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Novel high-resolution and 3D diffraction imaging methods

Applicant Latychevskaia Tatiana
Number 197107
Funding scheme Project funding
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.08.2021 - 31.07.2025
Approved amount 500'000.00
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Keywords (9)

convergent beam electron diffraction; iterative phase retrieval; holography; electron microscopy; diffraction; graphene; van der Waals structures; wavefront modulation; ptychography

Lay Summary (German)

Lead
Das Ziel moderner Bildgebungstechnologien ist es, einzelne Objekte mit hoher - wenn möglich atomarer - Auflösung sichtbar zu machen. Derzeit werden dreidimensionale und hochauflösende Strukturen von Makromolekülen hauptsächlich durch Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronenmikroskopie bestimmt. Die so definierten Strukturen sind jeweils das Ergebnis einer Mittelung über eine Vielzahl gleichartiger Makromoleküle, die sich überdies in einer unnatürlichen Umgebung befinden. Die hier vorgeschlagenen Methoden zielen hingegen darauf ab, einzelne Moleküle direkt abzubilden, ohne dass eine solche Mittelung erforderlich ist.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das vorliegende Forschungsprojekt befasst sich mit der Entwicklung neuartiger Methoden für die dreidimensionale und hochauflösende Abbildung einzelner Objekte. Die Methoden werden in Simulationen verifiziert und in Elektronenbeugungsexperimenten an materialwissenschaftlichen Proben, wie etwa an Van-der-Waals-Strukturen, demonstriert. Zu den Methoden gehört einerseits die konvergente Elektronenbeugung (convergent beam electron diffraction, CBED), die erst kürzlich an kristallinen, zweidimensionalen Materialien erprobt wurde. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wird diese Methode für die Abbildung einzelner, auf 2D-Trägern positionierter, Proben angepasst. Als eine weitere Methode wird die dreidimensionale Elektronen-Ptychographie theoretisch und anhand von Simulationen entwickelt sowie experimentell an Van-der-Waals-Strukturen demonstriert.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die hier erforschten Methoden dienen der Weiterentwicklung von Bildgebungstechnologien für die hochauflösende und dreidimensionale Strukturbestimmung von nichtkristallinen Proben. Die weiterführende Untersuchung von CBED trägt dazu bei, Prinzipien der Bildgebung und der Datenanalyse für Objekte, die mit konvergenten/divergenten Wellenfronten untersucht wurden, zu etablieren. Die 3D-Elektronen-Ptychographie eröffnet neue Möglichkeiten für die dreidimensionale Strukturbestimmung und definiert die Auflösungsgrenzen neu.

Direct link to Lay Summary Last update: 08.07.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Abstract

The objective of this project is to develop novel imaging methods for three-dimensional (3D) and high-resolution imaging of individual objects. The developed methods will be verified by simulation studies and demonstrated in electron diffraction experiments on material science samples such as van der Waals structures or in optical proof-of-concept experiments. The methods will serve as background for further development of imaging techniques for high-resolution and 3D structure determination of arbitrary samples, including biological samples such as proteins. Currently 3D and high-resolution structures of proteins are mainly obtained by X-ray crystallography and cryo-electron microscopy and are the result of averaging over a large number of macromolecules in unnatural environment. The proposed here methods aim towards imaging of individual particles without a need for averaging over a large number of identical particles. Holographic convergent beam electron diffraction (CBED) recently demonstrated on 2D crystalline materials will be adapted for imaging individual particles deposited onto 2D support. In holographic CBED, the presence of the reference wave scattered from the support allows for an easy recovery of the phase information and thus, the sample structure reconstruction. High-resolution holographic CBED of individual particles will provide a method for high-resolution imaging of individual particles from one single CBED pattern. 3D ptychographic method will be theoretically and numerically developed and experimentally demonstrated for imaging van der Waals structures.
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