Zahlreiche Geräte, die in den Naturwissenschaen, in der Industrie und im Gesundheitswesen unverzichtbar sind, basieren auf Strahlen schneller geladener Teilchen. Dazu zählen unter anderem Elektronen- und Ionenmikroskope, entsprechende Lithographiestrahlanlagen und Röntgenstrahlungsquellen. Magnetische Optiken, die Strahlen geladener Teilchen ablenken, formen und fokussieren, sind das Rückgrat aller Geräte die mit hochenergetischen Teilchen arbeiten, da sie im Vergleich zu Optiken, die auf elektrischen Feldern basieren, bei hohen Teilchengeschwindigkeiten eine überlegene optische Leistung aufweisen. Konventionelle makroskopische magnetische Optiken sind jedoch groß, teuer und platzraubend, nicht hochfrequenzfähig und erfordern aktive (Wasser-)Kühlung zur Wärmeabfuhr. Sie sind daher für Mehrstrahlinstrumente, miniaturisierte Anwendungen und schnelle Strahlmanipulation ungeeignet, die für zukünftige Fortschritte in der Nanofabrikation und -analyse gebraucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die ersten magnetischen selbst-assemblierenden Mikro-Origami-Elektronenoptiken entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Mit dem verwendeten Miniaturisierungsansatz können, bei ähnlicher optischer Leistung, alle oben genannten Nachteile von konventionellen magnetischen Optiken überwunden werden. Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser optischen Elemente werden durch die einzigartigen Merkmale der Mikrospulen ermöglicht: geringe Größe, geringe Induktivität und geringer Widerstand. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter anderem adaptive Phasenplaen hergestellt, die Elektronenvortexstrahlen mit einem bislang unerreichten Bahndrehimpuls von bis zu mehreren 1000 ̄h erzeugen. Des Weiteren wurden schnelle Elektronenstrahldeflektoren zur Strahlablenkung, zum zweidimensionalen Rastern und für stroboskopische Experimente gefertigt. Sie besitzen eine Ablenkleistung im mrad-Bereich für 300 kV Elektronen und einen Frequenzdurchgang bis zu 100 MHz. Darüber hinaus wurden miniaturisierte adrupollinsen mit Brennweiten kleiner als 46 mm für 300 kV Elektronen entwickelt. Diese drei Arten elektronenoptischer Elemente sind von großem Interesse für verschiedenste Anwendungen in der Nanofabrikation und -analyse, da sie unter anderem als integrale Bestandteile von zu entwickelnden Mehrstrahlinstrumenten, miniaturisierten Geräten und stroboskopischen Messaufbauten dienen können.:1 Introduction
1.1 Charged Particle Optics
1.2 Miniaturized Charged Particle Optics
1.3 Phase Plates for Transmission Electron Microscopy
2 Charged Particle Optics
2.1 Hamiltonian Formalism
2.2 Gaussian Matrix Optics
2.3 Transfer Matrices of Magnetic Elements
2.3.1 Single Quadrupole
2.3.2 Quadrupole Multiplets
2.3.2.1 Quadrupole Doublet
2.3.2.2 Quadrupole Triplet
2.3.2.3 Higher Order Quadrupole Multiplets
2.4 Scaling Laws for Charged Particle Optics
2.4.1 Thin Film
2.4.2 Electrostatic Scaling Laws
2.4.3 Magnetic Scaling Laws
3 Design and Fabrication of Miniaturized Electron Optics
3.1 Basics of Polymer-Based Self-Assembly Technology
3.2 Basic Coil Design and Magnetic Field Simulations
3.3 CoFeSiB-Pyrex Core-Shell Micro Wires
3.4 Fabrication of Self-Assembled Micro Coil Devices
4 Optical Properties of Self-Assembled Miniaturized Electron Optics
4.1 Electron Vortex Phase Plate
4.1.1 Projected Magnetic Fields
4.1.2 Vortex Beam Characteristics
4.2 Miniaturized Deflector
4.3 Quadrupole Focusing Optic
4.4 High Frequency Characteristics of Self-Assembled Electron Optics
5 Summary and Outlook
5.1 Applications of Electron Vortex Beams with Large OAM
5.2 Optics of Large Optical Power for Pulsed Instruments
5.3 Stroboscopic TEM Measurements
5.4 Miniaturized Wigglers, Undulators and Free Electron Lasers
5.5 Towards Integrated Electron Optical Systems / Beams of highly accelerated charged particles are essential for numerous indispensable devices used throughout natural sciences, industry and the healthcare sector, e.g., electron and ion microscopes, charged particle lithography machines and X-ray radiation sources. Magnetic charged particle optics that deflect, shape and focus high-energy charged particles are the backbone of all such devices, because of their superior optical power compared to electric field optics at large particle velocities. Conventional macroscopic magnetic optics, however, are large, costly and bulky, not high frequency capable and require active cooling for heat dissipation. They are therefore unsuitable for fast beam manipulation, multibeam instrumentation, and miniaturized applications, much desired for future advances in nanofabrication and analysis. The first on-chip micro-sized magnetic charged particle optics realized via a self-assembling micro-origami process were designed, fabricated and characterized within the frame of this work. The utilized micro-miniaturization approach overcomes all the aforementioned obstacles for conventional magnetic optics, while maintaining similar optical power. The exceptional properties of these optical elements are rendered possible by the unique features of strain-engineered micro-coils: small size, small inductance and small resistivity. Within the frame of this work, adaptive phase plates were fabricated, which generate electron vortex beams with an unprecedented orbital angular momentum of up to several 1000 ̄h. Furthermore, fast electron beam deflectors for beam blanking, two-dimensional scanning and stroboscopic experiments were manufactured. They possess a deflection power in the mrad regime for 300 kV electrons and a high frequency passband up to 100 MHz. Additionally, miniaturized strong quadrupole lenses with focal lengths down to 46 mm for 300 kV electrons have been developed. These three types of electron optical elements are of great interest for a wide range of applications in nanofabrication and analysis, as they serve as integral components of future multibeam instruments, miniaturized devices, and stroboscopic measurement setups to be developed.:1 Introduction
1.1 Charged Particle Optics
1.2 Miniaturized Charged Particle Optics
1.3 Phase Plates for Transmission Electron Microscopy
2 Charged Particle Optics
2.1 Hamiltonian Formalism
2.2 Gaussian Matrix Optics
2.3 Transfer Matrices of Magnetic Elements
2.3.1 Single Quadrupole
2.3.2 Quadrupole Multiplets
2.3.2.1 Quadrupole Doublet
2.3.2.2 Quadrupole Triplet
2.3.2.3 Higher Order Quadrupole Multiplets
2.4 Scaling Laws for Charged Particle Optics
2.4.1 Thin Film
2.4.2 Electrostatic Scaling Laws
2.4.3 Magnetic Scaling Laws
3 Design and Fabrication of Miniaturized Electron Optics
3.1 Basics of Polymer-Based Self-Assembly Technology
3.2 Basic Coil Design and Magnetic Field Simulations
3.3 CoFeSiB-Pyrex Core-Shell Micro Wires
3.4 Fabrication of Self-Assembled Micro Coil Devices
4 Optical Properties of Self-Assembled Miniaturized Electron Optics
4.1 Electron Vortex Phase Plate
4.1.1 Projected Magnetic Fields
4.1.2 Vortex Beam Characteristics
4.2 Miniaturized Deflector
4.3 Quadrupole Focusing Optic
4.4 High Frequency Characteristics of Self-Assembled Electron Optics
5 Summary and Outlook
5.1 Applications of Electron Vortex Beams with Large OAM
5.2 Optics of Large Optical Power for Pulsed Instruments
5.3 Stroboscopic TEM Measurements
5.4 Miniaturized Wigglers, Undulators and Free Electron Lasers
5.5 Towards Integrated Electron Optical Systems
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:82069 |
| Date | 10 November 2022 |
| Creators | Kern, Felix Lucas |
| Contributors | Büchner, Bernd, Verbeeck, Johan, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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