Implementierung eines metrologischen Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskops
Rastertunnelmikroskope (scanning tunneling microscope, STM) sind eine Gruppe von Instrumenten, welche mit einer Messspitze Oberflächen abtasten. Unter Ausnutzung des Tunnelstroms zwischen Spitze und Probe sind sie in der Lage Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden. Allerdings ist die Positionierung der Messspitze stark von Nichtlinearitäten und Hysterese sowie Drift des Positioniersystems betroffen. Dadurch ist es mit bisher existierenden STMs nicht möglich, zuverlässige rückführbare dimensionelle Messungen an ebendiesen Oberflächen vorzunehmen. Ein STM, welches diese Möglichkeiten hätte, würde es beispielsweise ermöglichen, Aussagen über die Gitterkonstanten von Oberflächenrekonstruktionen kristalliner Materialien zu treffen. Mit diesen Messungen wäre es möglich, den Gitterabstand zur Kalibrierung anderer Instrumente zu verwenden, welche diese Oberflächen abbilden können. Ebenso könnten sogar in der Vergangenheit liegende Messungen mit einem rückgeführten Längenmaßstab versehen werden. Ziel dieser Arbeit ist es, ein STM zu implementieren, welches in allen drei Raumrichtungen dimensionell rückgeführt messen kann. Ebenso soll es in der Lage sein, unter Ultrahochvakuumbedingungen zu messen, um auch Messungen an Materialien zu ermöglichen, welche unter Umgebungsbedingungen oxidieren. Dazu wird ein existierendes STM mit sechs Interferometern ausgerüstet, welche Drehung und Verschiebung in allen sechs Freiheitsgraden messen können. Besonders der Einsatz unter Ultrahochvakuumbedingen und die damit verbundenen Anforderungen an den Aufbau und die verwendeten Materialien, sowie der durch die Vakuumkammer eingeschränkte Bauraum stellen dabei große Herausforderungen dar. Inhalt der Arbeit ist die Konstruktion eines Interferometeraufbaus und dessen Anpassung an das bestehende STM. Dabei werden besonders die Voraussetzungen für den Einsatz im Ultrahochvakuum und der begrenzte Bauraum berücksichtigt. Ebenso wird auf die Auslegung und Fertigung elektronischer und mechanischer Komponenten unter den gleichen Gesichtspunkten eingegangen. Weiterhin werden kommerzielle Komponenten ausgewählt und auf ihre Tauglichkeit hin untersucht. Auch der Zusammenbau und die Justage des Aufbaus werden beschrieben und die Funktionsfähigkeit des Instrumentes unter Umgebungsbedingungen wird demonstriert. Auf weitere Schritte, welche notwendig sind um das UHV-STM zur vollen Einsatzbereitschaft zu bringen wird ebenfalls eingegangen.
Scanning Tunneling Microscopes (STM) are a class of instruments, which scan surfaces using a small metal tip. Utilizing the tunnel current between tip and sample, they are capable to provide images of surfaces with atomic resolution. However, the positioning of the tip relative to the sample is highly affected by hysteresis, nonlinearities and drift of the positioning system. Therefore it is not possible for current STMs to perform traceable dimensional measurements on the aforementioned surfaces. A STM with these capabilities could enable one to measure the lattice constant of surface reconstructions of crystalline materials. With these measurements it would in turn be possible to calibrate measurements of other instruments which can resolve these surfaces. Even calibrations of past measurements could thus be an option. The goal of this work is to implement an instrument which can provide for traceable dimensional measurements in all three lateral dimensions. Also it must be capable of operating under ultra-high vacuum conditions in order to enable the examination of materials which would oxidize under ambient conditions. To achieve this goal, an existing STM is being outfitted with six interferometers, which can measure displacement and tilt of sample and tip in all six degrees of freedom. Especially the operation under vacuum conditions is challenging, as the used materials and the setup must all be suited for these conditions. Also the limited space inside the vacuum chamber, which needs to accommodate all six interferometers must be taken into account. The scope of this work is the construction of a interferometer setup and its adaption to the existing STM. Especially the requirements for the operation under UHV conditions as well as the space constraints are taken into account. Also the development and manufacture of electronics and mechanical components under the same aspects is described. Furthermore, the selection of commercial components and their testing for suitability is discussed. The assembly and adjustment of the measurement setup is also handled and its functionality under ambient conditions is demonstrated. Further steps, which will be necessary in order to bring the instrument into full working order are also described.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
