科学与工程问题解决光学显微镜的进步

新伊利诺斯州ECE研究推进领域的光学显微镜,给该领域一个重要的新工具去解决挑战性的问题在许多科学与工程领域包括半导体晶片检查、纳米传感、材料特性、若、病毒计数,微流控监控。

问题是经常问,“为什么我们不能看到或感觉到光显微镜下纳米对象?“教材的答案是,他们的相对信号弱,和他们分离小于阿贝的分辨率极限。

然而,伊利诺斯州ECE研究小组,由伊利诺伊州ECE教授Lynford L戈达德,随着博士后金龙朱,和博士生Aditi Udupa挑战这些基石原则和一个全新的光学框架。

他们的工作,发表在《自然通讯打开新的大门使用光学显微镜来解开难题,影响我们的日常生活。

“我们的工作意义重大,不仅因为它进步的科学理解光学成像,还因为它使研究人员能够直接可视化标记有很深的sub-wavelength分离的对象。我们可以看到纳米结构没有执行任何图像后处理”戈达德说。

团队的突破始于2018年5月,朱镕基和戈达德偶然发现了一个很惊人的结果在一个模拟。“当时,我们进行理论研究晶圆缺陷检查,需要构建一个仿真工具模型如何通过显微镜光传播系统。当我们看到仿真结果的配置,我们很困惑,”戈达德回忆说。“我们日夜工作接下来的三个月试图理解其背后的物理学。一旦我们开发了一个封闭的形式解析表达式解释发生了什么,我们可以设计一个实验来测试我们的假设。”

然而,需要另一个五个月的试验和错误,学习如何构建和调整光学系统,使实验配置复制模型的假设。同时,女士Udupa制作合适的测试样品霍罗姆雅克微观和纳米技术实验室和材料研究实验室的协助下爱德蒙Chow博士和道商。2019年1月,球队终于意识到必要的实验条件和直接可视化第一组深sub-wavelength对象。

“使用一个标准的光学显微镜来可视化nanometric对象不仅是极具挑战性,因为衍射障碍,但也微弱信号,”朱说。“我们的实验必须使用两个新的和有趣的物理概念,反对称励磁和non-resonance放大,提高信噪比的纳米级对象。”

实验可视化的个体纳米线及其和制造缺陷。新的和传统的光学显微镜方法标记(EC)和(EC),分别。

团队展示了技术能感觉到自由和固定形式纳米对象在一个宽的视野(726 -μm×582 -μm)使用一个低数值孔径物镜(0.4 NA)。朱解释说,“我们很幸运,一些上面所示的纳米线在我们的测试样品的制造缺陷。这允许我们来演示sub-20纳米缺陷的可视化在半导体芯片。在未来,我们也可以运用一个方法visualizable传感生物对象(例如,病毒或分子群)通过选择与优化纳米线几何和适当的折射率和模式官能团在纳米线。一旦目标分析物被困,他们作为对象,可能是直接从光学图像可视化。”

参考
朱,J。Udupa, a &戈达德,L.L. Visualizable检测纳米尺度物体用反对称励磁和non-resonance放大。Nat Commun 2754 (2020)。https://doi.org/10.1038/s41467 - 020 - 16610 - 0。

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