Construction and Calibration of an Experimental Setup for Luminescence Scanning Tunneling Microscopy
Starting from an empty laboratory, this thesis treats the installation of the Photon STM, a novel experimental STM setup for sub-nanosecond resolution in time and atomic resolution in space. An optical access is provided using a parabolic mirror to examine tunneling luminescence. The STM is operated in a low-temperature (4K) ultra-high vacuum (UHV) environment suspended by two mechanical damping stages. The STM design is based on a piezo-ceramic tube as a scanner and a piezo-electric inertia motor for coarse sample motion towards the scanner. An in-situ adjustable parabolic mirror covering around 68 % of the hemisphere works as the photon collector. A second sample slot on a movable carriage is employed for quickly switching between two samples and changing the region. Both sample and tip have high-frequency cabling as far as possible. The bandwidth in gigahertz range theoretically allows for sub-nanosecond pump-probe experiments. A sample preparation chamber is part of the UHV system. Up to now, the preparation chamber enables Argon ion sputtering, annealing and organic thin film deposition and has several slots for possible future upgrades. The combination of measurement and preparation allows for quick sample transfer without the risk of contamination. A load-lock is provided to transfer samples without breaking the UHV, and a UHV-suitcase allows to transfer samples between different machines without exposing them to air. The analysis and optimization of several design aspects utilizing different kinds of simulations before and during construction were part of this thesis. Among these are a homebuilt ray-tracing study and a thermal finite-element analysis (FEA) written in python as well as a mechanical FEA tool which was delivered with the CAD software. After building up the device, the first experiments were performed on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and gold-(111). The calibration constants of the STM at room temperature and 4.2 K could be obtained using these samples. Using a gold tip and a gold sample, I adjusted the optical path and performed first proof-of-concept measurements of photon maps.
Ausgehend von einem leeren Labor behandelt diese Arbeit die Konstruktion des Photon STM, eines neuen Aufbaus für Raster-Tunnel-Mikroskopie (scanning tunneling microscopy oder microscope, STM) mit einer Zeitauflösung im Sub-Nanosekunden-Bereich und atomarer Ortsauflösung. Ein optischer Zugang ist durch einen parabolischen Spiegel realisiert, um Tunnel-Lumineszenz zu untersuchen. Das STM wird bei tiefen Temperaturen (4K) im Ultrahochvakuum (UHV) auf einer zweistufigen mechanischen Dämpfung betrieben. Die STM-Konstruktion basiert auf einer piezo-keramischen Röhre als Scanner und einem piezo-elektrischen Trägheitsmotor für die grobe Bewegung der Probe zum Scanner hin. Ein in-situ justierbarer Parabolspiegel, der 68 % der Hemisphäre über dem Tunnelkontakt abdeckt, wird als Photonenkollektor genutzt. Ein beweglicher Probenschlitten mit einer zweiten Probenaufnahme ermöglicht die Auswahl des Messbereichs auf einer Probe sowie das schnelle Wechseln zwischen zwei Proben. Sowohl Probe als auch Spitze sind soweit möglich für hohe Frequenzen verkabelt. Die Bandbreite im Gigahertz-Bereich ermöglicht Pump-Probe-Versuche mit einer theoretischen Zeitauflösung im Sub-Nanosekunden-Bereich. Eine Probenpräparationskammer ist Teil des UHV-Systems. Aktuell ermöglicht die Präparationskammer Argon-Ionensputtern, Heizen und organische Dünnschichtdeposition, zudem gibt es mehrere Schnittstellen für spätere Erweiterungen. Die Kombination von Mess- und Präparationsaufbau ermöglicht schnellen Probentransfer ohne die Probe zu kontaminieren. Eine Probenschleuse ermöglicht den Transfer von Proben zwischen verschiedenen Maschinen ohne sie der Luft auszusetzen. Die Analyse und Optimierung einiger Konstruktionsaspekte mittels verschiedener Simulationen vor und während der Konstruktion waren Teil dieser Arbeit. Darunter sind in Python selbstgeschriebene Ray-Tracing- und zweidimensionale thermische Finite-Elemente-Simulationen, sowie mechanische Finite-Elemente-Studien als Teil der CAD-Software. Nach dem Aufbau wurden die ersten Experimente auf hochorientiertem pyrolytischem Graphit (HOPG) und Gold-(111) gemacht. Die Kalibrierungskonstanten des STM für Raumtemperatur und 4.2 K wurden mit diesen Proben ermittelt. Mit einer Goldspitze und einer Goldprobe habe ich außerdem den optischen Pfad justiert und erste Photon-Maps als Proof of Concept gemessen.
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