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Development and implementation of electrostatic Zach phase plates for phase contrast transmission electron microscopy

Frindt, Nicole Ursula Hannelore

German Title: Entwicklung und Anwendung elektrostatischer Zach Phasenplatten für die Phasenkontrast Transmissionselektronenmikroskopie

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Abstract

Transmission electron microscopy (TEM) plays an important role in structure determination of biologi- cal or material science samples. Resolutions up to the sub- ̊Angstrøm range are attainable. Weak phase objects do not reach this resolution due to their low signal-to-noise ratio. As the structure information of weak phase objects is mainly contained in their phase contrast, the conventional method for contrast enhancement is image acquisition at high defocus. This leads to a lower attainable resolution and con- trast inversion for different spatial frequencies, due to the sinusoidal phase contrast transfer function. As a consequence of these drawbacks, the development of physical phase plates for in-focus phase con- trast enhancement in TEM is of widest interest. In this thesis the development and application of the electrostatic Zach phase plate (ZPP) is presented. The impact of ZPP positioning on single sideband image artefacts is investigated. The applicability of the ZPP for inducing invertible and tunable phase contrast is demonstrated for the first time experimentally on frozen-hydrated biological samples. ZPP contamination, resulting charging artefacts and solution for these problems are presented. Furthermore the application of the ZPP with conventional electron optics and with a microscope containing a diffrac- tion magnification unit and an aberration corrector is compared. From this new insights into the design and use of an obstruction free anamorphic phase plate (APP) can be gained.

Translation of abstract (German)

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) spielt eine zentrale Rolle in der Strukturaufklärung von biologischen und materialwissenschaftlichen Proben. Geräteseitig sind Auflösungen im sub- ̊Angstrøm Bereich möglich. Schwache Phasenobjekte erreichen diese Auflösung aufgrund ihres niedrigen Signal- Rausch-Verhältnis nicht. Da die Strukturinformation schwacher Phasenobjekte hauptsächlich in ihrem Phasenkontrast enthalten ist, besteht die konventionelle Methode zur Verstärkung ihres Phasenkontrasts in der Bildaufnahme mit hohem Defokus. Dies verringert die erreichbare Auflösung und führt, aufgrund der sinusförmigen Phasenkontrast-Transferfunktion, zu einer Kontrastumkehr für verschiedene Ortfrequenzen des Objekts. Aufgrund dieser Probleme ist die Entwicklung von physikalischen Phasenplatten für die in-Fokus Phasenkontrast-Verstärkung in der TEM von großem Interesse. In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Anwendung der elektrostatischen Zach Phasenplatte (ZPP) vorgestellt. Der Einfluss der ZPP Positionierung auf das entstehende single sideband Bildartefakt wird untersucht. Die Anwendbarkeit der ZPP zur Erzeugung von invertierbarem und abstimmbarem Phasenkontrast wird an gefrorenen, hy- dratisierten biologischen Proben erstmals demonstriert. Es werden ZPP Kontaminationen, daraus resultierende Aufladungsartefakte und mögliche Lösungen dieser Probleme vorgestellt. Weiterhin wird die Anwendbarkeit der ZPP in einer konventionellen Elektronenoptik und in einem Mikroskop mit Diffraktions-Vergrößerungs-Einheit und Aberrationskorrektor verglichen. Daraus ergeben sich Weiterentwicklungen in Richtung einer abschattungsfreien, anamorphen Phasenplatte (APP), für die auf Simulationen basierende Vergleiche zwischen ZPP und APP diskutiert werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schröder, Prof. Dr. Rasmus R.
Date of thesis defense: 6 February 2013
Date Deposited: 28 Feb 2013 08:03
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
570 Life sciences
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