Magnetic sector deflector aberration properties for low- energy electron microscopy

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Development of a Primary Ion Column for Mass Spectrometry-Based Surface Analysis

Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is a powerful technique for high spatial resolution chemical mapping and characterization of native surfaces. The use of massive cluster projectiles has been shown to extend the applicable mass range of SIMS and improve secondary ion yields 100 fold or beyond. These large projectiles however, present a challenge in terms of focusing due to the initial spatial and kinetic energy spreads inherent to their generation. In the present work, we describe the development and construction of a novel primary ion (PI) column employing a gold nanoparticle – liquid metal ion source (AuNP-LMIS) and the coupling to ultrahigh resolution mass spectrometers (e.g., Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer, FT-ICR MS) for accurate chemical characterization of complex biological surfaces. This work describes the ion dynamics, development and the experimental characterization of the AuNP-LMIS

Development of an innovative metrology technique for freeform optics based on a modified Talbot-wavefront-sensor

Die Leistungsfähigkeit hochpräziser optischer Systeme mit sphärischer Optik ist im Allgemeinen durch Aberrationen begrenzt. Durch die Verwendung asphärischer und Freiform-Optiken können die geometrischen Aberrationen reduziert oder beseitigt werden. Gleichzeitig können die erforderliche Anzahl von Komponenten, die Größe und das Gewicht des Systems reduziert werden. Heutzutage existieren neue Produktionstechniken, die die Herstellung hochpräziser Freiformflächen ermöglichen. Eine geeignete Messtechnik (universell, hochgenau, berührungslos, kostengünstig und schnell/echtzeitfähig) ist jedoch der Schlüssel für die Herstellung, Entwicklung und Anwendung dieser Oberflächen. Diese Arbeit beschreibt die Ableitung, Implementierung und Erprobung eines neuen Wellenfront-Messprinzips für Freiformoptik. Eine der wichtigsten Eigenschaften des vorgestellten Wellenfrontsensors ist die Möglichkeit der gleichzeitigen Charakterisierung der Freiform im Transmissions- und Reflexionsmodus. Der neuartige Wellenfrontsensor basiert auf der Beugungstheorie und der Fourier-Analyse mit einem modifizierten Winkelspektrum-Propagator. Aus experimenteller Sicht wird die Ausbreitung einer Wellenfront hinter einem zweidimensionalen Gitter beobachtet. Dann wird ein universelles Verfahren verwendet, um den Phasengradienten direkt aus einem aufgezeichneten Intensitätsbild zu extrahieren. Hierzu wird die Intensitätsverteilung im Spektralbereich analysiert und die Verarbeitung durch eine entsprechende Zerlegung des Propagatorkerns vereinfacht. Diese Methode funktioniert für beliebige Abstände hinter dem Gitter. Unsere neue Formulierung wurde durch zahlreiche Simulationen getestet. Die von einer Freiformfläche erzeugte Wellenfront wird nach der neuen Methode gemessen und mit Messergebnissen eines handelsüblichen Shack-Hartmann-Sensors verglichen. Für die Messung reflektierender Oberflächen wurde der vorgestellte Aufbau leicht modifiziert. Somit können alle optischen Elemente auf einer optischen Achse platziert werden, ohne dass eine Verschattung zwischen der Beleuchtung und der Messeinheit auftritt. Das Fehlen einer seitlichen Beleuchtung oder eines Strahlteilers sowie die Möglichkeit der Verwendung einer partiell kohärenten Beleuchtung sind die Hauptmerkmale des im Rahmen dieser Dissertation erforschten Messsystems.The performance of high-precision optical systems with spherical optics is generally limited by aberrations. By using aspheric and free-form optics, the geometric aberrations can be reduced or eliminated. Meanwhile, the required number of components, size, and weight of the system can be reduced. Nowadays, new production techniques that enable the fabrication of high-precision free-form surfaces exist. However, suitable metrology (universal, highly accurate, contactless, non-expensive and fast/realtime) is the key to the production, development and application of these surfaces. This work describes the derivation, implementation and testing of a new wavefront measuring principle for freeform optics. One of the most relevant features of the presented wavefront sensor is the possibility for simultaneous characterization of the freeform element in transmission and reflection modes. The novel wavefront sensor is based on diffraction theory and Fourier analysis with a modified angular spectrum propagator. From an experimental point of view, the propagation of a wavefront behind a two-dimensional grating is observed. Then, a universal method to extract the phase gradient directly from a recorded intensity image is utilized. For this purpose, the intensity distribution in the spectral range is analyzed and the processing is simplified by a corresponding decomposition of the propagator core. This method works for arbitrary distances behind the grating. Our new formulation is tested by numerous simulations. The wavefront generated by a free-form surface is measured by the new method and compared successfully with the result of a measurement with a commercial Shack-Hartmann sensor. For the measurement of reflecting surfaces, the presented setup for transmitting optical elements is slightly modified. Thus, all optical elements can be placed on a single optical axis without shading between the illumination and the measuring unit. The absence of a side illumination or a conventional beam splitter as well as the use of a partially coherent illumination are the main features of this part of the dissertation

Liquid Crystal on Silicon Devices: Modeling and Advanced Spatial Light Modulation Applications

Liquid Crystal on Silicon (LCoS) has become one of the most widespread technologies for spatial light modulation in optics and photonics applications. These reflective microdisplays are composed of a high-performance silicon complementary metal oxide semiconductor (CMOS) backplane, which controls the light-modulating properties of the liquid crystal layer. State-of-the-art LCoS microdisplays may exhibit a very small pixel pitch (below 4 ?m), a very large number of pixels (resolutions larger than 4K), and high fill factors (larger than 90%). They modulate illumination sources covering the UV, visible, and far IR. LCoS are used not only as displays but also as polarization, amplitude, and phase-only spatial light modulators, where they achieve full phase modulation. Due to their excellent modulating properties and high degree of flexibility, they are found in all sorts of spatial light modulation applications, such as in LCOS-based display systems for augmented and virtual reality, true holographic displays, digital holography, diffractive optical elements, superresolution optical systems, beam-steering devices, holographic optical traps, and quantum optical computing. In order to fulfil the requirements in this extensive range of applications, specific models and characterization techniques are proposed. These devices may exhibit a number of degradation effects such as interpixel cross-talk and fringing field, and time flicker, which may also depend on the analog or digital backplane of the corresponding LCoS device. The use of appropriate characterization and compensation techniques is then necessary

Development of Computer Aided Technique for the Identification of Selected Herbal Drugs

Not availabl

Near Field Electron Ptychography

Phase imaging in the Transmission Electron Microscope (TEM) has a long history, from the implementation of off-axis holography in TEM to Differential Phase Contrast (DPC) on the Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). The advent of modern computing has enabled the development of iterative algorithms which attempt to recover a phase image of a specimen from measurements of the way it diffracts an incident electron beam. One of the most successful of these iterative methods is focused probe ptychography, which relies on far field diffraction pattern measurements recorded as the incident beam is scanned through a grid of locations across the specimen. Focused probe ptychography implemented in the STEM has provided the highest resolution images available to date, allows for lens-less setups avoiding the aberrations typical in older STEMs and allows for simultaneous reconstruction of the illumination and specimen. Ptychography is computationally flexible (highly constrained), allowing for additional unknowns other than the phase of the specimen to be recovered, for example positions can be refined during reconstruction. Near field ptychography is a recent variation on ptychography that replaces the far-field diffraction data with diffraction patterns recorded in the near field, or Fresnel, region. It promises to obtain a much larger field of view with fewer diffraction patterns than focused probe ptychography. The main contribution of this thesis is the implementation of a new form of near field ptychography on the Transmission Electron Microscope (TEM), using an etched silicon nitride window to structure the electron beam. Proof-of-concept results show the method quantitatively recovers megapixel phase images from as few as 9 recorded diffraction patterns, compared to many hundreds of diffraction patterns required for focused probe ptychography. Additional sets of results show how near-field ptychography can recover extremely large fields of view, deal effectively with inelastic scattering, and accommodate several sources of uncertainty in the experimental process. Further contributions in the thesis include: experiments and results from visible-light versions of near field ptychography, which explain its limitations and practical application; a description and code for analysis tools that are used to assess phase imaging performance; DigitalMicrograph (DM) code and a data collection workflow to realise TEM-based near-field ptychography; details of the design, realisation and performance of the etched silicon nitride windows; and simulation studies aimed at furthering understanding of the frequency response of the technique. Future work is outlined, focusing on potential applications in a wide range of real-world specimens and improved TEM setups to implement near field ptychography

NASA Tech Briefs Index, 1977, volume 2, numbers 1-4

Announcements of new technology derived from the research and development activities of NASA are presented. Abstracts, and indexes for subject, personal author, originating center, and Tech Brief number are presented for 1977

Elektronenspektroskopische Untersuchung Rb-induzierter, elektronischer und morphologischer Modifkationen der Oberfläche von WSe2

The rubidium-covered surface of the semiconducting transition metal dichalcogenide tungsten diselenide (WSe2) is examined using photoelectron spectroscopy (PES) and photoemission electron microscopy (PEEM). Adsorbed Rb is known to induce a variety of effects in this system concerning electronic, structural, and mechanical properties. In this work, the surface potential created by charge transfer upon Rb deposition is examined in thermal equilibrium (band bending) and stationary non-equilibrium (surface photovoltage (SPV) effect), which is induced by the absorption of light. It will be shown that combined measurements and numerical simulations of the SPV effect as a function of the photon flux can be exploited for the estimation of many material parameters of the system, especially of the unoccupied adsorbate state. Issues of extending a conventional photoelectron spectrometer setup by a secondary light source will be discussed in the context of simulations and calibration measurements. The customization of an existing theoretical model of the SPV effect for the WSe2 : Rb system is introduced and a comprehensive validation of the obtained predictions will be given in the context of experimental data. In addition, the self-organized formation of Rb domains at room temperature was examined by application of spatially resolved XPS spectroscopy using the PEEM setup at the end station of beamline UE49/PGMa at the BESSY II synchrotron facility. From the obtained results, the arrangement of Rb in surface lattices can be concluded. Furthermore, an X-Ray absorption study of self-organized nanostructure networks, aiming at the chemical characterization, is presented. Based on the interpretation of the examined structures as tension-induced cracks, a statistical approach to analyzing large-scale features was pursued. First accordance with the predictions made by a primitive, mechanical model of crack creation developed here gives gives some evidence for the validity of the proposed structure creation mechanism. A detailed analysis of technical aspects of processing spatially resolved photoemission data was carried out during this work. Several novel methods were developed as compensation for well-known technical limitations of the experimental setup. As will be shown, specific perturbations of PEEM data can be eliminated efficiently hereby, so comparability of all data channels in a detector image is granted. Extensive tests with actual experimental data prove the great applicability of the approaches made here. Though usually having low individual quality, the large number of data channels allows for novel approaches to the classification of spectroscopic data. A concept originating from the field of data mining was ported to work with photoemission spectra and is applied here as an aid to the recognition of spatial structures from spectral features.Inhalt der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen der rubidiumbedeckten Oberfläche des halbleitenden Übergangsmetalldichalkogenids Wolframdiselenid (WSe2) durch Photoelektronenspektroskopie (PES) und Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM). Vielfältige, Rb-induzierte Effekte mit Auswirkungen auf elektronische, strukturelle und mechanische Eigenschaften sind von diesem System bekannt. Diese Arbeit ist der Untersuchung des Oberflächenpotentials als Folge des Ladungstransfers bei der Adsorption von Rb gewidmet. Wie gezeigt werden wird, können durch ein theoretisches Modell unterstützte Messungen des Potentials im thermischen Gleichgewicht ('Bandverbiegung') und im lichtinduzierten, stationären Nichtgleichgewicht ('surface photovoltage'(SPV)-Effekt) in Abhängigkeit von der Lichtintensität zur Bestimmung einer Reihe von Materialkonstanten, insbesondere des unbesetzten Oberflächenzustands, herangezogen werden. Die Wirksamkeit spezieller Maßnahmen zur Integration einer Sekundärlichtquelle in einen konventionellen PES-Aufbau wird anhand von Simulationsrechnungen und Kalibrierungsmessungen belegt. Umfassende Anpassungen eines bestehenden Modells des SPV-Effekts an das untersuchte System werden diskutiert. Anhand von experimentellen Daten wird die Gültigkeit des Modells demonstriert. Das selbstorganisierte Wachstum von Rubidiumdomänen bei Raumtemperatur konnte mit Hilfe von ortsaufgelöster XPS-Spektroskopie am PEEM-Experiment an der Beamline UE49/PGMa an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II beobachtet werden. Die hier vorgestellten Daten lassen auf die Existenz von Rb-Oberflächengittern schließen. Neben den beobachteten, relativ großen Domänen auf der Mikrometerskala wurden ausgedehnte Netzwerke linearer Nanostrukturen spektroskopisch vermessen. Ein Ansatz zur chemischen Charakterisierung dieser Strukturen mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie wird hier präsentiert. Ausgehend von der Annahme, dass die beobachteten Strukturen Spannungsrisse der Oberfläche repräsentieren, wurde eine statistische Analyse geometrischer Eigenschaften durchgeführt und mit den Voraussagen eines zu diesem Zweck entwickelten, stark vereinfachten Modells der Rissverteilung verglichen. Eine erste Übereinstimmung der daraus abgeleiteten Aussagen mit den experimentellen Daten gibt Hinweise auf die Gültigkeit der hierfür gemachten Annahmen. Besondere Aufmerksamkeit wurde technischen Aspekten der Datenverarbeitung von PEEM-Daten gewidmet. Einige neue Ansätze wurden entwickelt, um den Einfluss wohlbekannter Störungen in den Daten zu quantifizieren und zu entfernen. Wie anhand zahlreicher Beispiele unter realistischen Bedingungen gezeigt wird, gelingt dies mit einer derartigen Effizienz, dass die Vergleichbarkeit aller parallel gemessenen Spektren im Detektorbild sichergestellt ist. Obwohl die Information eines einzelnen Datenkanals fürgewöhnlich eine relativ schlechte Qualität aufweist, ermöglicht die große Zahl parallel gemessener Spektren neue Ansätze zur Klassifizierung der erworbenen Daten. Hier wird ein Konzept aus dem Gebiet des 'Data Mining' auf spektroskopische Daten übertragen und unter anderem zur Strukturerkennung anhand von spektraler Information eingesetzt