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Dissertation

Autor(en): Stephan Werner
Titel: Theoretische Untersuchungen und experimentelle Methoden zur Realisierung von Volumenzonenplatten für die Röntgenmikroskopie
Gutachter: G. Schneider; O. Benson; G. Schmahl
Erscheinungsdatum: 22.11.2010
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-100178913)
Fachgebiet(e): Physik
Schlagwörter (ger): Röntgenmikroskopie, Zonenplatte, Beugungseffizienz, Nanotechnologie
Schlagwörter (eng): X-ray microscopy, zone plate, diffraction efficiency, nanotechnology
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Lizenz: Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Keine Bearbeitung (CC BY NC ND)
Zitationshinweis: Werner, Stephan: Theoretische Untersuchungen und experimentelle Methoden zur Realisierung von Volumenzonenplatten für die Röntgenmikroskopie; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 22.11.2010, urn:nbn:de:kobv:11-100178913
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Abstract (ger):
In dieser Arbeit werden elektrodynamische Untersuchungen von diffraktiven Röntgenoptiken mit hohen Aspektverhältnissen - sog. Volumenzonenplatten - für hochauflösende Röntgenmikroskopie im Photonenenergiebereich von 0.1-10 keV behandelt. Des Weiteren werden Verfahren zur Realisierung solcher Optiken dargestellt. Das Auflösungsvermögen von Röntgenmikroskopen ist weitgehend durch die numerische Apertur der verwendeten Objektive bestimmt. Die Apertur hängt von der äußeren Zonenbreite der Zonenplatte und der gewählten Beugungsordnung ab. Eine Auflösungssteigerung kann nur durch Verringerung der äußeren Zonenbreiten oder Abbildung in hohen Ordnungen erzielt werden. Neben hoher Ortsauflösung ist ein hinreichender Beugungswirkungsgrad die Grundlage für röntgenmikroskopische Abbildungen. Elektrodynamische Rechnungen zeigen, dass geneigte Zonenstrukturen mit hohen Aspektverhältnissen zum signifikanten Anstieg der Effizienz in hohen Beugungsordnungen führen. Diese Volumenbeugungseffekte an Zonenplatten werden mit Hilfe der rigorosen Theorie gekoppelter Wellen untersucht. Praktisch können dreidimensionale, geneigte Nanostrukturen aufgrund der extremen nanotechnologischen Anforderungen nur durch Approximierung des Neigungswinkels realisiert werden. Zur Herstellung von Zonenplatten mit hohen Aspektverhältnissen und geneigten Zonen wird ein sog. Stack-Prozess eingeführt, der auf der Überlagerung von einzelnen Zonenplattenlagen basiert. Um den Neigungswinkel der Zonen anzunähern, werden die Zonenradien dabei mit jeder Lage verringert. Die erfolgreiche Realisierung der erforderlichen Nanotechnologien führt erstmalig zur Herstellung von Multi-Lagen-Zonenplatten mit minimalen Zonenbreiten bis zu 25 nm. Multi-Lagen- und Volumenzonenplatten bieten zukünftig das Potential für gesteigerte Auflösungsvermögen im sub-10 nm Bereich für die Mikroskopie im weichen Röntgenbereich und für die Fokussierung von harter Röntgenstrahlung auf bis zu 20 nm bei gleichzeitig hohen Beugungseffizienzen.
Abstract (eng):
In this thesis, electrodynamical calculations of diffractive x-ray optics with high aspect ratios – so-called volume zone plates – for high resolution x-ray microscopy in the photon energy range from 0.1 - 10 keV are presented. In addition, methods for the realization of this optics are described. The resolution of an x-ray microscope is limited by the numerical aperture of the objective. Thereby the aperture depends on the outermost zone width of the zone plate and the diffraction order which is used for imaging. Hence, the resolution can only be increased by decreasing the minimum zone width or imaging in high orders of diffraction. Besides the resolving power, the diffraction efficiency needs to be sufficiently high for zone plate based x-ray microscopy. Electrodynamical calculations show that tilted zone structures with high aspect ratios significantly increase the diffraction efficiency in selected high orders. These volume diffraction effects on zone plates were investigated by the rigorous coupled wave theory. Due to very high nanotechnological requirements, such three-dimensional, tilted nanostructures can only be realized by multiple-step zone plates. For the fabrication of zone plates with high aspect ratios and tilted zones the so-called stack process is introduced in this thesis, which is based on a superposition of single zone plate layers. For an approximation of the tilt angle of the structures the zone radii are thereby decreased with each layer. For the first time multilayer zone plates with minimum zone widths down to 25 nm were fabricated by the successful realization of the stack process in this thesis. In the future, multilayer and volume zone plates have the potential for an increased spatial resolution in the sub-10 nm range for soft x-ray microscopy and for focusing hard x-rays down to 20 nm with high diffraction efficiencies.
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