eine Linie getrennt. Jeder Punkt hat Entfernungen von 180 nm und 160 nm. (b) optische Bild durch das Hyperlens erfasst. Das kleine Objekt in der Hyperlens ist vergrößert und gefangen genommen. Die Sub-Beugung begrenzt-Features werden aufgelöst. (c) entlang der rote gestrichelte Linie die Modellbaugruppe Intensität Profil gemessen. Die Cross-sectional Intensität Profile zeigen Trennungen von 363 und 346 nm. (d) REM-Aufnahme eines anderen Objekts mit drei Punkte 160, 170 und 180 nm voneinander. (e) optische Bild, das durch die Hyperlens. (f) geschnittenen Intensität Profil die rote gestrichelte Linie in (e). Das Cross-sectional Intensität Profil zeigt eine Trennung von 333 nm. Cross-sectional Intensität Profile entsprechen der 2,1 X Vergrößerungsfaktor von der Hyperlens. Diese Zahl wurde vom Refefence17geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Die Herstellung von einem Hyperlens beinhaltet drei Hauptschritte: Definition halbkugelförmigen Geometrie in das Quarz Substrat durch eine nasse Ätzprozess Stapeln der Metall- und dielektrische Multilayer verwenden ein Elektron Lichtstrahl Verdampfungssystem und Beschriftung der Objekt auf dem Cr-Layer. Der wichtigste Schritt ist die zweite, da es die Qualität der Hyperlens erheblich beeinträchtigen kann. In der Dünnschicht-Abscheidung gibt es zwei Bedingungen, die spezielle für ein klares Bild super gelöst Pflege. Stapeln der mehrschichtigen conformally ist eine der entscheidenden Fragen, wie die nicht-konforme Ablagerung von der mehrschichtigen zu einer Abweichung von der perfekten Kugelform führt. Wenn die Film-Abscheidung nicht langsam genug, die Schichtdicke in der Mitte und, die am Rande der hemisphärischen Geometrie sind in der Regel aufgrund der schrägen Electron Beam Verdampfung zu unterscheiden. Die räumlich unterschiedliche Schichtdicke ergibt sich räumlich abhängigen Vergrößerung und verursacht Verzerrung des Bildes. Daher sollte der Film Abschmelzleistung möglichst langsam (weniger als 0,1 nm/s) um eine winkeltreue Multilayer zu erreichen.

Ein weiterer möglicher Faktor, der ein unvollkommenes Bild bringen kann ist die Rauheit der Oberfläche, da eine rauhe Oberfläche die Wahrscheinlichkeit der Lichtstreuung erhöht. Es wurde berichtet, dass die Aufnahme von einer dünnen Schicht eines High-Oberfläche Energie Materials eine Benetzung, drastisch reduzieren die Versickerung Silber18auswirkt. Hier arbeitet die TiO2 Schicht als Benetzung Material. Silber auf die TiO2 Schicht abgeschieden tendenziell flacher als sonst. Darüber hinaus sollte der Vakuum Zustand weniger als 10-7 Torr während der Abscheidung für eine gleichmäßige und glatte Multilayer. Agglomeration von Silber während das Elektron Lichtstrahl verdampfende machen auch die Oberfläche rau. Da die Agglomeration bei niedrigen Temperaturen unterdrückt wird, kann die Film-Abscheidung in kryogenen Bedingungen von flüssigem Stickstoff kontrolliert durchgeführt werden. Nach der Absetzung Dünnschicht-wir die Oberflächenrauhigkeit der fabrizierten Struktur, um die glatte Oberfläche mit AFM gewährleisten geprüft und bestätigt, dass die Rauheit der Oberfläche weniger als 1,5 ist nm.

Auch wenn alle drei Bedingungen sorgfältig kontrolliert werden, ist ein perfektes Bild nicht erreichbar, selbst unter idealen Fertigung. Erstens unterliegt wie bei jedem anderen herkömmlichen optischen System, Hyperlens-basierten optischen Systems, inklusive Hyperlens und herkömmlichen High-NA-Optik, konventionelle Aberrationen, wie sphärische Aberrationen. Auch, obwohl kugelförmigen Strukturen der Hyperlens zweidimensionale Höchstauflösung Bildgebung unter unpolarisierten Lichts ermöglichen, entsteht die Kugelgeometrie Aberrationen. Zum Beispiel, wenn das Objekt aus zwei Löcher und einen Schlitz auf der Cr-Schicht eingeschrieben besteht, sind sie nicht auf der gleichen Objektebene. Daher kann eines der Objekte im Fokus sein, während die anderen nicht. Diese teilweise mit Schwerpunkt stammt auch aus Discordance der Probe und die optische Achse des nachfolgenden High-NA-Bildgebung. Abgesehen von dieser räumlichen-abhängige Auflösung ist zusätzliche Unschärfe aufgrund des Fringe-Effekts beobachtet, die die verbleibende Kohärenz in der Beleuchtung Licht stammt.

Darüber hinaus schränkt die Aufschlüsselung der wirksame mittlere Näherung die Auflösung. Für Wellen, deren transversale Welle Vektorkomponente zu groß im Vergleich zu dem Vakuum Wellenlänge ist, die effektive Wellenlänge in der Hyperlens wird kleiner, und irgendwann wird es vergleichbar mit der Schichtdicke. Wirksame mittlere Annäherung ist daher nicht mehr gültig. Die effektive Wellenlänge 2d, wo d ist die Dicke der Schichten die Dispersion Kurve erheblich abweicht von der hyperbolischen Form, und können nicht die Wellen ausbreiten. Dies schränkt die Auflösung innerhalb von 60 nm für die spezifische Hyperlens-basiertes System abgebildet. Wir sollten auch erwähnen, dass, obwohl die Hyperlens im Fernfeld-Bilder liefert, das Objekt in einem in der Nähe von Feld platziert werden soll. Andernfalls erreichen nicht evaneszenten Wellen tragen Sub Beugung Funktionen hyperbolische Medium.

Trotz der grundlegenden Beschränkungen auf die Auflösung der Hyperlens konnten wir bei der Verbesserung der Bildqualität durch die Nachahmung der glatten und perfekten kugelförmigen Struktur von der Hyperlens. Die glatte Oberfläche sorgt für geringere Streuung und weniger Verzerrung des Bildes, während die konforme Struktur die räumliche-abhängige Aberration reduziert. Darüber hinaus da Höchstauflösung Bildgebung mit Hyperlenses aus der außergewöhnliche Streuung Beziehung stammt, ist es frei von der Verwendung von Fluoreszenz oder andere komplizierteren Mechanismen, wie die stochastische Methode. Folglich eine Hyperlens erfordert keine Nachbearbeitung und Echtzeit-Bildgebung ermöglicht. Es beinhaltet auch keine kompliziertere experimentellen Komponenten, arbeitet als ein Optik-Modul, das leicht mit einem konventionellen Optik Setup integriert werden kann, wie gezeigt. Darüber hinaus kann Dünnschicht-Prozess verwendet werden, eine Vielzahl von Materialien, mit der Dicke kontrollierbar im Nanometer-Maßstab zu stapeln. Daher kann eine Hyperlens bei einer anderen Wellenlänge Regime aus verschiedenen Materialien hergestellt werden.

Hier präsentieren wir Ihnen die Fertigung eines Hyperlens und seiner optischen Aufbau für die Bildgebung. Wir berichten auch experimentell markierungsfreie Sub Beugung Bilder in Echtzeit mit einem Hyperlens-optischen System. Da die Hyperlens eine einfache sphärische Geometrie hat, gibt es andere Freiheitsgrade, Einschränkungen in der bildgebenden Umwelt zu reduzieren. Beispielsweise können wir die Alltagstauglichkeit verbessern, indem Sie eine skalierbare Fertigung Methode oder seine Vielseitigkeit mit erweitern zusätzliche Schritte der Herstellung in Vitro imaging-Anwendungen zu ermöglichen. Die Verwendung von Hyperlenses ermöglicht es Wissenschaftler, biophysikalische Dynamik auf der Nanoebene in Echtzeit zu beobachten. Es kann die nächste Generation der Super-Resolution imaging Plattform, für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen wie Biologie, Medizin und Werkstofftechnik betrachtet werden.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

Acknowledgements

Diese Arbeit wird finanziell unterstützt durch Young Investigator Programm (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center Program (NRF-2015R1A5A1037668) und Global Frontier Program (CAMM-2014M3A6B3063708), m.k., S.S, I.K anerkennen die globale Ph.d. Stipendien (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) durch die National Research Foundation of Korea (NRF) Zuschuss gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunft planen (MSIP) der koreanischen Regierung.

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

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