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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-91839
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9183/


Modeling and Manufacturing of Multilayer Laue Lenses for Highest Resolution X-ray Microscopy

Modellierung und Herstellung von Multischicht-Laue-Linsen für die höchstaufgelöste Röntgenmikroskopie

Kubec, Adam

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SWD-Schlagwörter: Röntgenlinse , Dünne Schicht , Beugung , Synchrotron , Röntgenoptik
Basisklassifikation: 33.60 , 33.18
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schroer, Christian G. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.01.2018
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 21.06.2018
Kurzfassung auf Englisch: X-ray microscopy is a technique bridging the gap between optical and electron microscopy. It permits investigations of the structure and composition of various samples with resolutions well below 100 nm. Depending on the sample this is also possible nondestructively and together with the measurement of depth information.
The focus of this doctoral project is the development and property calculations of multilayer Laue lenses (MLLs) for highest resolution X-ray measurements. MLLs are diffractive X-ray optics, which are suited for the use with hard X-ray photon energies of more than 5 keV, in particular. MLLs promise high efficiencies as well superior resolutions in this energy range.

MLLs focus X-rays according to the principle of a linear zone plate. Unlike these -generally electron-beam lithography produced- zone plates, the zone structure is formed by many thousands individually deposited thin layers. From this multilayer structure a lens segment is formed. For this purpose the multilayer is structured in order to achieve the desired geometry, which is the actual MLL. These structuring steps can be performed with a wafer saw, laser cutting and focused ion beam milling.
One MLL is a one-dimensional diffractive optical element; therefore two similar segments have to be combined for two-dimensional focusing. Knowledge of the results of the individual production steps is required to locate manufacturing faults or existing potential for improvements. For the evaluation of the results scanning electron microscopy and X-ray methods, such as X-ray diffraction, have been used in particular.
The intended main use of MLLs is the focusing in synchrotron radiation facilities; therefore measurements at beamlines can also be understood as a final performance test of the manufactured lenses. Focusing experiments were conducted at the synchrotron radiation sources PETRA III (Germany) and ESRF (France). The focusing properties were evaluated in terms of shape and intensity of the beam. Further experiments for measuring diffraction properties were carried out at the Advanced Photon Source (United States).

In order to understand the characteristics of the MLLs, properties of perfect and imperfect MLLs were calculated. This was done with the use of algorithms based mainly on the Beam Propagation Method and the Coupled Wave Theory. The calculation of the properties was made with emphasis on various material systems, the alignment of the lenses and possible manufacturing defects.

During the work on this thesis a method of measuring the bending of MLLs without a reference sample has been developed. The focal profile of the best manufactured MLLs shows a resolution below 25 nm with the largest efficiency and flux in focus yet achieved using MLLs.
Kurzfassung auf Deutsch: Röntgenmikroskopie ist eine vielversprechende Technik, welche die Lücke zwischen optischer und Elektronenmikroskopie schließt. Sie ermöglicht es, Untersuchungen der Struktur und der Zusammensetzung verschiedenartiger Proben mit Auflösungen deutlich unter 100 nm vorzunehmen. Je nach Probenbeschaffenheit ist dies zerstörungsfrei und zusammen mit der Ermittlung von Tiefeninformationen möglich. Der Schwerpunkt des hier beschriebenen Promotionsvorhabens ist der Entwicklung und die Berechnung der Eigenschaften von Multischicht Laue Linsen (MLL) für höchstaufgelöste Röntgenmessungen. Bei MLL handelt sich dabei um diffraktive Röntgenoptiken, welche insbesondere für die Nutzung mit harter Röntgenstrahlung mit einer Energie von mehr als 5 keV geeignet sind und in diesem Bereich höhere Effizienzen sowie gegenüber anderen Röntgenoptiken bessere Auflösungen versprechen. Im Rahmen des Promotionsverfahrens wurden insbesondere die Herstellung, Charakterisierung und Berechnung der Eigenschaften von MLL durchgeführt. Hierbei steht als Ziel die Anwendung von MLL als Fokussierungsoptik für Synchrotronstrahlanwendungen im Vordergrund.

MLL fokussieren Röntgenstrahlen nach dem Prinzip einer linearen Zonenplatte. Im Unterschied zu elektronenstrahllithografisch hergestellten Zonenplatten wird die Zonenstruktur durch eine Multischicht aus vielen tausend Einzelschichten erzeugt. Aus der so hergestellten Multischicht wird anschließend ein Linsensegment geformt, wobei die Beschichtung hierfür zunächst grob und anschließend fein strukturiert wird, um die gewünschte Geometrie zu erreichen. Diese Schritte können mit Laserschneiden und durch Abtrag mit einem fokussierten Ionenstrahl durchgeführt werden.
Da es sich bei einer so hergestellten MLL um ein eindimensional beugendes optisches Element handelt, müssen zwei vergleichbar hergestellte Segmente zu einer zweidimensional fokussierenden Optik kombiniert werden.
Die Charakterisierung der Ergebnisse der einzelnen Produktionsschritte ist dabei notwendig, um Herstellungsfehler bzw. vorhandenes Verbesserungspotential zu ermitteln; hierbei wurden insbesondere die Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenverfahren wie die Röntgendiffraktometrie eingesetzt.
Aufgrund der geplanten Anwendung für die Fokussierung von Röntgenstrahlen an Synchrotronstrahleinrichtungen ist der Einsatz als Optik an entsprechenden Strahlrohren auch als finaler Test einer hergestellten Linse zu verstehen. Entsprechende Experimente wurden an den Röntgenstrahlungsquellen PETRA III und ESRF durchgeführt. Hierbei wurden vor allem die Fokussierungseigenschaften in Bezug auf Form und Intensität des mit den Linsen fokussierten Linsenstrahles untersucht. Experimente zur Vermessung der Beugungseigenschaften wurden auch an der Advanced Photon Source durchgeführt.

Um die Eigenschaften der Linsen zu verstehen, wurden die Fokussierungseigenschaften von MLL berechnet. Dies erfolgte unter Nutzung von Algorithmen basierend auf der Coupled Wave Theory und der Beam Propagation Method.
Die Berechnung der Eigenschaften erfolgt insbesondere unter den Gesichtspunkten von verschiedenen Materialsystemen, der Einrichtung zur Fokussierung der Linsen und möglichen Herstellungsfehlern.

Während der Arbeit an diesem Promotionsvorhaben wurde eine Referenzprobenfreie Methode zur Messung der Verbiegung von MLL entwickelt. Aus dem Strahlprofil der besten hergestellten Linse ergibt sich eine Auflösung von besser als 25 nm; diese weist die höchste bisher mit MLL erreichte Effizienz auf und es konnte der bisher größte Fluss mit MLL erreicht werden.

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