Electron vortex beams in the scanning electron microscope

Mgr. Bc. Tomáš Řiháček, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Strukturování elektronového svazku je aktuální téma, které přitáhlo v posledním desetiletí značnou pozornost mikroskopické komunity. Studium a vývoj metod pro manipulaci s fází a rozložením amplitudy elektronového svazku poskytuje zajímavé vyhlídky na rozšíření analytických a zobrazovacích možností v elektronových mikroskopech. Svazky s orbitálním momentem hybnosti, takzvané vortexové (nebo též vírové) svazky, které jsou již dlouho známé ve světelné optice, jsou jedním z příkladů takového tvarování svazku. Dosud byl však veškerý jejich výzkum omezen pouze na transmisní elektronové mikroskopy, kde lze tvar stopy svazku snadno detekovat pomocí zobrazovací optiky. V rastrovacím elektronovém mikroskopu však žádná taková přirozená možnost není. Cílem této práce je přenést některé techniky tvarování svazku, zejména pak vytvoření vortexového svazku, do rastrovací elektronové mikroskopie. Tvarování svazku nejprve ukazuji na jednoduchém případě, difrakci na pravoúhlé mřížce, a kde zobrazím difrakční obrazec. Výsledky ukazují, že mřížku lze použít jako dělič svazku. Dále studuji hlavní parametry optického systému, které ovlivňují vlastnosti výsledného vortexového svazku. Implementovány jsou dvě zavedené experimentální metody pro vytvoření vortexového svazku: holografická rekonstrukce a magnetická fázová destička. Obě metody jsou využity k prvnímu vytvoření vortexového svazku v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Dále je ukázáno, že takový svazek je možné použít k běžnému zobrazení vzorku. Také představuji a aplikuji metodu pro experimentální měření rozložení proudové hustoty v rozostřeném svazku, a tím zobrazení jeho tvaru. Možnost vytvořit vortexový svazek také v rastrovacím mikroskopu může vést k rozvoji nových aplikací, přičemž nápady na některé z nich uvádím jako možný směr dalšího výzkumu. Vzhledem k poměrně velké rozšířenosti rastrovacích mikroskopů by tyto metody mohly být prospěšné pro větší část vědecké komunity.

Abstract:

Structuring of the beam in the electron microscope is a topical field of research that has attracted significant attention in the electron microscopy community in the past decade. Studying and developing methods for manipulation with electron phase and amplitude distribution propose bright prospects for enlarging analytical and imaging capabilities of conventional electron microscopes. Beams with a well-defined orbital angular momentum, so-called vortex beams, have been known in the light optics for a long time, and are an example of the patterned beam. So far, all the research has only been dedicated to transmission electron microscopes, where the modified beam spot can be easily imaged using imaging optics. However, this is not the case in the scanning electron microscope (SEM), which has no native capability for directly imaging the spot shape. The goal of this thesis is to transfer the beam patterning techniques, especially of vortex beam creation, to SEM. We experimentally perform the electron beam diffraction on a rectangular grating, as a simple example of beam shaping, and image the diffraction pattern. The results show that the grating can be used as a beam splitter. Then, we analyze the essential optical system parameters that have a substantial effect on the vortex beam properties. We implement two well-established methods for the vortex beam production: the holographic reconstruction method and the magnetic spiral phase plate, and we experimentally create a vortex beam using both of them. This is the first time a vortex beam has been achieved in the SEM. Moreover, we proved that such a beam can be used for obtaining an SEM image of a specimen. We also propose and implement a technique for the experimental measurement of the probe current intensity distribution of a defocused beam, and thus imaging the spot in an out-of-focus plane. The ability to produce electron vortex beams also in the SEM could possibly pave the way for new applications. We also propose some ideas for potential applications as a possible subject of future research. Due to the widespread availability of scanning electron microscopes, such new methods could be beneficial for a much wider scientific community.

Keywords

Elektronový vortexový svazek, Rastrovací elektronový mikroskop, Tvarování elektronového svazku, Strukturovaný elektronový svazek, Elektronová difrakce, Electron vortex beam, Scanning electron microscope, Electron beam shaping, Patterned electron beam, Electron diffraction

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 3. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 18. 6. 2021
• Supervisor: Ing. Ilona Müllerová, DrSc.
• Reader: RNDr. Vladimír Kolařík, CSc., Assoc. Prof. Benjamin McMorran, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Wave and Particle Optics