Démonstration d’un Microscope intégré Hyperlens et Super-resolution Imaging

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Summary

L’utilisation d’un hyperlens a été considérée comme une technique d’imagerie de Super-résolution roman en raison de ses avantages dans l’imagerie en temps réel et de sa mise en œuvre simple avec une optique classique. Nous présentons ici un protocole décrivant la fabrication et les applications d’un hyperlens sphérique de l’imagerie.

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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’utilisation de Super-resolution imaging pour contourner la limite de diffraction de microscopie conventionnelle a suscité l’intérêt des chercheurs en biologie et en nanotechnologie. Bien que superlenses et microscopie en champ proche ont amélioré la résolution dans la région de champ proche, lointain l’imagerie en temps réel reste un défi important. Récemment, le hyperlens, ce qui amplifie et transforme la propagation des ondes ondes évanescentes, est apparue comme une nouvelle approche pour l’imagerie grand champ. Nous rapportons ici la fabrication d’un hyperlens sphérique composée d’une alternance d’argent (Ag) et des couches minces de titane oxyde (TiO2). Contrairement à un hyperlens cylindrique conventionnelle, la hyperlens sphérique permet de grossissement à deux dimensions. Ainsi, l’incorporation dans la microscopie conventionnelle est simple. Un nouveau système optique intégré avec le hyperlens est proposé, permettant une image secondaire de longueur d’onde d’obtenir dans la région de champ lointain en temps réel. Dans cette étude, la fabrication et les méthodes d’installation d’imagerie sont expliqués en détail. Cet ouvrage décrit également l’accessibilité et la possibilité de la hyperlens, ainsi que des applications pratiques de l’imagerie en temps réel dans les cellules vivantes, qui peut conduire à une révolution en biologie et en nanotechnologie.

Introduction

Un désir d’observer les molécules dans les cellules vivantes a conduit à l’invention de la microscopie et l’avènement de la microscopie propagées à la révolution de divers domaines, tels que la biologie, pathologie et sciences des matériaux, sur derniers siècles. Cependant, autre avancement de la recherche a été restreint par diffraction, qui limite la résolution des microscopes classiques à environ la moitié de la longueur d’onde1. Donc, Super-resolution imaging pour contourner la limite de diffraction a été une zone de recherche intéressant au cours des dernières décennies.

Comme la limite de diffraction est attribuée à la perte des ondes évanescentes qui contiennent des informations de longueur d’onde secondaire sur les objets, les premières études ont été menées pour empêcher les ondes évanescentes de disparaître ou de les récupérer2,3. Les efforts visant à surmonter la limite de diffraction a été pour la première fois avec la microscopie optique, qui recueille le champ évanescent à proximité immédiate de l’objet avant qu’il soit dissipée2contigu. Cependant, comme le balayage de la région de l’ensemble de l’image et à la reconstruction il prennent beaucoup de temps, il ne s’applique à l’imagerie en temps réel. Bien qu’une autre approche basée sur le « superlens », qui amplifie les ondes évanescentes, donne la possibilité de l’imagerie en temps réel, longueur d’onde sous imagerie n’est capable que dans la région de champ proche et qu’il ne peut pas dépasser les objets4, 5 , 6 , 7.

Récemment, le hyperlens est apparu comme une nouvelle approche pour en temps réel champ lointain optique d’imagerie8,9,10,11,12. Le hyperlens, qui est faite des métamatériaux hyperbolique fortement anisotrope13, présente une dispersion plat hyperbolique afin qu’il prend en charge l’information spatiale élevée avec la même vitesse de phase. En outre, en raison de la Loi de conservation d’élan, le wavevector transversale élevée est progressivement comprimé comme la vague passe par la géométrie cylindrique. Cette information agrandie peut ainsi être détectée par un microscope classique dans la région de champ lointain. C’est d’une importance particulière pour l’imagerie en temps réel de champ éloigné, car elle ne nécessite pas une reconstruction de balayage ou image point par point. En outre, le hyperlens peut être utilisé pour des applications autres que l’imagerie, y compris la nanolithographie. Lumière qui traverse le hyperlens dans le sens inverse se concentrera sur une zone de diffraction sous en raison de la symétrie de renversement du temps14,15,16.

Ici, nous présentons un hyperlens sphérique qui magnifie les informations à deux dimensions à la fréquence visible. Contrairement à la géométrie cylindrique conventionnelle, la hyperlens sphérique magnifie objets dans deux dimensions latérales, facilitant des applications pratiques d’imagerie. Le procédé de fabrication et l’installation d’imagerie avec l’hyperlens sont présentés en détail pour la reproduction d’un hyperlens de haute qualité. Un objet secondaire de longueur d’onde est inscrit sur le hyperlens dans un souci de prouver son pouvoir de résolution super. Il est confirmé que petites caractéristiques des objets inscrits sont magnifiées par la hyperlens. Ainsi, clairement résolues images sont obtenues dans la région de champ lointain en temps réel. Ce nouveau type de hyperlens sphérique, avec sa facilité d’intégration avec la microscopie conventionnelle, offre la possibilité de pratiques applications d’imagerie, conduisant à l’aube d’une ère nouvelle en biologie et pathologie générale nanoscience.

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Protocol

1. préparation du substrat

  1. obtenir très sophistiquée des plaquettes de quartz. Pour la fabrication rapportée ici, utiliser une plaquette avec une épaisseur de 500 µm.
  2. S
  3. spin-manteau la gaufrette de quartz avec une photorésine positive à 2 000 tr/mn et cuire au four pendant 60 à 90 ° C.
    Remarque : La couche de résine photosensible positive est recouverte pour éviter les dommages lors de l’étape de découpe ultérieure.
  4. Utiliser une machine de découpe pour couper la plaquette avec résine photosensible en petits morceaux de 20 x 20 mm 2 taille.
  5. Souffler l’aide d’un pistolet d’azote comprimé pour enlever les particules résultant de l’étape de la coupe.
  6. Placer dans un bain à ultrasons dans l’eau désionisée (DI) pendant 5 min à 45 ° C. Retirer la couche de résine photosensible à l’aide d’un bain à ultrasons dans l’acétone pendant 5 min à 45 ° C. nettoyer le substrat à l’aide de deux bains à ultrasons, l’acétone et l’alcool isopropylique, chacun pendant 5 min à 45 ° C.
  7. Sécher le substrat avec un fusil de l’azote comprimé.

2. Le modèle de masque de gravure

  1. charge le nettoyage des substrats de quartz dans un électron de vide élevé faisceau système d’évaporation. Assurez-vous que la rotation du substrat est activée.
  2. Déposer la couche de chrome avec un taux de dépôt de 2 Å/s.
    Remarque : Une couche d’au moins 100 nm d’épaisseur devrait être déposée pour le masque de la gravure éviter les piqûres de dépôts.
  3. Appuyez sur le bouton de vent pour aérer la chambre et monter un échantillon sur le support de faisceau (FIB) ionique focalisé à l’aide de conduite ruban cuivre.
  4. Charger le titulaire de la FIB dans la chambre de la FIB.
  5. Fermer la porte de la chambre, puis appuyez sur le bouton de la pompe pour évacuer de la chambre de.
  6. Sélectionnez " du faisceau sur " sous l’onglet contrôle de faisceau et l’ensemble de l’ion faisceau courant (7,7 AP) et la tension d’accélération (30 kV) pour le mode de la FIB.
  7. Allumez le système de faisceau ionique.
  8. Sélectionnez " du faisceau sur " sous l’onglet contrôle de faisceau pour activer le faisceau d’électrons et de concentrer l’image avec faible grossissement, à l’aide de logiciels.
  9. Régler la distance de travail (WD) à 4 mm sous l’onglet de navigation en mode microscope électronique à balayage (MEB).
  10. Régler l’angle d’inclinaison du titulaire à 52° et prendre des images de la SEM à différents grossissements avant fabrication de modèle trou tableau masque.
  11. Sous l’onglet motifs, choisissez la région de structuration et de faire un tableau de trou 50 nm sur la couche de chrome.
    Remarque : Il y a simple répétition d’outils accessibles sous l’onglet motifs. Contrôle de géométrie et de l’exposition plus complexe peut être atteint par importation d’images bitmap ou générer des scripts de.
  12. Après avoir terminé, éteindre le faisceau d’électrons et faisceau d’ions systèmes et refroidir le système.
  13. Appuyez sur le bouton de l’évent et aérer la chambre à l’azote. Le titulaire de la sortir de la chambre.
  14. Fermer la porte de la chambre et évacuer la chambre en appuyant sur le bouton de la pompe.

3. Wet-eau-forte processus et enlèvement de la couche de masque

  1. mettre le substrat à motifs en 01:10 buffered oxide etchant pendant 5 min.
    Remarque : Le quartz est sélectivement et isotrope humide-gravé par le gel de mordançage et forme une forme sphérique. La forme de la lentille peut être obtenue avec le masque de la gravure et le diamètre est contrôlé avec précision lors de la gravure. Une meilleure forme sphérique peut être formée avec un diamètre plus petit de modèle. Un hémisphère 1,5 µm de diamètre peut être obtenu au sein de 5 min.
  2. Mettre le substrat à motifs dans l’eau distillée pour nettoyer le gel de mordançage oxyde tamponné (5 min, deux fois).
    NOTE : Oxyde tamponné etchant peut être dangereux, alors soyez prudent lorsque vous utilisez ce gel de mordançage.
  3. Sécher l’échantillon à l’azote comprimé.
  4. Mettre le substrat à motifs en CR-7 chromium etchant pour enlever la couche de masque chrome.
    NOTE : Après avoir enlevé la couche de chrome, un substrat à motifs sphériques 1.5 de µm de diamètre peut être obtenue.
  5. Mettre le substrat à motifs dans l’eau distillée pour le nettoyer (5 min).

4. Dépôts multicouches et taille Nano objet Inscription

Remarque : une paire de couches sont déposées sur le substrat de quartz sphériques. Ici, Ag et TiO 2 sont utilisées comme les matériaux de dépôts. AG et TiO 2 sont déposés en alternance sur une épaisseur de 15 nm.

  1. Appuyez sur le bouton de vent de la système d’évaporation de faisceau électronique et attendre que le vent dépasse.
  2. Charger le substrat à motifs dans un système d’évaporation sous vide électron faisceau après l’évent.
  3. Fermer la porte de la chambre et évacuer la chambre à un degré de vide de 10 -7 Torr en appuyant sur le bouton de la pompe.
    Remarque : L’état de vide doit être maintenue à 10 -7 Torr à réduire la dispersion de la rugosité de surface.
  4. Déposer la couche Ag avec un taux de croissance de 1 Å / s et dépôt, une couche de Ag nm d’épaisseur 15.
  5. Après la déposition de la couche de Ag, refroidir le substrat pendant 5 min.
  6. Changer la poche de la système d’évaporation de faisceau électronique en choisissant un autre creuset et déposer la couche de 2 TiO avec un taux de croissance de 1 Å/s. dépôt, une couche de 2 TiO nm d’épaisseur 15.
    Remarque : Au cours du processus de dépôt, le taux de croissance de film est maintenu bas pour maintenir l’uniformité de la rugosité de surface.
  7. Après la déposition de la couche de 2 TiO, refroidir le substrat pendant 5 min.
  8. Répéter les étapes 4.4 à 4.7 pour des dizaines de cycles à déposer une multicouche de Ag et TiO 2.
    Remarque : À ce stade, la fabrication de hyperlens est au-dessus. La prochaine étape est de faire une fonction arbitraire de sous-sous-diffraction-limited pour tester la hyperlens capacité d’imagerie. Ouvertures de taille nanométrique et fentes sont inscrits par fraisage FIB.
  9. Changer la poche de la système d’évaporation de faisceau électronique et déposer la couche de chrome sur une épaisseur de 50 nm.
  10. Après la déposition d’une couche de Cr, éteindre le système d’évaporation de faisceau électronique. Appuyez sur le bouton d’évacuation et d’aérer la chambre en introduisant l’azote gazeux.
  11. Après l’évent, ouvrir la porte de la chambre et le support a sortir de la chambre. Enlever le dispositif fabriqué hyperlens.
  12. Fermer la porte de la chambre et évacuer la chambre en appuyant sur le bouton de la pompe.
  13. Monter les hyperlens déposés avec du chrome dans le FIB système de fraisage et une structure de taille nanométrique, par le fabricant de mires ' instructions de s.

5. Configuration le du système d’imagerie et la procédure d’imagerie

  1. Place un classique-type de transmission optique microscope sur la table optique.
    NOTE : Ici, un microscope optique inversé a été utilisé comme le principal organe.
  2. Se connecter à une source de lumière blanche vers le chemin d’illumination de microscope à l’aide d’un adaptateur.
  3. Placer un filtre optique passe-bande centré à 410 nm.
    Remarque : Le filtre passe-bande sélectivement pénètre la longueur d’onde spécifique de la lumière ; ici, les 410 nm voyant est allumé sur l’échantillon. Une hyperlens consistant en Ag et TiO 2 a haute performance à une longueur d’onde nm 410. Le résultat de la simulation ( Figure 2c) indique les performances de l’hyperlens, qui satisfait la relation de dispersion hyperbolique à 410 lumière nm.
  4. Sélectionner un objectif à immersion dans l’huile-fort grossissement. Utiliser une caméra CCD de haute qualité pour obtenir les images.
    Remarque : Ce paramètre optique met juste l’interdictiondpass filtrer dans le chemin de lumière éclairage à trier à la lumière de longueur d’onde 410 nm. Une longueur d’onde spécifique de la lumière peut être éclairée sur l’échantillon sans utiliser de lumière blanche, mais dans un laboratoire normal, microscopes optiques peuvent avoir une source de lumière blanche pour l’observation d’échantillons à travers le champ lumineux ou en imagerie de fluorescence.
  5. Déposer une goutte d’huile à immersion sur la lentille de l’objectif. Placez un hyperlens sur les images de scène et capture d’exemple.
    Remarque : Les objets de taille nanométrique inscrits sur la surface intérieure de la hyperlens peuvent être éclairées à 410 nm. Avec les hyperlens, les objets de taille nanométrique seront être grossies et capturés par l’objectif et photographiés par la caméra CCD.

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Representative Results

La capacité de l’appareil de hyperlens pour résoudre les caractéristiques secondaires de diffraction repose sur son uniformité et une fabrication de haute qualité. Ici, un hyperlens est composé d’une multicouche de Ag et TiO2 déposés en alternance. Figure 2 a montre l’image de SEM d’un hyperlens bien fait17. L’image coupe transversale montre que le multicouche d’Ag et Ti3O5 film mince est déposé avec une épaisseur uniforme sur le substrat de quartz hémisphérique. La rugosité de la surface de la structure hyperlens finale est inférieure à 1,5 nm moyenne quadratique (r.m.s).

Nous avons utilisé TiO2 au lieu de Ti3O5 comme un diélectrique étant donné que les deux matériaux qui ont des indices de réfraction élevés supérieur à 2, donne lieu à une dispersion hyperbolique efficace lorsqu’ils sont empilés avec de l’argent. Comme mentionné dans le protocole, une hyperlens consistant en Ag et TiO2 a une excellente performance à 410 nm parce que la relation de dispersion de la multicouche empilée Ag et TiO2 a une courbe de dispersion hyperbolique, comme illustré Figure 2 b . En principe, les ondes avec des composants de haute wavevector spatiales peuvent se propager dans un tel milieu hyperbolique dans la direction radiale de la hyperlens. En d’autres termes, les petits éléments ayant des composants haute fréquence, qui ne peut pas être capturés par optique conventionnel, peuvent se propager à éloignées par le biais de la hyperlens. Figure 2c montre la distribution de champ simulées dans le hyperlens à l’aide d’un outil de simulation par éléments finis (MEF). La conception, propriétés des matériaux et nanostructures inscrit de la simulation sont définies identiquement à ceux de la hyperlens fabriqué. Deux trous 50 nm de diamètre ont été inscrits sur la couche de chrome, avec une distance de 150 nm. La partie supérieure de la hyperlens est éclairée par 410 nm lumière et la lumière de l’hyperlens contient l’image agrandie de l’objet, où le grossissement est déterminé par le rapport entre le rayon interne et le rayon extérieur de la hyperlens. L’image agrandie de l’objet de sous-sous-diffraction-limited peut être capturé par un objectif conventionnel et imagé.

La mesure de l’image sans limite de diffraction à l’aide d’un hyperlens est réalisée grâce à un système optique simple. Figure 3 a montre le schéma du système d’imagerie hyperlens. Microscopie conventionnelle peut être utilisée comme un ordinateur central, avec de légères différences. Le chemin de l’illumination est le type de transmission et la source de lumière blanche est placée avec un filtre passe-bande approprié. L’éclairage est recueilli par un condensateur ou une lentille de focalisation et livré le plan objet. L’échantillon est placé sur la surface intérieure de la hyperlens dans un hyperlens d’imagerie système, tandis que l’échantillon est placé sur la vitre de la diapositive en microscopie optique conventionnelle. Les objets de la hyperlens sont allumés, et l’image se propage ensuite dans le hyperlens. Enfin, l’image est capturée par une lentille d’objectif et la caméra CCD. Le système optique de mise en oeuvre par hyperlens est illustré à la Figure 3 b. Avec des composants supplémentaires simples, comme une source et un filtre, le hyperlens peut facilement être implémentée dans un système de microscope conventionnel.

Les real images capturées par un hyperlens sont indiqués dans la Figure 4. Figure 4 a et 4D représentent deux séries d’images SEM de structures secondaires de longueur d’onde, consistant en un trou et la ligne inscrite dans la couche de chrome de la hyperlens. Les tailles de gap sont de 160 à 180 nm dans chaque cas. En microscopie conventionnelle, ces structures de diffraction sous ne peuvent être résolus en raison de, à la limite de diffraction. En revanche, les petits éléments sont clairement résolues avec le hyperlens. Figure 4 b et 4e montrent les images optiques obtenus à l’aide du système de hyperlens, et les profils d’intensité transversales (ligne rouge pointillée) sont indiquées dans la Figure 4 c et 4f, respectivement. Coupe transversale d’intensité graphiques montrent les séparations de 363 et 346 nm (Figure 4C) et 333 nm (Figure 4f), respectivement, correspondant à un grossissement de 2.1, déterminé par le rapport entre le rayon extérieur et intérieur de la hyperlens.

Figure 1
Figure 1 : schéma du processus de Fabrication Hyperlens. (a) la fabrication commence avec la préparation de gaufrette de quartz raffinées. (b) à la plaquette de quartz, un chrome couche 100 nm épais est déposé par un système d’évaporation de faisceau électronique. (c) pour faire un motif de masque pour un processus de gravure humide, un trou de 50 nm de diamètre est modelée sur la couche de chrome à l’aide d’un FIB système de fraisage. (d) une wet-eau-forte isotrope processus s’effectue à l’aide de la couche de chrome. Une forme hémisphérique est formée sur la plaquette de quartz. (e) l’enlèvement de la couche de chrome se fait avec un gel de mordançage de chrome. (f) sur la surface hémisphérique est une multicouche de Ag et TiO2 déposés alternativement, d’une épaisseur de 15 nm. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Fabrication et résultats de la Simulation de la Hyperlens. (un) Cross-sectioned SEM image de la hyperlens préfabriqués. Chaque couche de Ag et TiO2 d’épaisseur 15 nm est bien déposé, avec l’uniformité et la rugosité du hyperlens final est inférieur à 1,5 r.m.s. Ce chiffre a été modifié par référence17. (b) isofréquence contour de la hyperlens (ligne verte) et le milieu isotrope (ligne violette). Le hyperlens a une forme hyperbolique de la relation de dispersion qui peut se propager sur le composant de haute fréquence (petits éléments, supérieurs à la valeur seuil) pour le champ lointain. Cependant, isotrope comme moyen conventionnel optique a une relation de dispersion circulaire et ne peut pas se propager sur la fréquence de coupure. (c) résultat de la Simulation de la hyperlens. Le résultat montre la distribution de champ magnétique de petits éléments à l’intérieur de la surface intérieure du hyperlens. L’objet sub-diffractional est amplifiée et propagée dans le champ lointain à travers les hyperlens. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : schéma du réseau d’imagerie Hyperlens implémentées. (un) A lumière blanche à large bandesource est utilisée pour éclairer l’échantillon. La lumière traverse le filtre passe-bande et une longueur d’onde spécifique de la lumière est sélectionné. Ici, les 410 nm lumière est utilisée comme l’éclairage. Le hyperlens s’implémente facilement sur le plan de l’objet et à travers la lentille de l’objectif et la caméra CCD afin que le petit objet sur la hyperlens est capturé. (b) Hyperlens-mis en place un système d’imagerie. Un organe conventionnel microscope inversé est utilisé comme un ordinateur central, et le hyperlens est ajouté pour l’imagerie de Super-résolution. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : résultat de la Fabrication et les résultats de la Simulation de la Hyperlens17 . (un) SEM image d’un objet avec deux points séparés par une structure linéaire. Chaque point a distance de 180 nm et 160 nm. (b) optique image capturée par le biais de la hyperlens. Le petit objet dans le hyperlens est amplifiée et capturé. Les caractéristiques secondaires diffraction limitée sont résolus. (c) le long de la ligne pointillée rouge, le profil d’intensité transversales est mesuré. Les profils transversaux intensité montrent des séparations de 363 et 346 nm. (d) image de SEM d’un autre objet, avec trois points, 160, 170 et 180 nm de l’autre. (e), Optical image capturée par le biais de la hyperlens. (f) profil d’intensité transversales de la ligne pointillée rouge dans (e). Le profil transversal intensité montre une séparation de 333 nm. Les profils transversaux intensité correspondent au facteur de grossissement X 2.1 de la hyperlens. Ce chiffre a été modifié par refefence,17. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

La fabrication d’un hyperlens comporte trois étapes majeures : définissant la géométrie hémisphérique dans le substrat de quartz grâce à un processus de gravure humide, empiler les multicouches métalliques et diélectriques à l’aide d’un système d’évaporation électron faisceau et inscrivant le objet sur le calque de Cr. L’étape la plus importante est la deuxième, car il peut affecter considérablement la qualité de la hyperlens. Dans le procédé de dépôt de couche mince, il y a deux conditions qui nécessitent des soins spéciaux pour une image claire de Super-résolue. Empiler les multicouches de manière conforme est l’une des questions cruciales, comme le dépôt non-conforme de la multicouche conduit à une déviation de la forme sphérique parfaite. Si le dépôt n’est pas ralentir suffisamment, l’épaisseur du film au centre et qui au bord de la géométrie hémisphérique ont tendance à varier en raison de la nature angle d’évaporation par faisceau d’électrons. L’épaisseur du film spatialement différents donne lieu à grossissement spatialement dépendant et provoque une distorsion de l’image. Par conséquent, le taux de dépôt de film doit être aussi lente que possible (moins de 0,1 nm/s) pour atteindre une multicouche conforme.

Un autre facteur possible qui peut faire ressortir une image imparfaite est la rugosité de surface, car une surface rugueuse augmente la probabilité de diffusion de la lumière. Il a été signalé que l’inclusion d’une fine couche d’un matériau de haute surface d’énergie a un effet de mouillage, réduisant considérablement la percolation d’argent18. Ici, la couche de2 TiO fonctionne comme le matériel de mouillage. Argent déposé sur la couche de2 TiO a tendance à être plus plate que d’habitude. En outre, l’état de vide doit être inférieure à 10-7 Torr durant tout le processus de dépôt pour un même et lisses multicouches. Agglomération d’argent durant le faisceau électrons d'évaporation peut aussi rendre la surface rugueuse. Étant donné que l’agglomération est supprimée à basse température, les dépôts de films peuvent être effectuées en conditions cryogéniques, contrôlées par l’azote liquide. Après le dépôt de couche mince, nous avons examiné la rugosité de la surface de la structure fabriquée pour s’assurer que la surface lisse à l’aide d’AFM et a confirmé que la rugosité de la surface est inférieure à 1,5 nm.

Même si les trois conditions sont soigneusement contrôlées, une image parfaite est impossible à obtenir, même sous la fabrication idéale. Tout d’abord, comme avec n’importe quel autre système optique conventionnel, le système optique axée sur les hyperlens, qui comprend hyperlens et classique optique haute-NA, est soumis à des aberrations classiques, tels que les aberrations sphériques. En outre, même si des structures sphériques de la hyperlens aux imagerie bidimensionnelle Super-résolution sous une lumière non polarisée, la géométrie sphérique donne lieu à des aberrations. Par exemple, lorsque l’objet est composé de deux trous et une fente inscrits sur la couche de Cr, ils ne sont pas sur le même plan de l’objet. Par conséquent, un des objets peut être mise au point tandis que les autres ne le sont pas. Cette mise au point partielle provient aussi de la discordance de l’échantillon et l’axe optique de l’imagerie de haute-NA ultérieur. Outre cette résolution spatiale dépendante, flou supplémentaire est observée en raison de l’effet de la frange, qui découle de la cohérence résiduelle dans l’éclairage.

En outre, l’échec de l’approximation moyenne apparente limite la résolution. Pour les ondes dont le composant vecteur d’onde transverse est trop grand par rapport à la longueur d’onde vide, la longueur d’onde efficace dans l’hyperlens devient plus petit, et parfois il devient comparable à l’épaisseur du film. Par conséquent, une approximation moyenne effective n’est pas valide plus. La longueur d’onde efficace approche 2d, où d est l’épaisseur des couches, la courbe de dispersion s’écarte considérablement de la forme hyperbolique, et les vagues ne peut pas se propager. Ce qui limite la résolution au sein de 60 nm pour le système spécifique axée sur les hyperlens montré ici. Nous devons aussi mentionner que, bien que le hyperlens offre des images dans le champ lointain, l’objet devrait figurer dans un champ proche. Dans le cas contraire, les ondes évanescentes transportant des caractéristiques secondaires de diffraction ne peuvent atteindre le milieu hyperbolique.

En dépit des limites fondamentales à la résolution de la hyperlens, nous avons réussi à améliorer la qualité d’image en imitant la structure sphérique lisse et parfaite de la hyperlens. L’interface lisse assure une dispersion plus faible et moins distorsion de l’image, tandis que la structure conformationnelle réduit l’aberration spatiale-dépendante. En outre, comme l’imagerie Super-résolution utilisant hyperlenses provenance de la relation de dispersion extraordinaire, il est libre de l’utilisation de la fluorescence ou autres mécanismes compliqués, tels que la méthode stochastique. Par conséquent, un hyperlens ne nécessite pas de post-traitement et permet l’imagerie en temps réel. Aussi, elle n’implique pas des composants complexes expérimentales, travaillant comme un module optique qui peut facilement être intégré avec une configuration optique conventionnelle, comme l’a démontré. En outre, minces processus peut servir à une large gamme de matériaux, se cumule avec l’épaisseur contrôlable sur une échelle nanométrique. Par conséquent, un hyperlens travaillant à un régime de longueur d’onde différente peut être fabriqué à l’aide de différents matériaux.

Nous présentons ici le procédé de fabrication d’une hyperlens et sa configuration optique pour l’imagerie. Nous rapportons également expérimentalement des images de diffraction sous étiquette libres en temps réel à l’aide d’un système optique hyperlens. Puisque le hyperlens a une géométrie sphérique simple, il y a des autres degrés de liberté pour réduire les contraintes dans l’environnement d’imagerie. Par exemple, nous pouvons améliorer la praticité en adoptant une méthode de fabrication évolutive ou agrandir sa polyvalence en ajoutant des étapes supplémentaires pour la fabrication permettent à vitro applications d’imagerie. L’utilisation de hyperlenses permettra aux scientifiques d’observer la dynamique biophysique qui se produisent à l’échelle nanométrique en temps réel. Il peut être considéré comme la prochaine génération de la plate-forme d’imagerie de Super-résolution, destinés à diverses applications telles que la biologie, médecine et ingénierie matérielle.

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Disclosures

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier concurrentes.

Acknowledgements

Ce travail est soutenu financièrement par le programme de jeunes chercheurs (FRO-2015R1C1A1A02036464), programme Engineering Research Center (FRO-2015R1A5A1037668) et programme Global Frontier (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. reconnaissent le grade de docteur Global Bourses (FRO-2017H1A2A1043204, FRO-2017H1A2A1043322, FRO-2016H1A2A1906519) grâce à la subvention de la Fondation de recherche National de Corée (NRF) financé par le ministère de la Science, les TIC et les futur Planning (MSIP) du gouvernement coréen.

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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