Advancing Electron Ptychography for High-Resolution Imaging in Electron Microscopy
Creators: name: Schloz, Marcel
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Elektronenmikroskopie
subject: Ptychography
subject: Maschinelles Lernen
subject: Computergestützte Physik
subject: Machine Learning
subject: Computational Physics
subject: Electron Microscopy
subject: 621 Angewandte Physik

description: In dieser Arbeit werden Fortschritte in der Elektronenptychographie vorgestellt, die ihre Vielseitigkeit als Technik in der Elektronen-Phasenkontrastmikroskopie verbessern. Anstatt sich auf eine hochauflösende Elektronenoptik zu stützen, rekonstruiert die Ptychographie die Proben auf der Grundlage ihrer kohärenten Beugungssignale mit Hilfe von Berechnungsalgorithmen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Grenzen der konventionellen, auf Optik basierenden Elektronenmikroskopie zu überwinden und eine noch nie dagewesene sub-Angstrom Auflösung in den resultierenden Bildern zu erreichen. In dieser Arbeit werden zunächst die theoretischen, experimentellen und algorithmischen Grundlagen der Elektronenptychographie vorgestellt und in den Kontext der bestehenden rastergestützten Elektronenmikroskopietechniken gestellt. Darüber hinaus wird ein alternativer ptychographischer Phasengewinnungsalgorithmus entwickelt und seine Leistungsfähigkeit sowie die Qualität und räumliche Auflösung der Rekonstruktionen analysiert. Weiterhin befasst sich die Arbeit mit der Integration von Methoden des maschinellen Lernens in die Elektronenptychographie und schlägt einen spezifischen Ansatz zur Verbesserung der Rekonstruktionsqualität unter suboptimalen Versuchsbedingungen vor. Außerdem wird die Kombination von Ptychographie mit Defokusserienmessungen hervorgehoben, die eine verbesserte Tiefenauflösung bei ptychographischen Rekonstruktionen ermöglicht und uns somit dem ultimativen Ziel näher bringt, quantitative Rekonstruktionen von beliebig dicker Proben mit atomarer Auflösung in drei Dimensionen zu erzeugen. Der letzte Teil der Arbeit stellt einen Paradigmenwechsel bei den Scananforderungen für die Ptychographie vor und zeigt Anwendungen dieses neuen Ansatzes unter Bedingungen niedriger Dosis.
description: This thesis presents advancements in electron ptychography, enhancing its versatility as an electron phase-contrast microscopy technique. Rather than relying on high-resolution electron optics, ptychography reconstructs specimens based on their coherent diffraction signals using computational algorithms. This approach allows us to surpass the limitations of conventional optics-based electron microscopy, achieving an unprecedented sub-Angstrom resolution in the resulting images. The thesis initially introduces the theoretical, experimental, and algorithmic principles of electron ptychography, contextualizing them within the landscape of existing scanning-based electron microscopy techniques. Additionally, it develops an alternative ptychographic phase retrieval algorithm, analyzing its performance and also the quality and the spatial resolution of its reconstructions. Moreover, the thesis delves into the integration of machine learning methods into electron ptychography, proposing a specific approach to enhance reconstruction quality under suboptimal experimental conditions. Furthermore, it highlights the fusion of ptychography with defocus series measurements, offering improved depth resolution in ptychographic reconstructions, which therefore brings us closer to the ultimate goal of quantitative reconstructions of arbitrarily thick specimens at atomic resolution in three dimensions. The final part of the thesis introduces a paradigm shift in scanning requirements for ptychography and showcases applications of this novel approach under low-dose conditions.