2020年6月12日消息,新伊利诺伊州欧洲经委会项目组的一个新研究正在推进光学显微镜技术,并为该领域提供了一个关键的新工具,以解决许多科学和工程领域的挑战性问题,包括半导体晶圆检测、纳米颗粒传感、材料表征、生物传感、病毒计数和微流控监测。


人们经常问这样一个问题:“为什么我们在光学显微镜下看不到或感觉不到纳米级的物体?”教科书上的答案是,它们的相对信号很弱,它们的分离度小于阿贝的分辨率极限。


然而,由Lynford L Goddard教授领导的研究小组,连同小组内的博士后Jinlong Zhu和博士生Aditi Udupa,正在用一个全新的光学框架挑战这些基石原则。


他们的工作发表在《自然通讯Nature Communications》杂志上,为利用光学显微镜解决影响我们日常生活的难题打开了新的大门。


科学家开拓光学显微镜新用途,以解决许多研究和应用的问题


“我们的工作意义重大,不仅因为它促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亚波长分离的未标记物体。”Goddard说:“我们可以在不进行任何图像后处理的情况下看到纳米级结构。”


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通过显微镜系统传播。当我们看到其中一种配置的模拟结果时,我们非常困惑,接下来的三个月里,我们日以继夜地工作,试图了解背后的物理原理。一旦我们开发出一个封闭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检验我们的假设。”


然而,还需要5个月的反复试验才能学会如何构建和校准光学系统,从而使实验配置复制模型假设。同时,Udupa女士在Holonyak微纳米技术实验室和材料研究实验室,在Edmond Chow博士和Tao Shang博士的协助下,制作了合适的测试样品。2019年1月,研究小组最终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。


“使用一个标准的光学显微镜来观察纳米物体是非常有挑战性的,不仅因为衍射屏障,而且还因为微弱的信号,”Zhu说,“我们的实验必须利用两个新的有趣的物理概念,即反对称激发和非共振放大,来提高纳米物体的信噪比。”


研究小组证明,利用低数值孔径物镜(0.4 NA),该技术可以在大视场(726μm×582μm)范围内感知自由形式和固定形式的纳米物体。Zhu解释道:“我们很幸运,上面所示的测试样品上的一些纳米线存在制造缺陷。这使我们能够演示半导体芯片中20纳米以下缺陷的可视化。在未来,人们还可以通过选择具有优化几何结构和适当折射率的纳米线以及纳米线周围的图案化官能团,将我们的方法应用于生物物体(例如病毒或分子簇)的可视化传感。一旦目标分析物被捕获,它们就充当可从光学图像直接看到的物体。”


关于光学显微镜


光学显微镜(英文Optical Microscope,简写OM)是利用光学原理,把人眼所不能分辨的微小物体放大成像,以供人们提取微细结构信息的光学仪器。普通光学显微镜是看不到1纳米的。

文章来源: 实验帮

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