X-ray ptychography with multiple beams

QC 2025-02-27

Abstract

Framtiden för röntgenptykografi, en koherent diffraktionsavbildningsteknik, ser lovande ut, med rekordupplösning och ökad experimentell effektivitet på studier av prover som blir alltmer komplexa. Detta möjliggörs av sofistikerade avbildningsmetoder som kombinerar optimerad hårdvara, mjukvara och procedurer.

I denna avhandling behandlas flera aspekter av ett framgångsrikt röntgenptykografiexperiment, där mångsidighet och effektivitet uppnås genom implementeringen av flera strålar. 

Utgångspunkten är detaljerad kunskap omnanofabricering, där produktionen av fokuserande röntgenoptik diskuteras. Specifikt utvecklades en direkt-skrivning litografisk process, vars detaljer beskrivs med särskild betoning på elektronstrålitografi vid 50 kV accelerationsspänning på kemiskt semi-amplifierad resist. Denna process är mångsidig och precis, vilket i slutändan möjliggör tillverkningen av Fresnel-zonplattor (FZP). 

Avhandlingen berättar sen om tillämpningen av flera FZP:er parallellt, som används för att generera flera röntgenstrålar för att utföra röntgenptykografi. Särskilt undersöks nya utvidgningar av den standardiserade ptychografiska metoden. 

Forskningen kring multi-stråle röntgenptykografi inleddes med tätt placerade FZP:er, arrangerade i en linjär matris på samma chip, vilket emulerade och avancerade tidigare forskning inom ämnet och visade att den egenproducerade hårdvaran var redo för mer sofistikerade experiment. Mest anmärkningsvärt var att FZP:erna var så nära som 48 μm från varandra, och upp till tre strålar användes samtidigt, vilket utökade det avbildade synfältet (FOV) med en faktor av tre. 

Nästa steg var att introducera en ny uppställning, som främjar konceptet adaptivitet inom ramen för multi-stråle röntgenptykografi tack vare FZP:er som är staplade och motoriserade. Möjligheten att flytta den fokuserande optiken mellan mätningar gav uppställningen en oöverträffad mångsidighet. Optiken behövde inte omdesignas för varje ny iteration av experimentet, provändring eller detektorsinställning. Det räckte med att använda de respektive motorerna och justera avståndet mellan optiken för de nya mätningarna. Nanokristallkluster av guld avbildades med en mängd olika strålavstånd, vilket möjliggjorde avbildning över lika fördelade områden på provet och utökade FOV med en faktor av två. 

Framgången med denna setup ledde till dess implementation i mer komplicerade mätningar, vilket slutligen resulterade i demonstrationen av samtidig multi-stråle och multi-slice ptykografi – dessa två hade aldrig varit andvända tillsammans tidigare. Två-lagers prover avbildades, med ett avstånd mellan lagren som varierade från 1400 μm ner till 100 μm, utan kompromiss i upplösning jämfört med enstråle ptykografiska mätningar. 

Slutligen kombinerades den fokuserande effekten av FZP:er med reflektion från specialdesignade speglar för att ge en vinklad perspektiv på proverna i ett nytt röntgenstereosynexperiment. Här kunde djupupplösningen på ett flerlagersprov förbättras från flera μm ner till 300 nm, återigen utan kompromiss på upplösningen jämfört med enstråle ptykografi.

För alla dessa tillvägagångssätt till röntgenptykografi finns det en viktig implikation: prover som är större i alla tre dimensioner kan mer lätt adresseras. Faktum är att optimerad multi-stråle röntgenptykografi utnyttjar mer koherent flöde från röntgenkällan, vilket distribuerar fler fotoner på provet och samlar in mer data över ett större synfält under samma experimenttid. Dessutom, tack vare multi-slicing och stereosyn, kan djupupplösningsaspekten adresseras samtidigt.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-360505