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Main Title: Coherent Soft X-Ray Magnetic Scattering and Lensless Imaging
Author(s): Loergen, Marcus
Advisor(s): Eisebitt, Stefan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit zeigt die erste Abbildung magnetischer Nanostrukturen, die aus dem Streuintensitätsmuster kohärenter weicher Röntgenstrahlung berechnet ist. Diese linsenlose Abbildungstechnik wird in zwei Schritten durchgeführt: erstens wird das kohärente Streumuster der magnetischen Domänenstruktur aufgenommen. Dann wird eine bereits erprobte Rekonstruktionsprozedur angewendet, um die laterale Struktur der magnetischen Domänen aus ihrer Streuintensität zu berechnen. Der einfache experimentelle Aufbau besteht aus Lochblenden, um kohärente Bedingungen der monochromatischen weichen Röntgenstrahlung zu schaffen, und aus einem Detektor, der die zwei-dimensionale ortsauflösende Photonendetektion des Streumusters erlaubt. Sowohl die Präparation der Probe als auch das Erreichen einer ausreichenden magnetischen Streuintensität am Ort des Detektors erfordert einen großen Aufwand. Die magnetischen CoPt Multilagen werden auf eine transparente SiN Membran aufgetragen und erlauben so eine Transmissionsgeometrie. Die magnetischen Domänen bilden eine Anisotropie aus, die senkrecht zur Filmoberfläche ausgerichtet ist. Ausserdem wird die Probe auf einer Mikrometer Längenskala lateral eingeschränkt, sodass sie kohärent ausgeleuchtet werden kann. Die magnetische Kleinwinkelstreuung wird in ihrer Intensität durch Ausnutzung des magnetischen Röntgen-Zirkulardichroismus verstärkt. Der Dichroismuseffekt erhöht den Kontrast gegensätzlich magnetisierter Domänen, was zu erhöhter Streuintensität führt, die ausschließlich magnetischen Ursprungs ist. Die Energie- und Polarisationsabhängigkeit des magnetischen Streumusters wird untersucht und die entsprechenden Ergebnisse werden in dieser Arbeit präsentiert. Die Machbarkeit der Rekonstruktionsprozedur wird anhand einer nichtmagnetischen Probe getestet, die aus unterschiedlich geformten Öffnungen in einem Goldfilm besteht. Aus dem Beugungsbild der kohährent ausgeleuchteten Probe wird die laterale Struktur wiederhergestellt. Verschiedene experimentelle Einflüsse auf eine erfolgreiche Rekonstruktion wie beispielsweise eine Blende, die Strahlenschäden am Detektor verhindert, werden untersucht. Die Verwendung einer Referenzöffnung in der Probenebene vereinfacht die Rekonstruktion und gibt erste Hinweise auf eine möglicherweise erfolgreiche Fourier-Transform-Holographie im Bereich weicher Röntgenstrahlung. Ausserdem wird die linsenlose Abbildung einer magnetischen Testprobe durchgeführt, um zu zeigen, dass diese Technik auch auf magnetische Strukturen anwendbar ist. Schließlich wird die Wiederherstellung der lateralen Domänenstruktur von zuvor unbekannten magnetischen Proben gezeigt. Die Probe wird aufeinanderfolgend äußeren Magnetfeldern ausgesetzt, um jeweils die Umordnung der Domänen zu demonstrieren. Die hier präsentierte linsenlose Abbildungstechnik könnte genutzt werden, um die Ortsauflösung von bestehenden Transmissionsröntgenmikroskopen zu erhöhen. Prinzipiell kann die lateral Auflösung im Streumuster durch Aufzeichnung hoher Streuwinkel erhöht werden. Eine Kombination eines Mikroskopbildes der entsprechenden Probe mit der Rekonstruktionsprozedur, die ein Streumuster mit großen Streuwinkel als Eingabe benutzt, könnte erfolgreich die Auflösung einer Mikroskopabbildung verbessern. Ausserdem funktioniert die linsenlose Abbildungstechnik auch mit Streubildern, die in einem einzigen Schuss genügender Intensität, wie ihn zukünftige Freie-Elektronen Laserquellen bereitstellen werden, aufgenommen wurden. Dies könnte zeitaufgelöste Experimente erlauben, die herkömmlichen Mikroskopen nicht zugänglich sind.
The work presented here demonstrates the first imaging of ferromagnetic nanostructures that is obtained from their coherent soft X-ray scattering intensity pattern. This lensless imaging technique is performed in two steps: first, the coherent scattering pattern from the magnetic domain structure is recorded. Then, an established reconstruction procedure is applied to calculate the lateral structure of the magnetic domains from the scattering intensity. The experimental setup simply consists of a set of pinholes to achieve coherent conditions of monochromatic soft X-rays and a detector that allows for the two-dimensional position resolving photon detection of the scattering pattern. Effort must be put into the preparation of the sample as well as into the provision of sufficient magnetic scattering intensity at the detector site. The magnetic CoPt multilayers are sputtered onto a transparent SiN membrane to permit transmission geometry. The magnetic domains reveal an anisotropy that is perpendicular to the film surface. Further, the sample is laterally confined on a micrometer length scale to allow for coherent illumination. The magnetic small angle scattering is enhanced in intensity by exploiting the X-ray magnetic circular dichroism. The dichroism effect increases the contrast of oppositely magnetized domains that yields higher scattering intensity of magnetic origin. The energy and polarization dependence of the magnetic scattering pattern is investigated and appropiate results are shown in the thesis. The feasibility of the reconstruction procedure is tested with a non-magnetic sample that consists of variously shaped apertures in a gold-film. From the diffraction pattern of the coherently illuminated sample its lateral structure is retrieved. Various experimental influences on a successful reconstruction like a beamblock applied to prevent radiation damage of the detector are investigated. The application of a reference hole in the sample plane simplifies the reconstruction and gives first hints of a possibly successful Fourier transform holography in the soft X-ray regime. Further, the lensless imaging of a magnetic domain test sample is performed to demonstrate the technique to be applicable to magnetic structures. Finally, the recovering of the lateral domain structure of previously unknown magnetic sample is shown. The sample is consecutively exposed to external magnetic fields to demonstrate the domain reconfiguration after each exposure. The lensless imaging technique presented could be used to increase the spatial resolution of established transmission X-ray microscopes. In principle, the spatial resolution in the scattering pattern can be increased by recording of high scattering angles. A combination of an microscopy image of the appropiate sample and the reconstruction procedure that uses a high angle scattering pattern as input could successfully enhance the resolution of the microscope image. Further, the lensless imaging technique works also with a scattering pattern that is acquired in a single shot of sufficiejt intensity as it will be provided by future free-electron laser sources. This could allow for time-resolved experiments that are not accessible to common microscopes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-7862
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1182
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-885
Exam Date: 30-Mar-2004
Issue Date: 9-Aug-2004
Date Available: 9-Aug-2004
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Kohärente Streuung
Linsenlose Abbildung
Magnetischer Dichroismus
Phasenrekonstruktion
Röntgenstrahlung
Coherent scattering
Lensless imaging
Magnetic dichroism
Phase reconstruction
Soft X-ray
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