Modeling and manufacturing of multilayer laue lenses for highest resolution X-ray microscopy

Röntgenmikroskopie ist eine vielversprechende Technik, welche die Lücke zwischen optischer und Elektronenmikroskopie schließt. Sie ermöglicht es, Untersuchungen der Struktur und der Zusammensetzung verschiedenartiger Proben mit Auflösungen deutlich unter 100nm vorzunehmen. Je nach Probenbeschaffenheit ist dies zerstörungsfrei und zusammen mit der Ermittlung von Tiefeninformationen möglich. Der Schwerpunkt des hier beschriebenen Promotionsvorhabens ist der Entwicklung und die Berechnung der Eigenschaften von Multischicht Laue Linsen (MLL) für höchstaufgelöste Röntgenmessungen. Bei MLL handelt sich dabei um diffraktive Röntgenoptiken, welche insbesondere für die Nutzung mit harter Röntgenstrahlung mit einer Energie von mehr als 5 keV geeignet sind und in diesem Bereich höhere Effizienzen sowie gegenüber anderen Röntgenoptiken bessere Auflösungen versprechen. Im Rahmen des Promotionsverfahrens wurden insbesondere die Herstellung, Charakterisierung und Berechnung der Eigenschaften von MLL durchgeführt. Hierbei steht als Ziel die Anwendung von MLL als Fokussierungsoptik für Synchrotronstrahlanwendungen im Vordergrund. MLL fokussieren Röntgenstrahlen nach dem Prinzip einer linearen Zonenplatte. Im Unterschied zu elektronenstrahllithografisch hergestellten Zonenplatten wird die Zonenstruktur durch eine Multischicht aus vielen tausend Einzelschichten erzeugt. Aus der so hergestellten Multischicht wird anschließend ein Linsensegment geformt, wobei die Beschichtung hierfür zunächst grob und anschließend fein strukturiert wird, um die gewünschte Geometrie zu erreichen. Diese Schritte können mit Laserschneiden und durch Abtrag mit einem fokussierten Ionenstrahl durchgeführt werden. Da es sich bei einer so hergestellten MLL um ein eindimensional beugendes optisches Element handelt, müssen zwei vergleichbar hergestellte Segmente zu einer zweidimensional fokussierenden Optik kombiniert werden. Die Charakterisierung der Ergebnisse der einzelnen Produktionsschritte ist dabei notwendig, um Herstellungsfehler bzw. vorhandenes Verbesserungspotential zu ermitteln; hierbei wurden insbesondere die Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenverfahren wie die Röntgendiffraktometrie eingesetzt. Aufgrund der geplanten Anwendung für die Fokussierung von Röntgenstrahlen an Synchrotronstrahleinrichtungen ist der Einsatz als Optik an entsprechenden Strahlrohren auch als finaler Test einer hergestellten Linse zu verstehen. Entsprechende Experimente wurden an den Röntgenstrahlungsquellen PETRA III und ESRF durchgeführt. Hierbei wurden vor allem die Fokussierungseigenschaften in Bezug auf Form und Intensität des mit den Linsen fokussierten Linsenstrahles untersucht. Experimente zur Vermessung der Beugungseigenschaften wurden auch an der Advanced Photon Source durchgeführt. Um die Eigenschaften der Linsen zu verstehen, wurden die Fokussierungseigenschaften von MLL berechnet. Dies erfolgte unter Nutzung von Algorithmen basierend auf der Coupled Wave Theory und der Beam Propagation Method. Die Berechnung der Eigenschaften erfolgt insbesondere unter den Gesichtspunkten von verschiedenen Materialsystemen, der Einrichtung zur Fokussierung der Linsen und möglichen Herstellungsfehlern. Die wesentlichen Arbeitsschritte der Herstellung erfolgten am Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik (IWS) in Dresden. Die Herstellung sowie Charakterisierung der Fokussierungseigenschaften der Linsen erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Institut für Strukturphysik der Technischen Universität Dresden, der X-ray Nanoscience und X-ray Optics Gruppe des PETRA III, dem Fraunhofer IKTS sowie der AXO Dresden GmbH. Die Charakterisierung der Beugungseigenschaften und Teilen der Berechnungen erfolgten in Zusammenarbeit mit der X-ray Optics Group der Advanced Photon Source. Während der Arbeit an diesem Promotionsvorhaben wurde eine Referenzprobenfreie Methode zur Messung der Verbiegung von MLL entwickelt. Aus dem Strahlprofil der besten hergestellten Linse ergibt sich eine Aflösung von besser als 25 nm; diese weist die höchste bisher mit MLL erreichte Effizienz auf und es konnte der bisher größte Fluss mit MLL erreicht werden