Dimostrazione di un microscopio Hyperlens-integrato e super-resolution Imaging

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Summary

L'uso di un hyperlens è stato considerato come una tecnica di imaging ad alta super-risoluzione romanzo a causa di suoi vantaggi nella formazione immagine in tempo reale e la sua attuazione semplice con ottiche convenzionali. Qui, presentiamo un protocollo che descrive la fabbricazione e applicazioni di un hyperlens sferica di imaging.

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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

L'uso di Super-risoluzione imaging per superare il limite di diffrazione di microscopia convenzionale ha attirato l'interesse dei ricercatori nella biologia e nella nanotecnologia. Anche se superlenses e microscopia a scansione a campo hanno migliorato la risoluzione della regione di campo vicino, far field imaging in tempo reale resta una sfida significativa. Recentemente, il hyperlens, che ingrandisce e converte le onde evanescenti in propagazione delle onde, è emerso come un nuovo approccio all'imaging di campo lontano. Qui, segnaliamo la realizzazione di un hyperlens sferica composto di argento (Ag) e strati sottili di titanio (TiO2) ossido alternati. A differenza di un convenzionale hyperlens cilindrici, il hyperlens sferica permette ingrandimento bidimensionale. Così, l'inserimento nella microscopia convenzionale è semplice. È proposto un nuovo sistema ottico integrato con il hyperlens, permettendo per un'immagine di sub-lunghezza d'onda per essere ottenuto nella regione di campo lontano in tempo reale. In questo studio, la fabbricazione e i metodi di installazione imaging sono spiegati in dettaglio. Questo lavoro descrive anche l'accessibilità e la possibilità dell'hyperlens, così come le applicazioni pratiche di formazione immagine in tempo reale in cellule viventi, che può portare a una rivoluzione nella biologia e nella nanotecnologia.

Introduction

Un desiderio di osservare biomolecole in cellule viventi ha condotto all'invenzione del microscopio, e l'avvento della microscopia propagato la rivoluzione di vari campi, quali biologia, patologia e scienza dei materiali, negli ultimi secoli. Tuttavia, ulteriore avanzamento della ricerca è stata limitata dalla diffrazione, che limita la risoluzione dei microscopi convenzionali a circa metà della lunghezza d'onda1. Super-resolution imaging per superare il limite di diffrazione è stato, quindi, un'interessante area di ricerca negli ultimi decenni.

Come il limite di diffrazione è attribuito alla perdita delle onde evanescenti che contengono informazioni sugli oggetti di sub-lunghezza d'onda, i primi studi sono stati condotti per impedire che le onde evanescenti scomparendo o recuperarli2,3. Lo sforzo per superare il limite di diffrazione in primo luogo è stato segnalato con microscopia ottica a scansione, che raccoglie il campo evanescente nella prossimità vicina all'oggetto prima che sia dissipata2near field. Tuttavia, come la regione intera immagine di scansione e ricostruendolo richiede molto tempo, non può essere applicato a imaging in tempo reale. Anche se un altro approccio basato sulla "superlente," che amplifica le onde evanescenti, fornisce la possibilità di formazione immagine in tempo reale, imaging di sub-lunghezza d'onda è in grado solo nella regione di campo vicino e non può raggiungere ben oltre gli oggetti4, 5 , 6 , 7.

Recentemente, il hyperlens è emerso come un nuovo approccio al tempo reale campo lontano optical imaging8,9,10,11,12. Il hyperlens, che è fatta di metamateriali iperbolico altamente anisotropo13, esibisce una dispersione piano iperbolica modo che supporta alta informazione territoriale con la stessa velocità di fase. Inoltre, a causa della legge di conservazione di quantità di moto, l'alta wavevector trasversale è gradualmente compresso come l'onda passa attraverso la geometria cilindrica. Queste informazioni ingrandite, pertanto, possono essere rilevate da un microscopio convenzionale della regione di campo lontano. Questo è di particolare importanza per la formazione immagine in tempo reale campo lontano, come non richiede alcuna ricostruzione di scansione o immagine punto per punto. Inoltre, la hyperlens può essere utilizzato per applicazioni diverse da formazione immagine, compreso nanolitografia. Luce che passa attraverso la hyperlens in direzione inversa sarà focalizzata su un'area sub-diffrazione dovuto la simmetria di inversione temporale14,15,16.

Qui, segnaliamo su un hyperlens sferica che ingrandisce bidimensionale informazioni alla frequenza visibile. A differenza dei convenzionale geometria cilindrica, il hyperlens sferica ingrandisce gli oggetti in due dimensioni laterali, facilitando le pratiche applicazioni di imaging. Il metodo di fabbricazione e installazione di imaging con la hyperlens sono presentati in dettaglio per la riproduzione di un hyperlens di alta qualità. Un oggetto di sub-lunghezza d'onda è incisa sul hyperlens per il bene di dimostrare il suo potere di super-risoluzione. È confermato che piccole caratteristiche di oggetti inscritti vengono ingranditi dalla hyperlens. Così, chiaramente risolti immagini sono ottenute nella regione di campo lontano in tempo reale. Questo nuovo tipo di hyperlens sferica, con la sua facilità di integrazione con microscopia convenzionale, offre la possibilità di pratiche applicazioni di imaging, che conduce all'alba di una nuova era in biologia e patologia generale nanoscienza.

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Protocol

1. preparazione del substrato

  1. ottenere altamente raffinati wafer di quarzo. Per la fabbricazione segnalata qui, utilizzare un wafer con uno spessore di 500 µm.
  2. Spin-cappotto la cialda di quarzo con un photoresist positivo a 2.000 giri/min ed infornare per 60 s a 90 ° C.
    Nota: Lo strato di photoresist positivo è rivestito per evitare danni durante la fase di taglio successive.
  3. Utilizzare un Affettatrici per tagliare la cialda con photoresist in piccoli pezzi 20 x 20 mm 2 in formato.
  4. Colpo usando una pistola di azoto compresso per rimuovere particelle risultanti dalla fase di taglio.
  5. Posto in un bagno ad ultrasuoni in acqua deionizzata (DI) per 5 min a 45 ° C. Rimuovi lo strato di photoresist utilizzando un bagno ad ultrasuoni in acetone per 5 min a 45 ° C. pulire il substrato utilizzando due bagni ad ultrasuoni, acetone e alcool isopropilico, ciascuno per 5 min a 45 ° C.
  6. a secco il substrato con una pistola di azoto compresso.

2. Acquaforte lo schema della maschera

  1. carico la pulizia substrati di quarzo in un elettrone ad alto vuoto sistema di evaporazione del fascio. Assicurarsi che sia attivata la rotazione substrato.
  2. Depositare lo strato di cromo con una velocità di deposizione di 2 Å/s.
    Nota: Uno strato di almeno 100 nm di spessore dovrebbe essere depositato per la maschera di incisione evitare fori realizzati dalla deposizione.
  3. Premere il pulsante di ventilazione di sfogare la camera e montare un campione sul titolare del beam (FIB) ionico focalizzato mediante lo svolgimento di nastro di rame.
  4. Caricare titolare del FIB nella camera di FIB.
  5. Chiudere lo sportello e premere il pulsante della pompa per evacuare la camera.
  6. Selezionare " trave su " sotto la scheda di controllo del fascio e insieme lo ione fascio corrente (7,7 pA) e tensione di accelerazione (30 kV) per la modalità di FIB.
  7. Accendere il sistema del fascio ionico.
  8. Selezionare " trave su " sotto la scheda di controllo del fascio per attivare il fascio di elettroni e mettere a fuoco l'immagine con basso ingrandimento utilizzando software.
  9. Impostare la distanza di lavoro (WD) a 4 mm sotto la scheda di navigazione in modalità microscopio elettronico a scansione (SEM).
  10. Impostare l'angolo di inclinazione del titolare a 52° e prendere le immagini di SEM a diversi ingrandimenti prima foro matrice maschera modello fabrication.
  11. Sotto la scheda di patterning, scegliete la regione di campitura e fare una serie di fori di nm 50 sullo strato di cromo.
    Nota: Ci sono semplici patterning strumenti accessibili sotto la scheda di campitura. Controllo geometria e l'esposizione più complesso può essere realizzato mediante l'importazione di immagini bitmap o generazione di script.
  12. Dopo aver terminato, spegnere il fascio di elettroni e il fascio di ioni sistemi e raffreddare il sistema.
  13. Premere il pulsante di ventilazione e sfiatare la camera con gas azoto. Estrarre l'alloggiamento fuori dalla camera.
  14. Chiudere il portello della camera ed evacuare la camera premendo il pulsante pompa.

3. Bagnato-acquaforte processo e la rimozione del livello maschera

  1. mettere il substrato modellato in 01:10 tamponata ossido mordenzante per 5 min.
    Nota: Il quarzo è selettivamente e isotropicamente bagnato-inciso da mordenzante e forma una forma sferica. La forma della lente può essere ottenuta con la maschera di incisione, e il diametro è proprio controllato dal tempo di attacco. Una migliore forma sferica può essere formata con un diametro più piccolo del modello. Un emisfero di 1,5 µm di diametro possa essere ottenuto in 5 min.
  2. Mettere il substrato modellato in DI acqua per pulire il mordenzante di ossido tamponata (5 min, due volte).
    Nota: Mordenzante tamponata ossido può essere pericoloso, quindi state attenti quando si utilizza questo mordenzante.
  3. a secco il campione con gas azoto compresso.
  4. Mettere il substrato modellato in CR-7 cromo mordenzante per rimuovere lo strato di maschera cromo.
    Nota: Dopo aver rimosso lo strato di cromo, un substrato modellato sferico 1,5 µm di diametro possono essere ottenute.
  5. Mettere il substrato modellato in acqua deionizzata per pulirlo (5 min).

4. Deposizione di multistrato e Nano-dimensioni oggetto iscrizione

Nota: un paio di strati sono depositato sul substrato di quarzo sferico. Qui, Ag e TiO 2 sono usati come i materiali di deposizione. AG e TiO 2 sono depositati in alternativa ad uno spessore di 15 nm.

  1. Premere il pulsante di ventilazione del sistema di evaporazione del fascio di elettroni e attendere fino a quando la bocca è sopra.
  2. Caricare il substrato modellato in un sistema di evaporazione di fascio di elettroni ad alto vuoto dopo lo sfiato.
  3. Chiudere il portello della camera ed evacuare la camera ad un grado di vuoto di 10 -7 Torr premendo il pulsante pompa.
    Nota: La condizione di vuoto deve essere tenuta a 10 -7 Torr per ridurre la dispersione dalla rugosità.
  4. Depositare lo strato Ag con un tasso di crescita di 1 Å / s e deposito di uno strato di Ag nm di spessore 15.
  5. Dopo la deposizione dello strato Ag, raffreddare il substrato per 5 min.
  6. Modificare la tasca del sistema di evaporazione del fascio di elettroni scegliendo un altro crogiolo e depositare il TiO 2 livello con un tasso di crescita di 1 Å/s. depositare uno strato di 2 di TiO nm di spessore 15.
    Nota: Durante il processo di deposizione, il tasso di crescita di film è tenuto basso per mantenere l'uniformità di rugosità superficiale.
  7. Dopo la deposizione dello strato 2 TiO, raffreddare il substrato per 5 min.
  8. Ripetere passaggi 4.4-4.7 decine di cicli di depositare un multistrato di Ag e TiO 2.
    Nota: A questo punto, la fabbricazione di hyperlens è finita. Il passo successivo è per fare una funzionalità arbitraria sub diffraction-limited per testare la hyperlens capacità di imaging. Aperture di dimensioni nanometriche e fessure sono iscritti mediante fresatura FIB.
  9. Modificare la tasca del sistema di evaporazione del fascio di elettroni e depositare lo strato di cromo con uno spessore di 50 nm.
  10. Dopo la deposizione di uno strato di Cr, spegnere il sistema di evaporazione del fascio di elettroni. Premere il pulsante di ventilazione e di sfiato della camera introducendo gas azoto.
  11. Dopo lo sfiato, aprire la porta della camera e prendere il supporto fuori dalla camera. Togliere il dispositivo fabbricato hyperlens.
  12. Chiudere il portello della camera ed evacuare la camera premendo il pulsante pompa.
  13. Montare il hyperlens depositati con cromo il FIB sistema di fresatura e una struttura di dimensioni nanometriche, per il produttore del modello ' istruzioni s.

5. Impostazione del sistema di Imaging e procedura di Imaging

  1. posto un convenzionale microscopio ottico di trasmissione-tipo sul tavolo ottico.
    Nota: Qui, un microscopio ottico invertito è stato usato come corpo principale.
  2. Collegare una sorgente di luce bianca per il percorso di illuminazione del microscopio utilizzando un adattatore.
  3. Inserire un filtro ottico passa-banda centrato a 410 nm.
    Nota: Il filtro passa-banda penetra in modo selettivo la specifica lunghezza d'onda della luce; qui, sul campione è illuminato 410 nm. Un hyperlens composto da Ag e TiO 2 ha prestazioni elevate a un 410 nm. Il risultato della simulazione ( Figura 2C) Mostra l'andamento delle hyperlens, che soddisfa la relazione di dispersione iperbolica a 410 nm luce.
  4. Selezionare un obiettivo a immersione in olio ad alto ingrandimento. Utilizzare una fotocamera CCD di alta qualità per ottenere le immagini.
    Nota: Questa impostazione ottica mette solo il divieto diDPass filtrare nel percorso di illuminazione luce per ordinare la luce di lunghezza d'onda 410 nm. Una specifica lunghezza d'onda della luce può essere illuminato sul campione senza l'utilizzo di luce bianca, ma in un normale laboratorio, microscopi ottici possono avere una fonte di luce bianca per l'osservazione dei campioni attraverso campo chiaro o fluorescenza.
  5. Mettere una goccia di olio per immersione sulla lente dell'obiettivo. Posizionare un hyperlens su immagini di fase e la cattura di esempio.
    Nota: Gli oggetti di dimensioni nanometriche inscritti sulla superficie interna della hyperlens possono essere illuminati con luce di 410 nm. Con il hyperlens, gli oggetti di dimensioni nano saranno essere ingranditi e catturati dalla lente dell'obiettivo e ripreso dalla telecamera CCD.

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Representative Results

La capacità del dispositivo di hyperlens per risolvere funzioni Sub-diffrazione si basa sulla sua uniformità e su una produzione di alta qualità. Qui, un hyperlens è composto da un multistrato di Ag e TiO2 depositato alternativamente. La figura 2a Mostra l'immagine di SEM di un ben fatto hyperlens17. L'immagine a sezione trasversale Mostra che il multistrato di Ag e Ti3O5 film sottile è depositato con spessore uniforme sul substrato di quarzo emisferica. La rugosità superficiale della struttura hyperlens finale è inferiore a 1,5 nm quadratico medio (r.m.s).

Abbiamo usato TiO2 invece Ti3O5 come dielettrico, dato che entrambi i materiali, che hanno indici di rifrazione alti oltre 2, creano efficace dispersione iperbolica quando accatastati con argento. Come accennato nel protocollo, un hyperlens composto da Ag e TiO2 ha una grande prestazione a 410 nm perché la relazione di dispersione del multistrato in pila di Ag e TiO2 ha una curva di dispersione iperbolico, come mostrato nella figura 2b . In linea di principio, onde con componenti di alta wavevector spaziale possono propagare in un mezzo così iperbolica lungo la direzione radiale della hyperlens. In altre parole, le piccole caratteristiche avendo componenti ad alta frequenza, che non possono essere catturati da ottiche convenzionali, possono propagarsi per il campo lontano attraverso il hyperlens. C figura 2 Mostra la distribuzione di campo simulato in hyperlens utilizzando uno strumento di simulazione agli elementi finiti (FEM). Il design e la proprietà del materiale inscritto nanostrutture del modello di simulazione sono impostate in modo identico con quelli della hyperlens fabbricato. Due fori 50 nanometro di diametro sono incisi sullo strato di cromo, con una distanza di 150 nm. La parte superiore dell'hyperlens è illuminata da 410 nm luce e la luce dal hyperlens contiene l'immagine ingrandita dell'oggetto, dove l'ingrandimento è determinato dal rapporto tra il raggio interno e il raggio esterno dell'hyperlens. L'immagine ingrandita dell'oggetto sub diffraction-limited può essere catturato da una lente obiettivo convenzionale ed imaged.

La misurazione dell'immagine diffrazione-illimitato utilizzando un hyperlens avviene attraverso un sistema ottico semplice. Figura 3a Mostra lo schema del sistema di imaging hyperlens. Microscopia convenzionale può essere utilizzata come un mainframe, con lievi differenze. Il percorso di illuminazione è il tipo di trasmissione e la sorgente di luce bianca viene inserita con un filtro passa-banda adeguata. La luce di illuminazione è raccolto da un condensatore o di messa a fuoco e consegnata al piano dell'oggetto. Il campione è posto sulla superficie interna di hyperlens in un hyperlens sistema, di imaging, mentre il campione è posizionato sul vetro dello scivolo in microscopia ottica convenzionale. Gli oggetti nella hyperlens sono illuminati, e l'immagine poi si propaga attraverso il hyperlens. Infine, l'immagine viene catturata da un obiettivo e la telecamera CCD. Il sistema ottico hyperlens-implementate è mostrato nella Figura 3b. Con semplici componenti aggiuntivi, ad esempio un'origine e un filtro, il hyperlens può essere facilmente implementato in un sistema di microscopio convenzionale.

Le immagini reali catturate attraverso una hyperlens sono mostrate in Figura 4. Figura 4a e 4D raffigurano due insiemi delle immagini di SEM di strutture sub-lunghezza d'onda, costituito da un foro e linea inscritto nello strato di cromo della hyperlens. Le dimensioni di gap sono da 160-180 nm in ogni caso. In microscopia convenzionale, queste strutture sub-diffrazione non possono essere risolto a causa delle fino al limite di diffrazione. D'altra parte, le piccole caratteristiche sono chiaramente risolte con il hyperlens. Figura 4b e 4e mostrano immagini ottiche ottenute utilizzando il sistema basato su hyperlens, e i profili le intensità (linea rossa tratteggiata) sono mostrati in Figura 4 c e 4f, rispettivamente. Sezione trasversale intensità grafici mostrano le separazioni di 363 e 346 nm (Figura 4c) e 333 nm (Figura 4f), rispettivamente, corrispondente a un ingrandimento di 2.1, determinato dal rapporto tra il raggio interno ed esterno dell'hyperlens.

Figure 1
Figura 1: schematica del processo di fabbricazione di Hyperlens. (a) la fabbricazione inizia con la preparazione della cialda di quarzo raffinati. (b) sul wafer di quarzo, un nm di livello 100 cromo spessore è depositato da un sistema di evaporazione del fascio di elettroni. (c) per fare un modello di maschera per un processo bagnato-acquaforte, un buco di 50 nm di diametro è modellato sullo strato di cromo utilizzando un sistema di fresatura di FIB. (d) un bagnato-acquaforte isotropa processo avviene utilizzando lo strato di cromo. Una forma emisferica è formata sul wafer di quarzo. (e) la rimozione dello strato di cromo è fatto con un mordenzante di cromo. (f) sulla superficie emisferica è un multistrato di Ag e TiO2 depositato alternativamente, con uno spessore di 15 nm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: fabbricazione e risultati di simulazione della Hyperlens. (un) Cross-sectioned SEM immagine della hyperlens fabbricato. Ogni strato di Ag e TiO2 con spessore 15 nm è ben depositato, con uniformità, e le asperità del hyperlens finale sono inferiore a 1,5 r.m.s. Questa figura è stata modificata dal riferimento17. (b) isofrequenziale contorno del mezzo isotropo (linea viola) e hyperlens (linea verde). Il hyperlens ha una forma iperbolica della relazione di dispersione che può propagarsi il componente ad alta frequenza (piccole caratteristiche, superiore al valore di cut-off) per il campo lontano. Tuttavia, isotropo medio-come convenzionale ottica ha una relazione di dispersione circolare e non può propagare sopra la frequenza di taglio. (c) risultato della simulazione dell'hyperlens. Il risultato Mostra la distribuzione del campo magnetico da caratteristiche di piccole dimensioni all'interno della superficie interna di hyperlens. L'oggetto sub-diffractional è ingrandito e propagato al campo lontano attraverso il hyperlens. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: schematica del sistema di Imaging implementato da Hyperlens. (un) A luce bianca a banda largafonte è utilizzato per illuminare il campione. La luce passa attraverso il filtro passa-banda e una specifica lunghezza d'onda della luce viene selezionato. Qui, 410 nm luce è usata come la luce di illuminazione. Il hyperlens viene implementata facilmente sul piano dell'oggetto e attraverso la lente dell'obiettivo e la telecamera CCD affinché il piccolo oggetto sul hyperlens viene catturato. (b) Hyperlens-implementato sistema di imaging. Un corpo convenzionale microscopio invertito è usato come un mainframe e il hyperlens viene aggiunto per l'imaging di Super-risoluzione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: risultato di fabbricazione e risultati di simulazione del Hyperlens17 . (un) SEM immagine di un oggetto con due punti separati da una struttura di linea. Ogni punto ha distanze di 180 nm e 160 nm. (b) ottico immagine catturata attraverso il hyperlens. Il piccolo oggetto nella hyperlens è ingrandito e catturato. Le caratteristiche di Sub-diffrazione limitata vengono risolte. (c) lungo la linea tratteggiata rossa, il profilo delle intensità è misurato. I profili a sezione trasversale intensità Visualizza separazioni di 363 e 346 nm. (d) immagine di SEM di un altro oggetto, con tre punti 160, 170 e 180 nm da altro. (e) ottico immagine catturata attraverso il hyperlens. (f) profilo le intensità della linea tratteggiata rossa (e). Il profilo di intensità a sezione trasversale Mostra una separazione di 333 nm. Profili a sezione trasversale intensità corrispondono per il fattore di ingrandimento X 2,1 della hyperlens. Questa figura è stata modificata da refefence17. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

La realizzazione di un hyperlens comprende tre fasi principali: definizione della geometria emisferica nel substrato quarzo attraverso un processo di bagnato-acquaforte, accatastamento il metallo e dielettrico multistrato utilizzando un sistema di evaporazione del fascio di elettroni e inscrivere il oggetto sul layer in Cr. Il passo più importante è il secondo, dal momento che esso può influire significativamente la qualità della hyperlens. Nel processo di deposizione di film sottili, ci sono due condizioni che richiedono la cura speciale per una chiara immagine super-risolta. Accatastamento il multistrato conformally è una delle questioni cruciali, come la deposizione non-conformal del multistrato conduce ad una deviazione dalla forma sferica perfetta. Se la deposizione di film non è lento abbastanza, lo spessore del film al centro e che al bordo della geometria emisferica tendono a differire a causa della natura angolata di evaporazione del fascio di elettroni. Lo spessore del film nello spazio differenti dà luogo a ingrandimento spazialmente dipendente e provoca una distorsione di immagine. Di conseguenza, la velocità di deposizione di film dovrebbe essere come lento come possibile (meno di 0.1 nm/s) per ottenere un multistrato conformal.

Un altro possibile fattore che può far emergere un'immagine imperfetta è la rugosità di superficie, dal momento che una superficie ruvida aumenta la probabilità di dispersione della luce. È stato segnalato che l'inclusione di un sottile strato di un materiale di energia ad alta superficie ha un effetto di bagnatura, riducendo drasticamente la percolazione di argento18. Qui, il TiO2 livello funziona come il materiale di bagnatura. Argento depositato sul TiO2 livello tende ad essere più piatta rispetto al solito. Inoltre, la condizione di vuoto dovrebbe essere meno di 10-7 Torr durante tutto il processo di deposizione per un multistrato uniforme e liscio. Agglomerazione di argento durante il fascio di elettroni evaporazione può anche rendere la superficie ruvida. Poiché l'agglomerazione è soppresso a basse temperature, la deposizione di film possa essere eseguita in condizioni criogeniche controllate di azoto liquido. Dopo la deposizione di film sottili, abbiamo esaminato la rugosità superficiale della struttura fabbricato per garantire la superficie liscia mediante AFM e confermato che la rugosità superficiale è inferiore a 1,5 nm.

Anche se tutte le tre condizioni vengono accuratamente controllate, un'immagine perfetta è introvabile, anche sotto fabbricazione ideale. In primo luogo, come con qualsiasi altro sistema ottico convenzionale, il sistema ottico basato su hyperlens, che comprende hyperlens e convenzionale ad alta-NA ottica, è soggetto a aberrazioni convenzionali, come le aberrazioni sferiche. Inoltre, anche se strutture sferiche della hyperlens attiva formazione immagine bidimensionale super-risoluzione sotto luce non polarizzata, la geometria sferica dà luogo ad aberrazioni. Ad esempio, quando l'oggetto è composto di due fori e una fessura inserito sul livello di Cr, essi non sono sullo stesso piano oggetto. Di conseguenza, uno degli oggetti può essere a fuoco, mentre gli altri non sono. Questa focalizzazione parziale inoltre proviene dal disaccordo del campione e l'asse ottico dell'imaging ad alta-NA successiva. Oltre a questa risoluzione spaziale-dipendente, offuscamento aggiuntivo è osservato dovuto l'effetto della frangia, che deriva dalla coerenza residua alla luce di illuminazione.

Inoltre, la ripartizione dell'approssimazione efficace media limita la risoluzione. Per le onde cui componente del vettore di onda trasversale è troppo grande rispetto alla lunghezza d'onda di vuoto, la lunghezza d'onda efficace nel hyperlens diventa più piccola, e qualche volta diventa paragonabile allo spessore del film. Pertanto, approssimazione media efficace non è più valido. Come la lunghezza d'onda efficace approcci 2d, dove d è lo spessore degli strati, la curva di dispersione si discosta notevolmente dalla forma iperbolica, e le onde non possono propagare. Questo limita la risoluzione entro 60 nm per il sistema specifico basato su hyperlens, illustrato di seguito. Ricordiamo inoltre che, sebbene la hyperlens offre immagini in campo lontano, l'oggetto deve essere inserito in un campo vicino. In caso contrario, le onde evanescenti portando caratteristiche Sub-diffrazione non possono raggiungere il mezzo iperbolico.

Nonostante i limiti fondamentali per la risoluzione della hyperlens, siamo riusciti a migliorare la qualità delle immagini imitando la struttura sferica liscia e perfetta della hyperlens. L'interfaccia liscia assicura bassa dispersione e meno distorsione di immagine, mentre la struttura conformal riduce l'aberrazione spaziale-dipendente. Inoltre, poiché imaging di Super-risoluzione utilizzando hyperlenses proviene dalla relazione di dispersione straordinaria, è esente dall'uso di fluorescenza o altri meccanismi complicati, ad esempio il metodo stocastico. Di conseguenza, un hyperlens non richiedono post-elaborazione e rende possibile la formazione immagine in tempo reale. Inoltre non comporta intricati componenti sperimentali, lavorando come un modulo di ottica che può essere integrato facilmente con una configurazione ottica convenzionale, come dimostrato. Inoltre, processo a film sottile consente di impilare una vasta gamma di materiali, con lo spessore controllabile su scala nanometrica. Di conseguenza, un hyperlens di lavorare in un regime di diversa lunghezza d'onda può essere fabbricato utilizzando materiali diversi.

Qui, presentiamo il processo di fabbricazione di un hyperlens e la sua configurazione ottica per l'imaging. Segnaliamo anche sperimentalmente diffrazione privo di etichetta Sub-in tempo reale utilizzando un sistema ottico basato su hyperlens. Poiché il hyperlens è una semplice geometria sferica, ci sono altri gradi di libertà per ridurre i vincoli nell'ambiente di imaging. Ad esempio, possiamo migliorare la praticità con l'adozione di un metodo di fabbricazione scalabile o espandere la sua versatilità aggiungendo ulteriori passaggi alla fabbricazione per abilitare in vitro applicazioni di imaging. L'uso di hyperlenses permetterà agli scienziati di osservare biofisiche dinamiche che si verificano su scala nanometrica in tempo reale. Può essere considerato la prossima generazione della piattaforma super-resolution imaging, per uso in varie applicazioni quali biologia, scienze mediche e ingegneria dei materiali.

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Disclosures

Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

Acknowledgements

Questo lavoro è sostenuto finanziariamente dal programma Young Investigator (NRF-2015R1C1A1A02036464), programma Engineering Research Center (NRF-2015R1A5A1037668) e programma di frontiera globale (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. riconoscere il dottorato di ricerca globale Borse di studio (NRF NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322,-2016H1A2A1906519) attraverso la concessione di National Research Foundation di Corea (NRF) finanziato dal Ministero della scienza, ICT e futuro pianificazione (MSIP) del governo 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

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