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Aufbau eines Ultrahochvakuum-Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops

Mühlenberend, Lars - Christian-Albrechts-Universität Kiel (2015)


In dieser Arbeit werden die Entwicklung, der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops vorgestellt, welches unter Ultrahochvakuumbedingungen betrieben wird.

Der Vakuumaufbau besteht aus drei Vakuumkammern: In die Präparationskammer werden Tunnelspitzen und Proben geschleust und für die Messung vorbereitet. Dort sind eine Reinigung durch Ionenbeschuss und Erhitzen, das Auftragen von Adsorbaten über verschiedene Verdampfer sowie eine erste Kontrolle des Präparationsergebnisses über ein LEED- beziehungsweise ein AES-Instrument möglich. In der Lagerkammer können bis zu 30 Objekte unter Ultrahochvakuumbedingungen aufbewahrt werden. Von hieraus werden sie in die STM-Kammer transferiert, wo das eigentliche Mikroskop mit Tunnelspitzen und Proben bestückt wird. Über eine Verdampferquelle ist es zudem möglich, die kalte Probe direkt im Mikroskop zu bedampfen.

Das eingesetzte Mikroskop wurde von mir für diesen Aufbau entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit fertiggestellt. Es werden Änderungen zum ursprünglichen Aufbau des Mikroskops gezeigt, durch die insbesondere die Fahreigenschaften der Haft-Gleit-Antriebe im Mikroskop deutlich verbessert werden.

Messungen bei Temperaturen unter 4K werden durch einen Helium-Bad-Kryostaten mit einer integrierten Verdampferstufe ermöglicht. Ein im Kryostaten platzierter supraleitender Zwei-Achsen-Magnet erlaubt es, Messungen in einem variablen externen Magnetfeld durchzuführen. Entlang der Probennormalen kann eine Feldstärke von 8T erzeugt werden, entlang einer hierauf senkrecht stehenden Achse eine Feldstärke von 3 T. Es werden Maßnahmen zur thermischen Ankoppelung des Mikroskops an den Kryostaten vorgestellt, die sowohl einen guten Wärmekontakt zwischen Mikroskop und Kryostat als auch einen geringen Wärmeeintrag durch die benötigten elektrischen Zuleitungen sicherstellen. Schließlich wird gezeigt, dass der Anbau des Mikroskops weder zu einer Vergrößerung des Verbrauchs von Flüssighelium noch zu einer Erhöhung der erreichten Betriebstemperatur von 1,00K führt.

Zur Erklärung von starken mechanischen Schwingungen des Mikroskops wird eine Analyse möglicher Ursachen durchgeführt, die eine permanente Schwingungsanregung der Verdampferstufe des Kryostaten durch die eingesetzte aktive Schwingungsisolierung ergibt. Es werden Maßnahmen vorgestellt, durch die schließlich ruhige Tunnelkontakte hergestellt werden konnten: Der Umbau der Schwingungsisolierung zu einem rein passiven System, eine Modifikation der Probenbefestigung sowie eine zusätzliche Abstrebung des Mikroskops.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine neu entwickelte und erfolgreich aufgebaute Anlagensteuerung gezeigt. Über ein Kontrollprogramm ermöglicht sie eine Steuerung vieler Komponenten des Aufbaus, wie Vakuumpumpen oder Ventile. Als Teil dieser Steuerung wurden Geräte entwickelt, von denen beispielhaft ein Kontrollgerät für Vakuumventile sowie eine Steuerung zum Ausheizen des Vakuumsystems genauer vorgestellt werden.

Im Anschluss wird die Zusammenstellung einer Messelektronik aus überwiegend vorhandenen Komponenten gezeigt, mit der erste Testmessungen mit dem Gesamtaufbau durchgeführt wurden.

Die Ergebnisse dieser Testmessungen werden abschließend präsentiert. Nach einer Kalibrierung des Piezo-Aktuators an der Topographie der Au(111)-Oberfläche wird anhand von Stehwellenmustern auf der Cu(111)-Oberfläche ein Höhen-Auflösungsvermögen von unter 3pm gezeigt. Die Langzeit-Stabilität und Funktionstüchtigkeit des Mikroskops im externen Magnetfeld bei tiefen Temperaturen werden erfolgreich überprüft, indem eine Anordnung aufgedampfter Kobalt-Inseln wiederholt abgebildet wird. Abschließende spektroskopische Messungen an Blei zeigen eine verbreiterte Supraleiter-Energielücke, deren mögliche Ursachen eingegrenzt und diskutiert werden.


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