Automated Phase Plate Application In Transmission Electron Microscopy (PDF)

Transmission electron microscopy is an essential tool to determine the structure of biological and material-science samples. A majority of the studied specimen are phase objects, i.e. they impose a small distortion on the phase on the traversing electron wave. To visualize this signal, conventional transmission electron microscopy needs to apply intended lens aberrations, which results in distorted images.

Phase plate microscopy offers an alternative possibility to generate phase contrast without relying on the lens aberrations. However, the delicate alignment of the phase plates and their quick degeneration prevent their routine application.

In this work, approaches for automating the phase plate alignment are developed. To further improve the applicability, different means to reduce the so-called cut-on effect are evaluated. For that, the characteristics of a prototype instrument especially constructed to solve the cut-on problem are assessed and the properties of a new dynamic imaging mode examined in a theoretical study and by simulation.
The applicability of the approach is demonstrated on beam-sensitive samples using the developed automation routines.

Die Transmissionselektronenmikroskopie dient als essentielles Werkzeug der Strukturaufklärung biologischer und materialwissenschaftlicher Systeme. Ein Großteil der dort untersuchten Proben sind Phasenobjekte, d.h. ihre Interaktion mit der durchlaufenden Elektronenwelle bewirkt eine Phasenänderung selbiger. Zur Sichtbarmachung dieses Signals werden in der konventionellen Transmissionselektronenmikroskopie Linsenaberrationen benutzt, wobei das entstehende Bild von entsprechenden Abbildungsfehlern behaftet ist.

Phasenplattenmikroskopie bietet eine alternative Möglichkeit der Kontrasterzeugung, ohne dabei Linsenaberrationen zu benötigen. Jedoch verhindern sowohl die zur Anwendung notwendigen diffizilen Bedientechniken, als auch die große Empfindlichkeit heutzutage verfügbarer Phasenplattensysteme bisher einen routinemäßigen Einsatz.

In dieser Arbeit werden Möglichkeiten einer automatisierten Anwendung von Phasenplatten erarbeitet und deren Einsatzfähigkeit evaluiert. Der Fokus liegt hierbei auf der Begrenzung des sogenannten cut-on Effekts, welcher die Phasenkontrastübertragung für kleine Ortsfrequenzen limitiert. Dazu werden zum einen die Eigenschaften eines eigens zur Behebung dieses Problems konstruierten Prototypengeräts evaluiert, und zum anderen die Merkmale eines neuen, bisher nicht detailliert beschriebenen Abbildungsmodus theoretisch erarbeitet und seine praktische Anwendung auf strahlungsempfindlichen Proben unter Zuhilfenahme der entwickelten Automatisierungstechniken demonstriert.