X-ray waveguide optics: Beyond straight channels

Hoffmann-Urlaub, Sarah

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

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