Ptychographie ist ein kohärentes Beugungsabbildungsverfahren, das hochaufgelöste, quantitativ phasenempfindliche Rekonstruktionen von Materialien ermöglicht. Im Gegensatz zur konventionellen Bildgebung werden nicht direkt Bilder, sondern überlappende Beugungsbilder eines eng fokussierten Strahls (Röntgen, Elektronen, Photonen im sichtbaren Bereich) aufgezeichnet und anschließend numerisch ausgewertet.

Das grundlegende Prinzip beruht auf der rasterförmigen Abtastung einer Probe mit einem teilweise überlappenden Beleuchtungsfeld. Für jede Position wird das Fernfeldbeugungsbild aufgenommen. Aus der Menge dieser überlappenden Datensätze kann mittels iterativer Phasenrückgewinnungsalgorithmen (z. B. ePIE, DM) simultan sowohl die komplexe Transmissionsfunktion der Probe als auch das Beleuchtungsprofil rekonstruiert werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit optischer Abbildungselemente mit hoher Qualität.

In den Materialwissenschaften bietet die Ptychographie mehrere zentrale Vorteile: (i) hohe laterale Auflösung, die bei Röntgen- und Elektronenptychographie unter die nominale Strahlfleckgröße und teilweise unter die Beugungsgrenze konventioneller Optiken reicht; (ii) quantitative Phaseninformation, die es erlaubt, lokale Dicke, Dichte oder Brechungsindexänderungen zu bestimmen; (iii) hohe Dynamik und Empfindlichkeit für schwach streuende oder strahlungsempfindliche Proben.

Anwendungen umfassen die Analyse von Nanostrukturen in Halbleitern, Defekten und Versetzungsfeldern in Kristallen, inneren Strukturen von Energiematerialien (Batteriekathoden, Katalysatoren) sowie in-situ-Studien von Transformationsprozessen unter thermischer, mechanischer oder elektrochemischer Belastung. Erweiterungen wie spektrale oder ptychographische Tomographie erlauben dreidimensionale, chemisch sensitive Rekonstruktionen. Herausforderungen liegen in der hohen Datenrate, dem Rechenaufwand und der benötigten Strahlkohärenz, die jedoch durch Fortschritte bei Synchrotronquellen, Elektronenmikroskopen und numerischen Methoden zunehmend adressiert werden.