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新发现可推动光学显微镜的发展

作者:光行天下小萌新译 来源:物理学家组织网 时间:2020-06-06 17:27 阅读:199 [投稿]
伊利诺伊大学香槟分校的新研究正在推动光学显微镜领域的发展,为该领域提供了一个关键的新工具,以解决科学和工程的许多领域的挑战性问题,包括半导体晶圆检测、纳米颗粒传感、材料表征、生物传感、病毒计数和微流体监测。

伊利诺伊大学香槟分校的新研究正在推动光学显微镜领域的发展,为该领域提供了一个关键的新工具,以解决科学和工程的许多领域的挑战性问题,包括半导体晶圆检测、纳米颗粒传感、材料表征、生物传感、病毒计数和微流体监测。

经常有人问:"为什么我们在光学显微镜下看不到或感应不到纳米级物体?" 教科书上的答案是,它们的相对信号很弱,而且它们的分离度小于Abbe的分辨率极限。

然而,由伊利诺伊大学教授Lynford L Goddard领导的研究团队,包括博士后Jinlong Zhu和博士生Aditi Udupa,正在用一个全新的光学框架挑战这些原则。


单个纳米线及其制造缺陷的实验可视化。

他们的工作发表在《Nature Communications》上,为利用光学显微镜揭开影响我们日常生活的难题打开了新的大门。

"我们的工作意义重大,不仅因为它推进了对光学成像的科学理解,还因为它使研究人员能够直接可视化具有深度亚波长分离的未标记物体。我们可以在不进行任何图像后处理的情况下看到纳米级的结构 "Goddard说。

该团队的突破始于2018年5月,当时Zhu和Goddard在一次模拟中偶然发现了一个显著的结果。"当时,我们正在进行晶圆缺陷检测的理论研究,需要建立一个模拟工具来模拟光如何在显微镜系统中传播。当我们看到其中一个配置的模拟结果时,我们感到相当困惑。"Goddard回忆说。"在接下来的三个月里,我们试图理解它背后的物理学。一旦我们开发出一个闭合形式的分析表达式来解释发生了什么,我们就可以设计一个实验来测试我们的假设。"

然而,还需要5个月的试错,才能学会如何构建和对准光学系统,使实验配置复制模型假设。与此同时,Udupa女士在Edmond Chow博士和Tao Shang博士的协助下,在Holonyak微纳米技术实验室和材料研究实验室都制作了合适的测试样品。2019年1月,团队终于实现了必要的实验条件,并直接可视化了他们的第一组深亚波长物体。

"使用标准的光学显微镜来可视化纳米物体是非常具有挑战性的,不仅因为衍射障碍,而且信号也很弱。"Zhu说。"我们的实验必须利用反对称激发和非共振放大这两个新的有趣的物理概念来提升纳米级物体的信噪比。"

该团队证明了该技术可以利用低数值孔径物镜(0.4 NA)在宽视场(726-μm×582-μm)内感知自由形态和固定形态的纳米级物体。Zhu解释说:"我们相当幸运,测试样品上的一些纳米线有制造缺陷,这使我们能够证明在半导体芯片中20纳米以下缺陷的可视化。在未来,人们也可以应用我们的方法,通过选择纳米线与优化的几何形状和适当的折射率和图案化的纳米线周围的官能团的生物对象(例如,病毒或分子簇)的可视化传感。一旦目标分析物被捕获,它们就会作为可直接从光学图像中可视化的对象。"

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