dc.contributor.advisor | Salditt, Tim Prof. Dr. | |
dc.contributor.author | Hoffmann-Urlaub, Sarah | |
dc.date.accessioned | 2017-04-28T08:20:32Z | |
dc.date.available | 2017-04-28T08:20:32Z | |
dc.date.issued | 2017-04-28 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0023-3E2F-9 | |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6224 | |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6224 | |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6224 | |
dc.language.iso | eng | de |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ | |
dc.subject.ddc | 530 | de |
dc.title | X-ray waveguide optics: Beyond straight channels | de |
dc.type | cumulativeThesis | de |
dc.contributor.referee | Salditt, Tim Prof. Dr. | |
dc.date.examination | 2016-10-18 | |
dc.subject.gok | Physik (PPN621336750) | de |
dc.description.abstractger | Moderne Röntgenquellen und Analyseverfahren wie zum Beispiel bei der linsenlosen Bildgebung erlauben es in Kombination mit Algorithmen zur Phasenrekonstruktion nanoskalige Strukturen aufzulösen. Zu diesem Zweck sind Optiken erforderlich, die sowohl kleine Fokusgrößen als auch hohe Photonendichten bereitstellen. Des Weiteren muss die Wellenfront hinter dem optischen Element glatt sein, um eine hochauflösende Bildgebung zu ermöglichen. Röntgenwellenleiter (x-ray waveguides) vereinen alle diese Eigenschaften auf sich, da die Intensitätsverteilung in zwei Dimensionen beschränkt ist und somit eine sekundäre quasi-Punktquelle ohne Wellenfrontaberrationen entsteht, die gleichzeitig eine hohe Divergenz aufweist, die sich hervorragend zur Abbildung kleiner Strukturgrößen eignet. Zu betonen ist, dass die durch den Wellenleiter modulierte Strahlung einen hohen Kohärenzgrad aufweist, der Voraussetzung für viele Bildgebungstechniken ist. Der Wellenleiter an sich besteht aus einem luftgefüllten Kanal, der in eine Festkörpermatix eingebettet ist; typische Materialien sind hier Silizium, Germanium oder Quarz. Während die Eintrittsfläche des Kanals nanoskalig ist, beläuft sich seine Länge auf mehrere Millimeter, so dass die Fabrikation durch das große Aspektverhältnis besonders herausfordernd ist. Da die Funktionsweise von Röntgenwellenleitern auf der Totalreflektion im Bereich kleiner Winkel basiert, ist die Oberflächenrauigkeit der Kanalwände von entscheidender Bedeutung und muss gering ausfallen, um Streuprozesse und somit Intensitätsverlust zu vermeiden. Um diese anspruchsvollen Vorgaben zu erfüllen, wurde in dieser Dissertation der Herstellungsprozess optimiert, der die Schritte Belacken, Elektronenstrahllithographie, Nassentwicklung, reaktives Ionenätzen und Waferbonding beinhaltet. Um tiefere Einblicke in das Prinzip der Wellenleitung zu erhalten, werden Simulationen mit finiten Differenzen herangezogen, die darüber hinaus dazu herangezogen werden können anspruchsvolle Designs wie Gittern, Trichtern, Krümmungen oder Strahlteilern zu generieren, mit denen sich neuartige Röntgen-Werkzeuge für zeitversetzte Messungen oder Interferometrie konstruieren lassen. Wellenleiter in allen angeführten Geometrien wurden an Synchrotron-Strahlungsquellen charakterisiert, wobei neue Maßstäbe in Bezug auf die optische Leistungsfähigkeit gesetzt werden konnten. Bei der Messung propagiert der den Kanal verlassende Röntgenstrahl in Richtung eines Pixeldetektors im Fernfeld. Aus den dort gemessenen Daten kann die Intensitätsverteilung im Nahfeld direkt am Wellenleiterausgang rekonstruiert werden. Die gewonnenen Resultate weisen dabei eine herausragende Übereinstimmung mit den Simulationen und den elektronenmikroskopischen Aufnahmen auf. Da sich das Strahlungsfeld von Röntgenwellenleitern sehr gut determinieren lässt, kann es nicht nur an die Anforderungen des Messaufbaus sondern auch simultan an die Probe angepasst werden, so dass ein breites Spektrum an Anwendungen in der kohärenten Röntgenbildgebung zugänglich ist. | de |
dc.description.abstracteng | Modern x-ray sources and analysis techniques such as lens less imaging combined
with phase retrieval algorithms allow for resolving structure sizes in the nanometerrange.
For this purpose optics have to be employed, ensuring small focal spot dimensions
simultaneously with high photon densities. Furthermore, the wave front behind
the optics is required to be smooth enabling for high-resolution imaging. Combining
all these properties, x-ray waveguides are well suited to perform this task, since
the intensity distribution behind the guide is restricted in two dimensions serving as
a secondary quasi point-source without wave-front aberrations, showing also a high
divergence, suitable for resolving fine features. Importantly, the radiation provided by
the waveguide reveals a high degree of coherence, required by many imaging techniques.
The waveguide itself consists of an air-filled channel embedded in a solid matrix;
typical materials are silicon, germanium or quartz. While the entrance area is
nano-sized, the channel length is in the millimeter-range, this way posing challenges
to fabricate high aspect ratio geometries. Since the functioning of x-ray waveguides
is based on the total reflection at small incident angles, the surface roughness of the
channel walls must be as low as possible to avoid scattering and hence loss of intensity.
To fulfill these demanding conditions, a process scheme involving spin-coating,
electron beam lithography, wet development, reactive ion etching and wafer bonding
is optimizedwithin thiswork. To gain deeper insights into the principle of waveguiding
finite difference simulations are performed, also opening access for advanced design
considerations such as gratings, tapered and curved channels, or beamsplitters, enabling
for constructing novel x-ray tool as for example time delay devices or interferometers.
Waveguides in all geometries are tested at synchrotron sources, accomplishing
new benchmarks in x-ray optical performance. Here, the x-ray beam leaving the channel,
propagates out to a pixel array detector in the far-field region. From the recorded
data the intensity distribution in the near-field directly behind the waveguide is reconstructed,
revealing an outstanding agreement with the simulations and electron
micrographs. Since the radiation field of the waveguide is well-characterized and also
tunable to meet the requirements of both the measurement setup and the sample, they
are suited of a broad field of applications in coherent x-ray imaging. | de |
dc.contributor.coReferee | Krebs, Hans-Ulrich Prof. Dr. | |
dc.subject.ger | Röntgenwellenleiter | de |
dc.subject.ger | Kohärenz | de |
dc.subject.ger | Röntenbildgebung | de |
dc.subject.ger | Elektronenstrahllithographie | de |
dc.subject.ger | Reaktives Ionenätzen | de |
dc.subject.ger | Waferbonding | de |
dc.subject.ger | Optischer Vortex | de |
dc.subject.ger | Strahlteiler | de |
dc.subject.ger | Phasenrekonstruktion | de |
dc.subject.ger | Finite Differenzen Simulation | de |
dc.subject.ger | Belacken | de |
dc.subject.eng | x-ray waveguide | de |
dc.subject.eng | Coherence | de |
dc.subject.eng | Wafer bonding | de |
dc.subject.eng | Electronbeam lithography | de |
dc.subject.eng | Reactive ion etching | de |
dc.subject.eng | X-ray imaging | de |
dc.subject.eng | Phase retrieval | de |
dc.subject.eng | Optical vortex | de |
dc.subject.eng | Beamsplitter | de |
dc.subject.eng | Nanobeam | de |
dc.subject.eng | Finite difference simulation | de |
dc.subject.eng | Advanced channel geometries | de |
dc.subject.eng | spin-coating | de |
dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0023-3E2F-9-7 | |
dc.affiliation.institute | Fakultät für Physik | de |
dc.identifier.ppn | 885276213 | |