Demostración de un microscopio integrado de Hyperlens y proyección de imagen de súper resolución

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Summary

El uso de un hyperlens ha sido considerado como una técnica de imagen de resolución súper novela debido a sus ventajas en la proyección de imagen en tiempo real y su puesta en práctica simple con óptica convencional. Aquí, presentamos un protocolo que describe la fabricación y aplicaciones de una hyperlens esférica de la proyección de imagen.

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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

El uso de súper resolución de imagen para superar el límite de difracción de la microscopia convencional ha atraído el interés de los investigadores en biología y nanotecnología. Aunque superlentes y microscopía de campo cercano han mejorado la resolución de la región de campo cercano, campo lejano la proyección de imagen en tiempo real sigue siendo un desafío significativo. Recientemente, el hyperlens, que magnifica y convierte ondas evanescentes en la propagación de las ondas, ha surgido como un nuevo enfoque a la imagen de campo lejano. Aquí, divulgamos la fabricación de una hyperlens esférica compuesta de alternancia de capas delgadas de titanio óxido (TiO2) y plata (Ag). A diferencia de un convencional cilíndrico hyperlens, el hyperlens esférico permite aumento bidimensional. Así, la incorporación en microscopía convencional es sencillo. Se propone un nuevo sistema óptico integrado con el hyperlens, lo que permite una imagen de longitud de onda sub a obtenerse en la región de campo lejano en tiempo real. En este estudio, la fabricación y los métodos de instalación imagen se explican en detalle. Este trabajo también describe la accesibilidad y posibilidad de la hyperlens, así como aplicaciones prácticas de la imagen en tiempo real en células vivas, que puede conducir a una revolución en la biología y la nanotecnología.

Introduction

El deseo de observar biomoléculas en células vivas llevó a la invención de la microscopía y el advenimiento de la microscopía propagó la revolución de varios campos, tales como la biología, patología y la ciencia de los materiales, sobre últimos siglos. Sin embargo, más avance de la investigación ha sido restringido por difracción, que limita la resolución de los microscopios convencionales hasta la mitad de la longitud de onda1. Por lo tanto, súper resolución de imagen para superar el límite de difracción ha sido un interesante área de investigación en las últimas décadas.

Como el límite de difracción es atribuido a la pérdida de las ondas evanescentes que contienen información de longitud de sub-onda sobre los objetos, se han realizado los primeros estudios para evitar ondas evanescentes desapareciendo o recuperarlos de2,3. El esfuerzo por superar el límite de difracción primero fue divulgado con microscopía óptica, que recoge el campo evanescente en proximidad cercana al objeto antes de que sea disipada2cerca del campo. Sin embargo, como exploración de la región de la imagen entera y reconstruyéndolo lleva mucho tiempo, no se puede aplicar a la imagen en tiempo real. Aunque otro enfoque basado en el "superlente", que amplifica las ondas evanescentes, proporciona la posibilidad de imagen en tiempo real, imágenes de longitud de sub-onda sólo es capaz de la región de campo cercano y no pueden llegar más allá de los objetos4, 5 , 6 , 7.

Recientemente, la hyperlens ha surgido como un nuevo enfoque en tiempo real campo lejano óptico imagen8,9,10,11,12. El hyperlens, que se hace de metamateriales hiperbólicos altamente anisotrópico13, exhibe una dispersión plano hiperbólica de modo que es compatible con alta información espacial con la misma velocidad de fase. Además, debido a la ley de conservación del ímpetu, el wavevector transversal alta se comprime gradualmente mientras la onda pasa a través de la geometría cilíndrica. Esta información ampliada así puede detectarse por un microscopio convencional en la región de campo lejano. Esto es de particular importancia a la imagen de campo lejano en tiempo real, como no requiere cualquier reconstrucción de imagen o análisis punto por punto. Por otra parte, el hyperlens puede utilizarse para aplicaciones que no sean la proyección de imagen, como la Nanolitografía. La luz que pasa a través de la hyperlens en la dirección contraria se centrará en un área de la secundario-difracción debido a la simetría de la revocación del tiempo14,15,16.

Aquí, Divulgamos sobre una hyperlens esférica que magnifica información bidimensional en la frecuencia visible. A diferencia de geometría cilíndrica convencional, los hyperlens esféricos magnifica objetos en dos dimensiones laterales, facilitando aplicaciones prácticas. El método de fabricación y la instalación de imagen con el hyperlens se presentan en detalle para la reproducción de un hyperlens de alta calidad. Un objeto de longitud de sub-onda está inscrito en el hyperlens para demostrar su poder de súper-resolución. Se confirma que las pequeñas características de los objetos inscritos se potencian en el hyperlens. Así, se obtienen las imágenes claramente resueltos en la región de campo lejano en tiempo real. Este nuevo tipo de hyperlens esférica, con su facilidad de integración con microscopia convencional, ofrece la posibilidad de aplicaciones prácticas, lleva a los albores de una nueva era en biología, patología y Nanociencia general.

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Protocol

1. preparación del sustrato

  1. obtener altamente refinado oblea de cuarzo. Para la fabricación registrada aquí, utiliza una oblea con un espesor de 500 μm.
  2. S
  3. spin-capa la oblea de cuarzo con un photoresist positivo a 2.000 rpm y hornear durante 60 a 90 ° C.
    Nota: La capa de photoresist positivo está cubierta para evitar daños durante el paso de corte subsecuente.
  4. Utilizar una máquina de corte en cuadritos para cortar la oblea con fotoresistencia en pequeños trozos de 20 x 20 mm 2 tamaño.
  5. Golpe con una pistola de nitrógeno comprimido para retirar las partículas resultantes de la etapa de corte.
  6. Colocarlo en un baño ultrasónico en agua desionizada (DI) durante 5 minutos a 45 ° C. retirar la capa de photoresist usando un baño ultrasónico en acetona por 5 min a 45 º C. limpiar el sustrato con dos baños por ultrasonidos, acetona y alcohol isopropílico, cada uno por 5 min a 45 ° C.
  7. Secar el sustrato con una pistola de nitrógeno comprimido.

2. El patrón de la máscara de la aguafuerte

sustratos de cuarzo
  1. la limpieza de la carga en un electrón de alto vacío sistema de evaporación de la viga. Asegúrese de que está activado rotación sustrato.
  2. Depósito de la capa de cromo con una tasa de deposición de 2 Å/s.
    Nota: Una capa de al menos 100 nm de espesor debe ser depositada para que la máscara de la aguafuerte evitar agujeros de deposición.
  3. Presione el botón de ventilación para ventilar la cámara y montar una muestra sobre el soporte de viga (FIB) ion enfocada mediante la realización de la cinta de cobre.
  4. El titular de la FIB de la carga en la recámara de la FIB.
  5. Cerrar la puerta y presione el botón de la bomba para evacuar la cámara de.
  6. Seleccionar " de la viga en " bajo la ficha de control de la viga y el conjunto el ion viga corriente (7,7 pA) y el voltaje de aceleración (30 kV) para el modo FIB.
  7. Activar el sistema de viga de ion.
  8. Seleccionar " de la viga en el " debajo de la ficha de control de haz en el haz de electrones y enfocar la imagen con la ampliación baja, utilizando el software de.
  9. Fijar la distancia de trabajo (WD) en 4 mm bajo la pestaña de navegación en el modo de microscopio electrónico de barrido (SEM).
  10. Ajustar el ángulo de inclinación del soporte a 52° y tomar las imágenes de SEM en diferentes aumentos antes de la fabricación de patrón de agujero matriz máscara.
  11. En la ficha Diseño, elegir la región de modelar y hacer un arreglo de discos de orificio nm 50 sobre la capa de cromo.
    Nota: Hay simple accesible en la ficha Diseño de herramientas de dibujo. Control de geometría y de la exposición más complejo se puede alcanzar por importar mapas de bits o generación de secuencias de comandos de.
  12. , Después de apagar el haz de electrones y la viga de ion sistemas y enfriar el sistema.
  13. Presione el botón de ventilación y ventilación de la cámara con gas nitrógeno. Sacar el titular de la cámara de.
  14. Cerrar la puerta de la cámara y evacuar la cámara presionando el botón de la bomba.

3. Grabado húmedo proceso y eliminación de la capa de máscara

  1. poner el sustrato modelado en 1:10 tampón reactivo óxido por 5 min
    Nota: El cuarzo es selectivamente y isotropically mojado-grabada por el grabador y formas una forma esférica. La forma de la lente puede obtenerse con la máscara de grabado, y el diámetro es controlado precisamente por el tiempo de grabado. Puede formar mejor forma esférica con un diámetro más pequeño del patrón. Un hemisferio de 1.5 μm de diámetro se puede obtener dentro de 5 minutos
  2. Poner el sustrato modelado en DI agua para limpiar el óxido con grabador (5 min, dos veces).
    Nota: Grabador de óxido tamponado puede ser peligroso, así que tenga cuidado cuando utilice este grabador.
  3. Seco de la muestra con gas nitrógeno comprimido.
  4. Poner el sustrato modelado en CR 7 cromo etchant para eliminar la capa de máscara de cromo.
    Nota: Después de quitar la capa de cromo, un sustrato con motivos esféricos 1.5 μm de diámetro se puede obtener.
  5. Poner el sustrato modelado en DI agua para limpiarlo (5 min).

4. Deposición multicapa y objetos de tamaño nanométrico inscripción

Nota: un par de capas se depositan sobre el substrato de cuarzo esférico. Aquí, Ag y TiO 2 se utilizan como los materiales de deposición. AG y TiO 2 se depositan alternativamente a un espesor de 15 nm.

  1. Presione el botón de ventilación del sistema de evaporación de viga del electrón y espere hasta que la ventilación es.
  2. Carga el sustrato modelado en un sistema de evaporación de haz de electrones de alto vacío después de la salida.
  3. Cerrar la puerta de la cámara y evacuar la cámara a un grado de vacío de 10 -7 Torr pulsando el botón de la bomba.
    Nota: La condición del vacío debe ser mantenida de 10 -7 Torr para reducir la dispersión de la aspereza superficial.
  4. Depósito de la capa de Ag con una tasa de crecimiento de 1 Å / s y el depósito de una capa de Ag 15 nm de espesor.
  5. Después de la deposición de la capa de Ag, enfriar el sustrato por 5 min
  6. Cambiar el bolsillo del sistema de evaporación de haz de electrón eligiendo otro crisol y depositar la capa de TiO 2 con una tasa de crecimiento de 1 Å/s. depósito una capa de 2 15 nm de grosor TiO.
    Nota: Durante el proceso de deposición, la tasa de crecimiento de la película se mantiene baja para mantener la uniformidad de la rugosidad de la superficie.
  7. Después de la deposición de la capa de TiO 2, enfriar el sustrato por 5 min
  8. Repita pasos 4.4-4.7 para decenas de ciclos para depositar una multicapa de Ag y TiO 2.
    Nota: en este punto, la fabricación de hyperlens es sobre. El siguiente paso es para hacer una función sub-diffraction-limited arbitraria para la hyperlens capacidad de la proyección de imagen de la prueba. Aberturas de tamaño de nanómetros y las aberturas están inscritos por fresado FIB.
  9. Cambiar el bolsillo del sistema de evaporación de viga del electrón y depositar la capa de cromo en un espesor de 50 nm.
  10. Después de la deposición de una capa de Cr, apague el sistema de evaporación de haz de electrones. Presione el botón de ventilación y ventilación de la cámara mediante la introducción de gas nitrógeno.
  11. Después de la ventilación, abrir la puerta y saque el soporte de la cámara. Tira el dispositivo fabricado hyperlens.
  12. Cerrar la puerta de la cámara y evacuar la cámara presionando el botón de la bomba.
  13. Monte hyperlens depositado con cromo en la FIB sistema de fresado y una estructura de tamaño nanométrico, por el fabricante del patrón ' instrucciones s.

5. Ajuste la proyección de imagen del sistema y procedimiento de la proyección de imagen

  1. lugar un convencional microscopio óptico de transmisión tipo sobre la mesa óptica.
    Nota: Aquí, un microscopio óptico invertido fue utilizado como el principal cuerpo.
  2. Conectarse una fuente de luz blanca de la ruta de iluminación del microscopio usando un adaptador de.
  3. Colocar un filtro óptico pasabanda centrado en 410 nm.
    Nota: El filtro bandpass selectivamente penetra la longitud de onda específica de luz; aquí, 410 nm se enciende en la muestra. Un hyperlens de Ag y TiO 2 tiene alto rendimiento en una longitud de onda de 410 nm. El resultado de la simulación ( figura 2 c) muestra el rendimiento de la hyperlens, que satisface la relación de dispersión hiperbólico en el 410 la luz nm.
  4. Seleccionar un objetivo de inmersión en aceite alta magnificación. Utilizar una cámara de CCD de alta calidad para obtener las imágenes.
    Nota: Esta configuración óptica sólo pone la prohibicióndpass filtro en el camino de la luz para arreglar la luz de longitud de onda 410 nm. Una longitud de onda específica de luz se puede iluminar en la muestra sin utilizar luz blanca, pero en un laboratorio normal, microscopios ópticos pueden tener una fuente de luz blanca para la observación de muestras a través de imágenes de fluorescencia o campo brillante.
  5. Coloque una gota de aceite de inmersión en el objetivo. Colocar un hyperlens en las imágenes de la etapa y la captura de muestra.
    Nota: Los objetos de tamaño nanométrico inscritos en la superficie interna de la hyperlens pueden ser iluminados con luz de 410 nanómetro. Con el hyperlens, los objetos de tamaño nanométrico serán ampliados y capturados por el lente objetivo y reflejados por cámara CCD.

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Representative Results

La capacidad del dispositivo de hyperlens para resolver características de la secundario-difracción confía en su uniformidad y una fabricación de alta calidad. Aquí, un hyperlens está compuesto por una multicapa de Ag y TiO2 depositadas alternadamente. Figura 2a muestra la imagen SEM de un hyperlens bien hecho17. La imagen corte transversal muestra que las múltiples capas de Ag y Ti3O5 la película fina se depositaron con espesor uniforme en el sustrato de cuarzo hemisférica. La rugosidad de la superficie de la estructura final hyperlens es menos de 1.5 nm cuadrático (y de aproximaciones sucesivas.).

Utilizamos de TiO2 en vez de Ti3O5 como un dieléctrico ya que ambos materiales, que tienen altos índices de refracción más 2, dan lugar a eficaz dispersión hiperbólica cuando se apilan con plata. Como se menciona en el Protocolo, un hyperlens de Ag y TiO2 tiene un gran rendimiento a 410 nm debido a la relación de dispersión de las múltiples capas apiladas de Ag y TiO2 tiene una curva hiperbólica de la dispersión, como se muestra figura 2b . En principio, las ondas con componentes de alta wavevector espacial pueden propagarse en un medio tan hiperbólica a lo largo de la dirección radial de la hyperlens. En otras palabras, las características pequeño con componentes de alta frecuencia, que no pueden ser capturados por óptica convencional, se pueden propagar al lejos-campo a través de la hyperlens. C de la figura 2 muestra la distribución de campo simulado en la hyperlens utilizando una herramienta de simulación de elementos finitos (FEM). Diseño, propiedades de los materiales y nanoestructuras inscrita del modelo de simulación se fijan idénticamente con los de la hyperlens fabricado. Dos agujeros de 50 nm de diámetro están inscritos sobre la capa de cromo, con una distancia de 150 nm. La parte superior de la hyperlens está iluminada por luz de 410 nanómetro, y la luz de la hyperlens contiene la imagen magnificada del objeto, donde el aumento se determina por la relación entre el radio interior y radio exterior de la hyperlens. La imagen magnificada del objeto sub-diffraction-limited puede ser capturada por una lente objetivo convencional y reflejada.

La medida de la imagen sin límite de difracción usando un hyperlens se realiza a través de un sistema óptico simple. Figura 3a muestra el esquema del sistema de proyección de imagen de hyperlens. Microscopía convencional puede utilizarse como un mainframe, con ligeras diferencias. El camino de la iluminación es el tipo de transmisión y se coloca la fuente de luz blanca con un filtro pasabanda adecuada. La luz de iluminación es recogida por un condensador o lente de enfoque y entregada al plano del objeto. La muestra se coloca en la superficie interna de la hyperlens en un hyperlens de sistema, mientras que la muestra se coloca sobre el vidrio del portaobjetos de microscopía óptica convencional. Se iluminan los objetos en el hyperlens, y la imagen se propaga entonces a través de la hyperlens. Por último, la imagen es captada por un objetivo y una cámara CCD. El sistema óptico hyperlens implementado se muestra en la figura 3b. Con simples componentes adicionales, tales como una fuente y un filtro, el hyperlens se puede implementar fácilmente en un sistema de microscopio convencional.

Las imágenes reales captadas a través de un hyperlens se muestran en la figura 4. Figura 4a y d 4 representan dos conjuntos de las imágenes de SEM de estructuras sub-longitud de onda, que consiste en un agujero y línea inscrita en la capa de cromo de la hyperlens. El tamaño de la brecha es de 160-180 nm en cada caso. En microscopía convencional, no se puede resolver estas estructuras de la secundario-difracción debido al límite de difracción. Por otro lado, las características pequeñas son claramente resueltas con el hyperlens. Figura 4b y 4e mostrar las imágenes ópticas obtenidas mediante el sistema de hyperlens, y los perfiles de intensidad sección (línea discontinua roja) se muestran en la figura 4C y 4f, respectivamente. Gráficos de intensidad transversal muestran separaciones de 346 y 363 nm (figura 4C) y 333 nm (figura 4f), respectivamente, correspondiente a un aumento de 2.1, determinada por el cociente entre el radio interior y exterior de la hyperlens.

Figure 1
Figura 1: esquema del proceso de fabricación de Hyperlens. (a) la fabricación se inicia con la preparación de la oblea de cuarzo refinada. (b) en la oblea de cuarzo, una cromo capa 100 nm espesor es depositada por un sistema de evaporación de haz de electrones. (c) para hacer un patrón de máscara para un proceso de producción mojado, un agujero de 50 nm de diámetro está estampado en la capa de cromo mediante un sistema de fresado de FIB. (d) un grabado húmedo isótropo proceso se lleva a cabo utilizando la capa de cromo. La oblea de cuarzo se forma una forma semiesférica. (e) la remoción de la capa de cromo se realiza con un reactivo de cromo. (f) en la superficie hemisférica es una multicapa de Ag y TiO2 depositadas de manera alternativa, con un espesor de 15 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: fabricación y resultados de la simulación de la Hyperlens. (una) Cross-sectioned SEM imagen del hyperlens fabricado. Cada capa de Ag y TiO2 con un espesor de nm 15 está bien depositada, con uniformidad, y la aspereza de hyperlens final es menos de 1.5 r.m.s. Esta figura se ha modificado de la referencia17. (b) Isofrequency contorno de la hyperlens (línea verde) y el medio isotrópico (línea morada). El hyperlens tiene una forma hiperbólica de la relación de dispersión que puede propagar el componente de alta frecuencia (pequeñas características, superiores al valor de corte) para el campo lejano. Sin embargo, isotrópica medio-como óptica convencional tiene una relación de dispersión circular y no se propaga sobre la frecuencia de corte. (c) resultado de la simulación de la hyperlens. El resultado muestra la distribución de campo magnético de pequeñas características dentro de la superficie interna del hyperlens. El objeto sub-diffractional es magnificado y propagan el campo lejano a través de la hyperlens. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: imagen diagrama esquemático del sistema implementado por Hyperlens. (a) A banda ancha blanca luzfuente se utiliza para iluminar la muestra. La luz pasa a través del filtro de paso de banda y se selecciona una determinada longitud de onda de la luz. Aquí, la luz nm 410 se utiliza como la luz de iluminación. La hyperlens se implementa fácilmente en el plano del objeto y a través de la lente del objetivo y cámara CCD para que el pequeño objeto en la hyperlens es capturado. (b) Hyperlens-implementado sistema de proyección de imagen. Un cuerpo convencional microscopio invertido se utiliza como un mainframe, y el hyperlens se agrega para la proyección de imagen de súper-resolución. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: resultado de fabricación y resultados de la simulación de la Hyperlens17 . (un) SEM imagen de un objeto con dos puntos separados por una estructura de línea. Cada punto tiene distancias de 180 nm y 160 nm. (b) óptica imagen captada a través de la hyperlens. El pequeño objeto en la hyperlens es magnificado y capturado. Las características de la secundario-difracción limitada se resuelven. (c) a lo largo de la línea discontinua roja, se mide el perfil de sección de intensidad. Los perfiles de intensidad transversal muestran separaciones de 346 y 363 nm. (d) imagen de SEM de otro objeto, con tres puntos, 160, 170 y 180 nm entre sí. (e) óptica imagen captada a través de la hyperlens. fPerfil de sección de la intensidad de la línea punteada roja en (e). El perfil transversal de intensidad muestra una separación de 333 nm. Perfiles de intensidad transversal corresponden al factor de ampliación X 2,1 de la hyperlens. Esta figura ha sido modificada desde refefence17. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La fabricación de un hyperlens incluye tres grandes pasos: definición de geometría semiesférica en el substrato de cuarzo mediante un proceso húmedo-aguafuerte, apilando las metálicas y dieléctricas de múltiples capas utilizando un sistema de evaporación de haz de electrón y la inscripción la objeto en la capa del Cr. El paso más importante es la segunda, ya que puede afectar significativamente la calidad de la hyperlens. En el proceso de deposición de película delgada, hay dos condiciones que requieren un cuidado especial para una imagen súper resuelta claro. Apilar el multicapa conformally es uno de los temas cruciales, como la deposición no conformal de la multicapa conduce a una desviación de la forma esférica perfecta. Si la deposición de la película no es lenta, el espesor de la película en el centro y que en el borde de la geometría hemisférica tienden a diferir debido al ángulo de evaporación de haz de electrones. El espesor de película espacial diferentes da lugar a ampliación espacial dependiente y causa distorsión de la imagen. Por lo tanto, la tasa de deposición de la película debe ser lento como sea posible (menos de 0.1 nm/s) para lograr un de múltiples capas conformales.

Otro posible factor que puede llevar a cabo una imagen imperfecta es la rugosidad de la superficie, ya que una superficie áspera aumenta la probabilidad de dispersión de la luz. Se ha reportado que la inclusión de una capa delgada de un material de superficie de alta energía tiene un efecto humectante, reduciendo drásticamente la percolación de plata18. Aquí, la capa de TiO2 funciona como el material de adherencia de soldadura. Plata que se deposita en la capa de TiO2 tiende a ser más plana de lo habitual. Además, la condición del vacío debe ser inferior a 10-7 Torr durante todo el proceso de deposición de una multicapa de lisa y suave. Aglomeración de plata durante la evaporación de haz de electrones también puede hacer que la superficie áspera. Puesto que la aglomeración es suprimida en las bajas temperaturas, la deposición de la película se puede realizar en condiciones criogénicas controladas por nitrógeno líquido. Después de la deposición de película delgada, examinamos la rugosidad de la superficie de la estructura fabricada para la superficie lisa utilizando AFM y confirmó que la rugosidad de la superficie es menos de 1.5 nm.

Aunque todas las tres condiciones se controlan cuidadosamente, una imagen perfecta es inalcanzable, incluso bajo fabricación ideal. En primer lugar, como con cualquier otro sistema óptico convencional, el sistema óptico basado en el hyperlens, que incluye hyperlens y óptica de alta NA convencional, está sujeta a las aberraciones convencionales, como las aberraciones esféricas. Además, aunque las estructuras esféricas de la hyperlens permiten proyección de imagen de resolución súper bidimensional bajo luz no polarizada, la geometría esférica da lugar a aberraciones. Por ejemplo, cuando el objeto está compuesto de dos orificios y un corte en la capa de Cr, no son en el mismo plano del objeto. Por lo tanto, uno de los objetos puede estar en foco mientras que los otros no son. También este enfoque parcial origina la discordancia de la muestra y el eje óptico de la imagen posterior de alta NA. Aparte de esta resolución espacial dependiente, desenfoque adicional se observa debido al efecto de la franja, que surge de la coherencia residual en la luz de iluminación.

Además, el desglose de la efectiva aproximación medio limita la resolución. Para las ondas cuyo componente del vector de onda transversal es demasiado grande en comparación con la longitud de onda vacío, la longitud de onda eficaz de la hyperlens se convierte en más pequeño, y en algún momento llega a ser comparable con el espesor de la película. Por lo tanto, eficaz aproximación medio ya no es válido. Como la longitud de onda efectiva enfoques 2d, donde d es el espesor de las capas, la curva de dispersión se desvía considerablemente de la forma hiperbólica, y no se propagan las ondas. Esto limita la resolución dentro de 60 nm para el sistema específico de base de hyperlens se muestra a continuación. También hay que mencionar que, aunque la hyperlens ofrece imágenes en el campo lejano, el objeto debe ser colocado en un campo cercano. De lo contrario, llevar características de la secundario-difracción de ondas evanescentes no pueden alcanzar el medio hiperbólico.

A pesar de las limitaciones fundamentales para la resolución de la hyperlens, logramos mejorar la calidad de imagen imitando la estructura esférica lisa y perfecta de la hyperlens. La interfaz suave asegura menor dispersión y menos distorsión de la imagen, mientras que la estructura conformal reduce la aberración espacial dependiente. Además, puesto que la proyección de imagen de súper resolución utilizando hyperlenses origina a partir de la relación de dispersión extraordinaria, es sin el uso de fluorescencia o de otros mecanismos complicados, como el método estocástico. En consecuencia, un hyperlens no requiere procesamiento posterior y permite la proyección de imagen en tiempo real. También implican componentes experimentales intrincados, trabajando como un módulo de óptica que puede ser fácilmente integrado con una configuración óptica convencional, como lo demuestra. Por otra parte, proceso de película delgada puede utilizarse para acumular una amplia gama de materiales, con el espesor controlable en una escala nanométrica. Por lo tanto, un hyperlens trabajando en un régimen de diferentes longitudes de onda pueden ser fabricados con diferentes materiales.

Aquí, presentamos el proceso de fabricación de un hyperlens y su configuración óptica de la proyección de imagen. También experimentalmente se presenta imágenes de secundario-difracción etiqueta-libre en tiempo real usando un sistema óptico basado en hyperlens. Puesto que el hyperlens tiene una geometría esférica simple, hay otros grados de libertad para reducir las limitaciones en el entorno de la proyección de imagen. Por ejemplo, podemos mejorar la practicidad con la adopción de un método de fabricación escalable o ampliar su versatilidad añadiendo medidas adicionales a la fabricación para habilitar en vitro de aplicaciones. El uso de hyperlenses permitirá a los científicos observar dinámica biofísico que ocurren en la nanoescala en tiempo real. Se puede considerar la siguiente generación de la plataforma de proyección de imagen de súper resolución, para su uso en diversas aplicaciones tales como biología, ciencias médicas e ingeniería de materiales.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

Acknowledgements

Este trabajo es apoyado por el programa de joven investigador (NRF-2015R1C1A1A02036464), programa del centro de investigación de ingeniería (NRF-2015R1A5A1037668) y programa de frontera Global (CAMM-2014M3A6B3063708), I.K. M.K., S.S., reconoce el doctor Global Becas (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) a través de la subvención nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de ciencia, TIC y planeación de futuro (MSIP) del gobierno coreano.

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

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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).

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