La nouvelle recherche Illinois ECE fait progresser le domaine de la microscopie optique, donner au domaine un nouvel outil essentiel pour résoudre des problèmes difficiles dans de nombreux domaines de la science et de l'ingénierie, y compris l'inspection des tranches de semi-conducteurs, détection de nanoparticules, caractérisation des matériaux, biodétection, comptage de virus, et la surveillance microfluidique.

La question est souvent posée, « Pourquoi ne pouvons-nous pas voir ou détecter des objets à l'échelle nanométrique sous un microscope optique ? » Les réponses des manuels sont que leurs signaux relatifs sont faibles, et leur séparation est plus petite que la limite de résolution d'Abbe.

Cependant, l'équipe de recherche Illinois ECE, dirigé par le professeur Lynford L Goddard, Illinois ECE, avec le postdoctorant Jinlong Zhu, et Ph.D. étudiant Aditi Udupa, remet en question ces principes fondamentaux avec un tout nouveau cadre optique.

Leur travail, Publié dans Communication Nature ouvre de nouvelles portes à l'utilisation de la microscopie optique pour élucider les problèmes difficiles qui ont un impact sur notre vie quotidienne.

"Notre travail est important non seulement parce qu'il fait progresser la compréhension scientifique de l'imagerie optique, mais aussi parce qu'il permet aux chercheurs de visualiser directement des objets non étiquetés qui ont des séparations profondes sous la longueur d'onde. Nous pouvons voir la structure à l'échelle nanométrique sans effectuer de post-traitement d'image", a déclaré Goddard.

Les percées de l'équipe ont commencé en mai 2018 lorsque Zhu et Goddard sont tombés sur un résultat remarquable dans l'une de leurs simulations. "À l'époque, nous menions une étude théorique sur l'inspection des défauts des plaquettes et nous devions créer un outil de simulation pour modéliser la façon dont la lumière se propage à travers un système de microscope. Lorsque nous avons vu le résultat de la simulation pour l'une des configurations, nous étions assez confus par cela, " se souvient Goddard. " Nous avons travaillé jour et nuit pendant les trois mois suivants pour essayer de comprendre la physique qui se cache derrière. Une fois que nous avons développé une expression analytique sous forme fermée qui expliquait ce qui se passait, nous pourrions concevoir une expérience pour tester nos hypothèses."

Cependant, il faudrait encore cinq mois d'essais et d'erreurs pour apprendre à construire et à aligner le système optique de telle sorte que la configuration expérimentale reproduise les hypothèses du modèle. Pendant ce temps, Mme Udupa a fabriqué des échantillons de test appropriés au laboratoire de micro et nanotechnologie d'Holonyak et au laboratoire de recherche sur les matériaux avec l'aide du Dr Edmond Chow et du Dr Tao Shang. En janvier 2019, l'équipe a finalement réalisé les conditions expérimentales nécessaires et a directement visualisé leur premier ensemble d'objets de sous-longueur d'onde profonde.

"L'utilisation d'un microscope optique standard pour visualiser des objets nanométriques est extrêmement difficile non seulement à cause de la barrière de diffraction, mais aussi le signal faible, " a déclaré Zhu. "Notre expérience a dû utiliser deux concepts physiques nouveaux et intéressants, excitation antisymétrique et amplification sans résonance, pour augmenter le rapport signal/bruit des objets nanométriques."

L'équipe a démontré que la technique peut détecter à la fois des objets nanométriques de forme libre et de forme fixe sur un large champ de vision (726-μm × 582-μm) à l'aide d'un objectif à faible ouverture numérique (0,4 NA). Zhu explique, "Nous avons eu beaucoup de chance que certains des nanofils de notre échantillon de test montré ci-dessus aient des imperfections de fabrication. Cela nous a permis de démontrer la visualisation de défauts inférieurs à 20 nm dans une puce semi-conductrice. À l'avenir, on peut également appliquer notre méthode pour la détection visualisable d'objets biologiques (par exemple, virus ou clusters de molécules) en choisissant des nanofils avec une géométrie optimisée et un indice de réfraction approprié et en modelant des groupes fonctionnels autour des nanofils. Une fois les analytes cibles piégés, ils agissent comme des objets qui peuvent être directement visualisés à partir des images optiques."