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Three-dimensional elemental mapping on the nanoscale combining X-ray fluorescence and ptychographic tomography

Applicant Diaz Ana
Number 175905
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.07.2018 - 28.02.2021
Approved amount 257'640.00
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Keywords (4)

ptychography; scanning X-ray fluorescence; tomography; X-ray microscopy

Lay Summary (German)

Lead
Aufgrund ihrer Eindringungstiefe können Röntgenstrahlen dazu verwendet werden, mit Hilfe von Tomographie dreidimensionale (3D) Bilder zum Beispiel eines menschlichen Schädels, aufgenommen werden. Dank der besseren Eigenschaften von Röntgenquellen wie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) kann die Größe der Proben auf die Größe eines menschlichen Haares reduziert werden, und viel kleinere Details können aufgelöst werden. Anstelle der Dichte liefert die sogenannte Röntgenfluoreszenz zudem die chemische Zusammensetzung des Materials, d.h. aus welchen Elementen es aufgebaut ist. Allerdings ist die räumliche Auflösung in der 3D-Röntgenfluoreszenz derzeit begrenzt. In diesem Projekt werden wir weltweit einzigartige Instrumentierung verwenden, die an der SLS entwickelt wurde, und Bilderfassungs- und Rekonstruktionsstrategien entwickeln, um hoch aufgelöste 3D-Bilder von kleinen Proben mit chemischen Informationen zu erhalten.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Erfassung von Röntgenfluoreszenzdaten und zur Rekonstruktion eines 3D-Bildes der chemischen Zusammensetzung einer kleinen Probe mit einer räumlichen 3D-Auflösung unter 100 nm, d.h. etwa 1000-mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Zu diesem Zweck werden wir mit Röntgenlinsen einen derart kleinen Strahl erzeugen und Daten aufzeichnen, während wir die Probe mit sehr hoher Präzision mit einem Instrument abtasten, das speziell für diesen Zweck an der SLS entwickelt wurde. Wir werden zudem Analysestrategien entwickeln, die es uns ermöglichen, ähnlich wie bei der Röntgentomographie aus Messungen in verschiedenen Winkelorientierungen 3D-Informationen zu erhalten. Im Vergleich zur Standard-Tomographie stellen die sehr kleine Dimensionen besondere Herausforderungen: Selbst mit modernster Technologie, die für die extrem präzise Probenpositionierung entwickelt wurde, sind Bildkorrekturen erforderlich, wenn Messungen verschiedener Orientierungen kombiniert werden. Dazu werden wir unsere Messungen mit einer anderen Technik kombinieren, der sogenannten ptychographischen Computertomographie, die extrem hochauflösende Tomogramme, jedoch ohne chemischen Kontrast liefern kann.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Hochauflösende 3D-Bilder mit chemischem Kontrast werden für viele Wissenschaftler nützlich sein, die zu Synchrotrons kommen, um Proben für verschiedenste Anwendungen zu untersuchen. Zum Beispiel könnten Geopaläontologen anhand Fossilien alter Bakterien den Ursprung des Lebens auf der Erde weiter ergründen, und Botaniker könnten aufgrund genauer Vermessungen der Anreicherungen von Schwermetallen deren Vergiftungsmechanismus in Pflanzenzellen verstehen. Auch die Industrie kann von unserer Neuentwicklung profitieren, um ihre Produkte zu charakterisieren und Kosten oder Effizienz in der Produktion zu verbessern.

Direct link to Lay Summary Last update: 02.07.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169753 Characterization of defects by advanced x-ray diffraction techniques to evaluate deformation stages in micro-crystals 01.02.2017 Project funding (Div. I-III)
137772 High-resolution quantitative local X-ray phase tomography 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)
152554 Ptychography with extended depth of field for tomography applications 01.01.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

In this proposal we aim to develop an experimental and analytical procedure to obtain the three-dimensional (3D) distribution of elemental concentrations within a bulk specimen with an isotropic spatial resolution better than 100 nm. Such highly resolved 3D elemental distribution shall be obtained by combining two synchrotron-based techniques: scanning X-ray fluorescence (SXF) tomography and X-ray ptychographic tomography. To this aim we ask for funding by the Swiss National Science Foundation for a 2 year postdoctoral position and for an energy-dispersive X-ray detector.Elemental mapping in 3D on the nanoscale is an invaluable analytical tool for uncountable fields of research including materials science, geology and biology. Often used at photon energies on the order of 10 keV, SXF tomography is a powerful technique to obtain quantitative 3D elemental maps of bulk specimens with high sensitivity. Compared to electron microscopy (EM) based techniques or to atom probe tomography (APT), it can access volumes of several tens of microns in size without physically destroying the sample, which makes it an attractive alternative for studies in which changes within the sample upon different conditions are sought. Despite the recent progress in X-ray nano-focusing with high fluxes, 3D resolution in SXF tomography remains limited to a few hundreds of nanometers due to the time-consuming process of scanning relevant volumes and due to the challenging scanning precision requirements.We have recently developed a methodology that enables 3D X-ray microscopy at similar photon energies with isotropic 15 nm resolution using ptychographic tomography, a technique which also requires scanning the sample with a precision comparable to the aimed resolution. This achievement was possible by (1) the development of a unique instrument which can scan a specimen with 10 nm position accuracy with a rotation degree of freedom, (2) finding acquisition strategies that allow the efficient collection of data and (3) the development of image processing tools to align projections from different angles to obtain a high-resolution 3D image.Here we propose to record X-ray fluorescence spectra in addition to the diffraction patterns recorded in ptychographic tomography and develop acquisition and reconstruction strategies which will enable the efficient mapping of 3D elemental distributions with a resolution significantly better than 100 nm in 3D. Apart from meaning a breakthrough in SXF tomography resolution, our development will address typical practical difficulties in the application of SXF tomography such as long data acquisition times and self-absorption effects to recover quantitative elemental concentrations. In order to test our development, we will first use as a phantom specimen a small piece of a microelectronics chip consisting of multiple crossing connectors with feature dimensions down to about 100 nm. This sample is a perfect test specimen because the ptychographic tomogram will provide the highly resolved structure, with which we can compare the resulting 3D fluorescence map. Once the methodology has been established, the technique will be applied to inspect fossilized microorganisms to determine the distribution of Fe in their interior, which is relevant to understand metabolic processes of early forms of life on earth. The latter work will be done in collaboration with scientists from France.With the upcoming diffraction-limited storage rings, including the plan to upgrade the Swiss Light Source (SLS), we expect that the methodology here developed will be extensively used in next-generation synchrotron facilities around the world.
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