Gegenwärtige Bestrebungen materialwissenschaftlicher Forschung beschäftigen sich unter anderem mit der Überführung zweidimensionaler Elemente elektronischer, optischer, plasmonischer oder magnetischer Funktionalität in den dreidimensionalen (3D) Raum. Dieser Ansatz vermag mittels Krümmung und struktureller Topologie bereits vorhandene Eigenschaften abzuändern beziehungsweise neue Funktionalitäten bereitzustellen. Vor allem Vektoreigenschaften wie die Magnetisierung kondensierter Materie lassen sich aufgrund der Brechung der Inversionssymmetrie in gekrümmten Flächen stark beeinflussen. Neben der Entwicklung diverser Vorgänge zur Herstellung 3D magnetischer Gegenstände sind geeignete Untersuchungsmethoden wie beispielsweise tomografische Abbildungen der Magnetisierung von Nöten, die maßgeblich die physikalischen Eigenschaften bestimmen. Die vorliegende Dissertationsschrift befasst sich mit der Abbildung von magnetischen Domänen in 3D gekrümmten Dünnschichten beruhend auf dem Effekt des zirkularen magnetischen Röntgendichroismus (XMCD). Die in diesem Zusammenhang entwickelte magnetische Röntgentomografie (MXT) basierend auf weicher Röntgenmikroskopie stellt eine zu Elektronenholografie und Neutronentomografie komplementäre Methodik dar, welche großes Anwendungspotential in der elementspezifischen Untersuchung magnetischer gekrümmter Flächen mit örtlicher Auflösung im Nanometerbereich aufweist. Die Schwierigkeit der Interpretation von Abbildungen magnetischer Strukturen in gekrümmten Flächen rührt von der Dreidimensionalität und der Vektoreigenschaft der Magnetisierung her. Die hierzu notwendigen Kenntnisse sind anhand von zwei topologisch verschiedenen Flächen in Form hemisphärischer Kappen und hohler Zylinder erschlossen worden. Die praktische Anwendung von MXT ist abschließend anhand der Rekonstruktion magnetischer Domänen in aufgerollten Dünnschichten mit zylindrischer Form verdeutlicht. / One of the foci of modern materials sciences is set on expanding conventional two-dimensional electronic, photonic, plasmonic and magnetic devices into the third dimension. This approach provides means to modify conventional or to launch novel functionalities by tailoring curvature and three-dimensional (3D) shape. The degree of effect is particularly high for vector properties like the magnetization due to an emergent inversion symmetry breaking. Aside from capabilities to design and synthesize 3D magnetic architectures, proper characterization methods, such as magnetic tomographic imaging techniques, need to be developed to obtain a thorough understanding of the system’s response under external stimuli. The main objective of this thesis is to develop a visualization technique that provides nanometer spatial resolution to image the peculiarities of the magnetic domain patterns on extended 3D curved surfaces. The proposed and realized concept of magnetic soft X-ray tomography (MXT), based on the X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) effect with soft X-ray microscopies, has the potential to become a powerful tool to investigate element specifically an entirely new class of 3D magnetic objects with virtually any shape and magnetization. Imaging curved surfaces meets the challenge of three-dimensionality and requires a profound understanding of the recorded XMCD contrast. These experiences are gained by visualizing magnetic domain patterns on two distinct 3D curved surfaces, namely magnetic cap structures and rolled-up magnetic nanomembranes with cylindrical shape. The capability of MXT is demonstrated by reconstructing the magnetic domain patterns on 3D curved surfaces resembling hollow cylindrical objects.

This thesis is concerned with the optimization and development of the production of nanofocusing refractive x-ray lenses. These optics made of either silicon or diamond are well-suited for high resolution x-ray microscopy. The goal of this work is the design of a reproducible manufacturing process which allows the production of silicon lenses with high precision, high quality and high piece number. Furthermore a process for the production of diamond lenses is to be developed and established. In this work, the theoretical basics of x-rays and their interaction with matter are described. Especially, aspects of synchrotron radiation are emphasized. Important in x-ray microscopy are the different optics. The details, advantages and disadvantages, in particular those of refractive lenses are given. To achieve small x-ray beams well beyond the 100nm range a small focal length is required. This is achieved in refractive lenses by moving to a compact lens design where several single lenses are stacked behind each other. The, so-called nanofocusing refractive lenses (NFLs) have a parabolic cylindrical shape with lateral structure sizes in the micrometer range. NFLs are produced by using micro-machining techniques. These micro-fabrication processes and technologies are introduced. The results of the optimization and the final fabrication process for silicon lenses are presented. Subsequently, two experiments that are exemplary for the use of NFLs, are introduced. The first one employs a high-resolution scanning fluorescence mapping of a geological sample, and the second one is a coherent x-ray diffraction imaging (CXDI) experiment. CXDI is able to reconstruct the illuminated object from recorded coherent diffraction patterns. In a scanning mode, referred to as ptychography, this method is even able to reconstruct the illumination and the object simultaneously. Especially the reconstructed illumination and the possibility of computed propagation of the wavefield along the focused beam yields findings about the optic used. The collected data give interesting information about the lenses and their aberrations. Comparison of simulated and measured data shows good agreement. Following this, the fabrication process of diamond lenses is described. Diamond with its extraordinary properties is well-suited as lens material for refractive lenses. Finally, a concluding overview of the present and future work of nanofocusing lenses is given. / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung der Herstellungsprozesse von refraktiven nanofokussierenden Röntgenlinsen. Diese aus Silizium oder Diamant hergestellten Optiken, sind hervorragend für hochauflösende Röntgen\-mikroskopie geeignet. Ziel dieser Arbeit ist es, einen reproduzierbaren Herstellungsprozess zu erarbeiten, der es erlaubt, Siliziumlinsen von hoher Präzision, Qualität und Quantität zu fertigen. Zusätzlich soll ein Prozess für Diamantlinsen entwickelt und etabliert werden. In der folgenden Arbeit werden die theoretischen Grundlagen von Röntgenstrahlung und deren Wechselwirkung mit Materie beschrieben. Spezielle Aspekte der Synchrotronstrahlung werden hervorgehoben. Wichtig im Zusammenhang mit Röntgenmikroskopie sind die verschieden Optiken. Deren Details, Vor- und Nachteile, insbesondere die der brechenden Linsen, werden genannt. Zur Erzeugung fein gebündelter Röntgenmikrostrahlen im Bereich unter 100nm lateraler Größe benötigt man sehr kurze Brennweiten. Mit brechenden Linsen lässt sich dieses mittels eines kompakten Linsendesigns von vielen hintereinander gestapelten Einzellinsen realisieren. Die so genannten refraktiven nanofokussierenden Linsen (NFLs) besitzen eine parabolische Zylinderform mit lateralen Strukturgrößen im Mikrometerbereich. NFLs werden mittels spezieller Technologien der Mikroprozessierung hergestellt. Diese Mikrostrukturierungsverfahren werden mit ihren jeweiligen Prozessschritten und zugehörenden Technologien vorgestellt. Die Ergebnisse der Optimierung und der endgültige Mikrostrukturierungsprozess für Siliziumlinsen werden dargelegt. Im Anschluss daran werden zwei Experimente erläutert, die beispielhaft für die Anwendung von NFLs stehen. Ersteres ist ein ortsaufgelöstes Fluoreszenzrasterexperiment einer geologischen Probe und das zweite ein kohärentes Röntgen-Beugungsexperiment (CXDI). CXDI ist in der Lage, aus kohärent aufgenommen Beugungsbildern das beleuchtete Objekt zu rekonstruieren. Kombiniert mit einem rasternden Verfahren, welches Ptychographie genannt wird, ist diese Methode in der Lage, die Beleuchtungsfunktion und das Objekt gleichzeitig zu rekonstruieren. Besonderes die rekonstruierte Beleuchtungsfunktion und die Möglichkeit der computergestützten Propagation des Wellenfeldes entlang des fokussierten Strahls, geben aufschlussreiche Informationen über die verwendete Optik. Neue Erkenntnisse über die Linsen und deren Aberrationen können so gewonnen werden. Vergleiche von simulierten mit gemessenen Daten zeigen gute Übereinstimmung. Daran anschließend erfolgt die Beschreibung der Entwicklung eines Fabrikationsprozess für Diamantlinsen. Diamant mit seinen außergewöhnlichen Materialeigenschaften ist besonders gut als Linsenmaterial für refraktive Röntgenlinsen geeignet. Abschliessend wird ein zusammenfassender Überblick über die derzeitigen und die zu erwartenden Entwicklungen bei refraktiven Linsen gegeben.

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This thesis is concerned with the optimization and development of the production of nanofocusing refractive x-ray lenses. These optics made of either silicon or diamond are well-suited for high resolution x-ray microscopy. The goal of this work is the design of a reproducible manufacturing process which allows the production of silicon lenses with high precision, high quality and high piece number. Furthermore a process for the production of diamond lenses is to be developed and established. In this work, the theoretical basics of x-rays and their interaction with matter are described. Especially, aspects of synchrotron radiation are emphasized. Important in x-ray microscopy are the different optics. The details, advantages and disadvantages, in particular those of refractive lenses are given. To achieve small x-ray beams well beyond the 100nm range a small focal length is required. This is achieved in refractive lenses by moving to a compact lens design where several single lenses are stacked behind each other. The, so-called nanofocusing refractive lenses (NFLs) have a parabolic cylindrical shape with lateral structure sizes in the micrometer range. NFLs are produced by using micro-machining techniques. These micro-fabrication processes and technologies are introduced. The results of the optimization and the final fabrication process for silicon lenses are presented. Subsequently, two experiments that are exemplary for the use of NFLs, are introduced. The first one employs a high-resolution scanning fluorescence mapping of a geological sample, and the second one is a coherent x-ray diffraction imaging (CXDI) experiment. CXDI is able to reconstruct the illuminated object from recorded coherent diffraction patterns. In a scanning mode, referred to as ptychography, this method is even able to reconstruct the illumination and the object simultaneously. Especially the reconstructed illumination and the possibility of computed propagation of the wavefield along the focused beam yields findings about the optic used. The collected data give interesting information about the lenses and their aberrations. Comparison of simulated and measured data shows good agreement. Following this, the fabrication process of diamond lenses is described. Diamond with its extraordinary properties is well-suited as lens material for refractive lenses. Finally, a concluding overview of the present and future work of nanofocusing lenses is given. / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung der Herstellungsprozesse von refraktiven nanofokussierenden Röntgenlinsen. Diese aus Silizium oder Diamant hergestellten Optiken, sind hervorragend für hochauflösende Röntgen\-mikroskopie geeignet. Ziel dieser Arbeit ist es, einen reproduzierbaren Herstellungsprozess zu erarbeiten, der es erlaubt, Siliziumlinsen von hoher Präzision, Qualität und Quantität zu fertigen. Zusätzlich soll ein Prozess für Diamantlinsen entwickelt und etabliert werden. In der folgenden Arbeit werden die theoretischen Grundlagen von Röntgenstrahlung und deren Wechselwirkung mit Materie beschrieben. Spezielle Aspekte der Synchrotronstrahlung werden hervorgehoben. Wichtig im Zusammenhang mit Röntgenmikroskopie sind die verschieden Optiken. Deren Details, Vor- und Nachteile, insbesondere die der brechenden Linsen, werden genannt. Zur Erzeugung fein gebündelter Röntgenmikrostrahlen im Bereich unter 100nm lateraler Größe benötigt man sehr kurze Brennweiten. Mit brechenden Linsen lässt sich dieses mittels eines kompakten Linsendesigns von vielen hintereinander gestapelten Einzellinsen realisieren. Die so genannten refraktiven nanofokussierenden Linsen (NFLs) besitzen eine parabolische Zylinderform mit lateralen Strukturgrößen im Mikrometerbereich. NFLs werden mittels spezieller Technologien der Mikroprozessierung hergestellt. Diese Mikrostrukturierungsverfahren werden mit ihren jeweiligen Prozessschritten und zugehörenden Technologien vorgestellt. Die Ergebnisse der Optimierung und der endgültige Mikrostrukturierungsprozess für Siliziumlinsen werden dargelegt. Im Anschluss daran werden zwei Experimente erläutert, die beispielhaft für die Anwendung von NFLs stehen. Ersteres ist ein ortsaufgelöstes Fluoreszenzrasterexperiment einer geologischen Probe und das zweite ein kohärentes Röntgen-Beugungsexperiment (CXDI). CXDI ist in der Lage, aus kohärent aufgenommen Beugungsbildern das beleuchtete Objekt zu rekonstruieren. Kombiniert mit einem rasternden Verfahren, welches Ptychographie genannt wird, ist diese Methode in der Lage, die Beleuchtungsfunktion und das Objekt gleichzeitig zu rekonstruieren. Besonderes die rekonstruierte Beleuchtungsfunktion und die Möglichkeit der computergestützten Propagation des Wellenfeldes entlang des fokussierten Strahls, geben aufschlussreiche Informationen über die verwendete Optik. Neue Erkenntnisse über die Linsen und deren Aberrationen können so gewonnen werden. Vergleiche von simulierten mit gemessenen Daten zeigen gute Übereinstimmung. Daran anschließend erfolgt die Beschreibung der Entwicklung eines Fabrikationsprozess für Diamantlinsen. Diamant mit seinen außergewöhnlichen Materialeigenschaften ist besonders gut als Linsenmaterial für refraktive Röntgenlinsen geeignet. Abschliessend wird ein zusammenfassender Überblick über die derzeitigen und die zu erwartenden Entwicklungen bei refraktiven Linsen gegeben.

Biomineralized structures are complex functional hierarchical assemblies composed of biomineral building blocks joined together by an organic phase. The formation of individual mineral units is governed by the cellular tissue component that orchestrates the process of biomineral nucleation, growth, and morphogenesis. These processes are imprinted in the structural, compositional, and crystallographic properties of the emerging biominerals on all scales. Measurement of these properties can provide crucial information on the mechanisms that are employed by the organism to form these complex 3D architectures and to unravel principles of their functionality. Nevertheless, so far, this has only been possible at the macroscopic scale, by averaging the properties of the entire composite assembly, or at the mesoscale, by looking at extremely small parts of the entire picture. In this study, the newly developed synchrotron-based dark-field X-ray microscopy method is employed to study the link between 3D crystallographic properties of relatively large calcitic prisms in the shell of the mollusc Pinna nobilis and their local lattice properties with extremely high angular resolution down to 0.001°. Mechanistic links between variations in local lattice parameters and spacing, crystal orientation, chemical composition, and the deposition process of the entire mineral unit are unraveled.

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