Incorporating Fresnel-Propagation into Electron Holographic Tomography: A possible way towards three-dimensional atomic resolution

Tomographic electron holography combines tomography, the reconstruction of three-dimensionally resolved data from multiple measurements with different specimen orientations, with electron holography, an interferometrical method for measuring the complex wave function inside a transmission electron microscope (TEM). Due to multiple scattering and free wave propagation conventional, ray projection based, tomography does perform badly when approaching atomic resolution. This is remedied by incorporating propagation effects into the projection while maintaining linearity in the object potential. Using the Rytov approach an approximation is derived, where the logarithm of the complex wave is linear in the potential. The ray projection becomes a convolution with a Fresnel propagation kernel, which is considerably more computationally expensive. A framework for such calculations has been implemented in Python. So has a multislice electron scattering algorithm, optimised for large fields of view and high numbers of atoms for simulations of scattering at nanoparticles. The Rytov approximation gives a remarkable increase in resolution and signal quality over the conventional approach in the tested system of a tungsten disulfide nanotube. The response to noise seems to be similar as in conventional tomography, so rather benign. This comes at the downside of much longer calculation time per iteration.Tomographische Elektronenholographie kombiniert Tomographie, die Rekonstruktion dreidimensional aufgelößter Daten aus einem Satz von mehreren Messungen bei verschiedenen Objektorientierungen, mit Elektronenholographie, eine interferrometrische Messung der komplexen Elektronenwelle im Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Wegen Mehrfachstreuung und Propagationseffekten erzeugt konventionelle, auf einer Strahlprojektion basierende, Tomography ernste Probleme bei Hochauflösung hin zu atomarer Auflösung. Diese sollen durch ein Modell, welches Fresnel-Propagation beinhaltet, aber weiterhin linear im Potential des Objektes ist, vermindert werden. Mit dem Rytov-Ansatz wird eine Näherung abgeleitet, wobei der Logarithmus der komplexen Welle linear im Potential ist. Die Strahlen-Projektion ist dann eine Faltung mit dem Fresnel-Propagations-Faltungskernel welche rechentechnisch wesentlich aufwendiger ist. Ein Programm-Paket für solche Rechnungen wurde in Python implementiert. Weiterhin wurde ein Multislice Algorithmus für große Gesichtsfelder und Objekte mit vielen Atomen wie Nanopartikel optimiert. Die Rytov-Näherung verbessert sowohl die Auflösung als auch die Signalqualität immens gegenüber konventioneller Tomographie, zumindest in dem getesteten System eines Wolframdisulfid-Nanoröhrchens. Das Rauschverhalten scheint ähnlich der konventionallen Tomographie zu sein, also eher gutmütig. Im Gegenzug braucht die Tomographie basierend auf der Rytov-Näherung wesentlich mehr Rechenzeit pro Iteration