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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-87013
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8701/


Resonant Hard X-ray Ptychography for High-Sensitivity Imaging with Chemical Contrast

Resonante Ptychography mit harter Röntgenstrahlung zur hochsensitiven Bildgebung mit chemischem Kontrast

Reinhardt, Juliane

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (38.766 KB) 


SWD-Schlagwörter: Ptychographie , Röntgenmikroskopie , Phasenproblem
Freie Schlagwörter (Englisch): ptychography , phase reconstruction , x-ray microscopy , high spatial resolution , beamstop
Basisklassifikation: 33.99
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schroer, Christian G. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.04.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 05.09.2017
Kurzfassung auf Englisch: For the detailed investigation of biological, chemical or physical processes on the nano scale, high-resolution imaging techniques are essential. For this purpose, the coherent imaging technique – X-ray ptychography – has been established in recent years. X-rays are particularly suitable due to their high penetration depth in matter which allows for a broad range of applications such as the investigation of samples in chemical reactors. Moreover, X-ray ptychography combined with resonant scattering provides chemical contrast to determine different elements or even different oxidation states in heterogeneous specimens.
In general, the spatial resolution and the sensitivity in ptychographic imaging are limited by the signal that is detected over noise and over background scattering in high scattering angles as well as by the stability of the microscope. However, establishing resonant hard X-ray ptychography as a tool for quantitative imaging requires not only high-resolution images but also a reliable phase retrieval process. This in turn, results in a consistent and reproducible reconstruction of the object function of the samples.
In this work, a detailed analysis of the reconstructions was accomplished, starting from a well-known and strongly scattering resolution chart to a weakly scattering model sample and finally to a real sample. With this hierarchical procedure, shortcomings of the ptychographic model were identified and compensated by setting additional constraints and extensions to the phase retrieval algorithm. Furthermore, both the sensitivity to small features as well as the spatial resolution were improved by using an opaque beamstop to suppress parasitic background scattering. In order to maintain the integrity of the values (quantitativeness) in the reconstruction, a double exposure scheme is necessary.
These steps provided the basis for the analysis of the chemical distribution of a catalyst model sample as well as of a platinum layer as it can be used in an oxygen sensor.
Kurzfassung auf Deutsch: Um detaillierte Kenntnisse über biologische, chemische oder physikalische Prozesse zu gewinnen, sind hochauflösende Bildgebungstechniken unverzichtbar. Hierfür hat sich in den letzten Jahren die kohärente Bildgebungsmethode Ptychography mit Röntgenstrahlung etabliert. Röntgenstrahlung zeichnet sich durch eine hohe Eindringtiefe in Materie aus, was die Untersuchung verschiedenartiger Proben in chemischen Reaktoren erlaubt. Darüberhinaus ist es möglich die Röntgenptychographie mit resonanter Streuung zu kombinieren und somit Informationen über verschiedene Elemente oder sogar über verschiedene Oxidationszustände in heterogenen Proben zu erhalten.
Im Prinzip ist die erreichbare Ortsauflösung und die Detektionsempfindlichkeit der ptychographischen Bildgebung durch die höchsten Streuwinkel, in denen noch verlässlich ein Streusignal der Probe gemessen werden kann sowie durch die Stabilität des Mikroskopes limitiert. Allerdings erfordert die erfolgreiche Nutzung von resonanter Ptychographie zur quantitativen Bildgebung nicht nur eine hohe Ortsauflösung, sondern ebenfalls einen zuverlässigen Phasenrekonstruktionsalgorithmus. Durch diesen sollen konsistente und reproduzierbare Rekonstruktionen der Objektfunktion der Proben gewährleistet werden.
Beginnend mit einer stark streuenden Standardprobe, über eine schwach streuende Modellprobe bis hin zu einer realistischen Probe wurde in dieser Arbeit eine genaue Analyse der Rekonstruktionsergebnisse durchgeführt. Durch diese hierarchische Vorgehensweise wurden Unzulänglichkeiten des ptychographischen Modells erkannt und durch zusätzliche Einschränkungen und Erweiterungen des Phasenrekonstruktionsalgorithmuses behoben. Zusätzlich wurde sowohl die Detektionsempfindlichkeit für kleine Probenstrukturen als auch die Ortsauflösung durch den Einsatz eines undurchlässigen Strahlabsorbers zur Reduktion
des parasitären Streuhintergrundes verbessert. Um die Richtigkeit der Rekonstruktionswerte sicherzustellen, ist eine Doppelbelichtung erforderlich.
All diese Schritte ermöglichten schlussendlich die Untersuchung der chemischen Verteilung einer Katalysatormodellprobe sowie einer Platinschicht, wie sie auch in Sauerstoffsensoren verwendet werden kann.

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