Technische Entwicklung
Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Planung und Entwicklung von Ultrahochvakuum-Messtechnik. So werden die in unserer Forschung eingesetzten hochauflösenden Rastertunnelmikroskope (STMs) im Rahmen von Doktor- bzw. Masterarbeiten gefertigt. Die Neuentwicklungen in diesem Bereich umfassen UHV-AFM/STMs bei 0.4 K, Hochfrequenz-STMs zur zeitaufgelösten Messung mit atomarer Auflösung und Zeitauflösung 120 ps, STMs mit mehreren elektrischen Kontakten, STM-Spitzen deponiert auf GaAs Wafern und UHV-Masken-Positionierer mit Piezosteuerung.
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Die linke Seite zeigt die Autokorrelation der kürzestesten an der Tunnelbarriere erreichten Pulse. Das Bild im Bild zeigt die Tunnelspitze auf einen Hochfrequenzstecker montiert. Die rechte Seite zeigt eine Computerskizze des Mikroskops (Durchmesser 3cm).
Aufgrund der Bandbreitenbeschränkung durch den extrem hohen Verstärkungsfaktor unserer Vorverstärker (109 V/A) lassen sich zeitliche Phänomene nur auf der Millisekunden-Skala mit dem Rastertunnelmikroskop beobachten.
Nutzt man allerdings den Trick der Stroboskopischen Abtastung aus, so kann man mit Hilfe von ultrakurzen Tunnelspannungspulsen die Zeitauflösung enorm steigern. Die Zeitauflösung ist hierbei nur durch die Breite der Spannungspulse gegeben.
Wir haben ein Mikroskop entwickelt (Abbildung rechts), das mittels hochfrequenztauglicher Verkablung Spannungspulse bis hinunter zu 120ps an die Tunnelspitze anlegen kann (Autokorrelation der Pulse an der Tunnelbarriere im Bild links). Spitzen und Proben sind hierbei im Vakuum auswechselbar. Das Mirkroskop verrichtet zur Zeit seinen Dienst in einer Ultrahochvakuumanlage, in der das Mikroskop auf die Temperatur von flüssigem Helium (4K) gekühlt wird und die mit einem rotierbaren Vektormagnetfeld bis 7T ausgestattet ist.
Zugehörige Publikationen
- C. Saunus, J. Raphael Bindel, M. Pratzer, and M. Morgenstern Versatile scanning tunneling microscopy with 120ps time resolution Applied Physics Letters 102, 051601 (2013); doi:10.1063/1.4790180
[BibTeX] [Abstract] [Download PDF]
We describe a fully ultra-high vacuum compatible scanning tunneling microscope (STM) optimized for radio-frequency signals. It includes in-situ exchangeable tips adapted to high frequency cabling and a standard sample holder, which offer access to the whole range of samples typically investigated by STM. We demonstrate a time resolution of 120ps using the nonlinear I(V)-characteristic of the surface of highly oriented pyrolithic graphite. We provide atomically resolved images in pulse mode related to a spatially varying nonlinearity of the local density of states of the sample, thus, demonstrating the possible spatial resolution of the instrument in pulse mode. Analysis of the noise reveals that changes in the tunneling junction of 50pA are dynamically detectable at 120ps time resolution.
@article{:/content/aip/journal/apl/102/5/10.1063/1.4790180, abstract = {We describe a fully ultra-high vacuum compatible scanning tunneling microscope (STM) optimized for radio-frequency signals. It includes in-situ exchangeable tips adapted to high frequency cabling and a standard sample holder, which offer access to the whole range of samples typically investigated by STM. We demonstrate a time resolution of 120ps using the nonlinear I(V)-characteristic of the surface of highly oriented pyrolithic graphite. We provide atomically resolved images in pulse mode related to a spatially varying nonlinearity of the local density of states of the sample, thus, demonstrating the possible spatial resolution of the instrument in pulse mode. Analysis of the noise reveals that changes in the tunneling junction of 50pA are dynamically detectable at 120ps time resolution.}, added-at = {2015-03-17T00:20:01.000+0100}, author = {Saunus, Christian and Raphael Bindel, Jan and Pratzer, Marco and Morgenstern, Markus}, biburl = {http://www.bibsonomy.org/bibtex/2b1288f492f765ae277a07f424394a19a/institut2b}, description = {Versatile scanning tunneling microscopy with 120ps time resolution}, doi = {10.1063/1.4790180}, eid = {051601}, interhash = {42855c0861bdeef9a0cc9beb945cc8f4}, intrahash = {b1288f492f765ae277a07f424394a19a}, journal = {Applied Physics Letters}, keywords = {morgenstern}, number = 5, timestamp = {2015-03-17T00:20:01.000+0100}, title = {Versatile scanning tunneling microscopy with 120ps time resolution}, url = {http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/102/5/10.1063/1.4790180}, volume = 102, year = 2013 } - M. Morgenstern STM Ready for the Time Domain Science 329, 1609-1610 (2010); doi:10.1126/science.1194918
[BibTeX] [Download PDF]@article{Morgenstern24092010, added-at = {2015-03-17T00:24:37.000+0100}, author = {Morgenstern, Markus}, biburl = {http://www.bibsonomy.org/bibtex/27a9b24225f19d1ca3d98ad3b3987f5ad/institut2b}, description = {STM Ready for the Time Domain}, doi = {10.1126/science.1194918}, eprint = {http://www.sciencemag.org/content/329/5999/1609.full.pdf}, interhash = {156746079e769878738197b21533868a}, intrahash = {7a9b24225f19d1ca3d98ad3b3987f5ad}, journal = {Science}, keywords = {morgenstern}, number = 5999, pages = {1609-1610}, timestamp = {2015-03-17T00:24:37.000+0100}, title = {STM Ready for the Time Domain}, url = {http://www.sciencemag.org/content/329/5999/1609.short}, volume = 329, year = 2010 }
NanoSense unterhalb des SEMs
Es wurde ein Tastkopf (Nanofinger® bzw. NanoSense) weiterentwickelt, der es erlaubt, profilometrische Abbildungen von Nanostrukturen zu erzeugen. Die Arbeitsweise ähnelt dabei der eines Rasterkraftmikroskops. Der Tastkopf kann aufgrund seiner flachen Geometrie im SEM direkt unter dem Elektronenstrahl eingesetzt werden. Bei einem minimalen Abstand von 3 mm zwischen der Probe und dem Polschuh bleiben dabei die Abbildungseigenschaften des SEMs erhalten.
Mit diesem Werkzeug können in-situ erzeugte Strukturen (z. B. durch EBID, electron-beam induced deposition) oder Manipulationen zusätzlich zu der guten lateralen Auflösung des SEMs auch vertikal aufgelöst werden, was das Erstellen von Oberflächenprofilen mit einer Auflösung von 1 nm ermöglicht.
Links: SEM-Aufnahme einer Goldmarkierung. Die Spitze des NanoSense kommt von rechts oben. Rechts: Mit dem NanoSense erstellte Profillinie über der Kante der Goldmarkierung. Zwei Messungen je Messrichtung zeigen die Reproduzierbarkeit, wobei der Versatz durch thermische Drift verursacht wird.
Der NanoSense ist bereits im eLINE Plus System der Raith GmbH implementiert und dient neben der topografischen Analyse gewachsener Strukturen auch als Scout für elektrische Messspitzen und andere Werkzeuge (Nanowerkbank der Klocke Nanotechnik GmbH), die durch die Vermessung der Probenhöhe präzise über deren Oberfläche geführt werden können.
Links: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines InAs-Nanodrahts (NW) an der Kante eines GaAs-Wafers mit elektrischer Kontaktierung. Rechts: Mit dem InAs-Nanodraht atomar aufgelöste Gold(111)-Oberfläche. Die helleren Bereiche stammen von der Oberflächenrekonstruktion.
InAs-Nanodrähte werden an den gebrochenen Ecken eines GaAs-Wafers plaziert und lithografisch kontaktiert. Die Nanodrähte werden als STM Spitzen mit einer z-Auflösung von 3 pm eingesetzt. Eine Elektronik, die direkt auf dem GaAs-Wafer integriert ist, wird zur Zeit entwickelt.
Zugehörige Publikationen
- K. Flöhr, K. Sladek, H. Yusuf Günel, M. Ion Lepsa, H. Hardtdegen, M. Liebmann, T. Schäpers, and M. Morgenstern Scanning tunneling microscopy with InAs nanowire tips Applied Physics Letters 101, 243101 (2012); doi:10.1063/1.4769450
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Indium arsenide nanowiresgrown by selective-area vapor phase epitaxy are used as tips for scanning tunneling microscopy(STM). The STM tips are realized by positioning the wires manually on the corner of a double cleaved gallium arsenide wafer with sub-µm precision and contacting them lithographically, which is fully compatible with further integrated circuitry on the GaAs wafer. STM images show a z noise of 2pm and a lateral stability of, at least, 0.5nm on a Au(111) surface.I(z) spectroscopy reveals an exponential decay indicating tunneling through vacuum. Subsequent electron microscopy images of the tip demonstrate that the wires are barely modified during the STM imaging.
@article{:/content/aip/journal/apl/101/24/10.1063/1.4769450, abstract = {Indium arsenide nanowiresgrown by selective-area vapor phase epitaxy are used as tips for scanning tunneling microscopy(STM). The STM tips are realized by positioning the wires manually on the corner of a double cleaved gallium arsenide wafer with sub-µm precision and contacting them lithographically, which is fully compatible with further integrated circuitry on the GaAs wafer. STM images show a z noise of 2pm and a lateral stability of, at least, 0.5nm on a Au(111) surface.I(z) spectroscopy reveals an exponential decay indicating tunneling through vacuum. Subsequent electron microscopy images of the tip demonstrate that the wires are barely modified during the STM imaging.}, added-at = {2015-03-17T00:21:24.000+0100}, author = {Flöhr, Kilian and Sladek, Kamil and Yusuf Günel, H. and Ion Lepsa, Mihail and Hardtdegen, Hilde and Liebmann, Marcus and Schäpers, Thomas and Morgenstern, Markus}, biburl = {http://www.bibsonomy.org/bibtex/22b66d8eb206fb55826beff8015eff31e/institut2b}, description = {Scanning tunneling microscopy with InAs nanowire tips}, doi = {10.1063/1.4769450}, eid = {243101}, interhash = {f73d9d45cc3735c1550b890c1b68cc68}, intrahash = {2b66d8eb206fb55826beff8015eff31e}, journal = {Applied Physics Letters}, keywords = {morgenstern}, number = 24, timestamp = {2015-03-17T00:21:24.000+0100}, title = {Scanning tunneling microscopy with InAs nanowire tips}, url = {http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/101/24/10.1063/1.4769450}, volume = 101, year = 2012 }
- K. Flöhr, M. Liebmann, K. Sladek, Y. H. Günel, R. Frielinghaus, F. Haas, C. Meyer, H. Hardtdegen, T. Schäpers, D. Grützmacher, and M. Morgenstern Manipulating InAs nanowires with submicrometer precision Review of Scientific Instruments 82, 113705 (2011); doi:10.1063/1.3657135
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InAsnanowires are grown epitaxially by catalyst-free metal organic vapor phase epitaxy and are subsequently positioned with a lateral accuracy of less than 1 µm using simple adhesion forces between the nanowires and an indium tip. The technique, requiring only an optical microscope, is used to place individual nanowires onto the corner of a cleaved-edge wafer as well as across predefined holes in Si3N4 membranes. The precision of the method is limited by the stability of the micromanipulators and the precision of the optical microscope.
@article{:/content/aip/journal/rsi/82/11/10.1063/1.3657135, abstract = {InAsnanowires are grown epitaxially by catalyst-free metal organic vapor phase epitaxy and are subsequently positioned with a lateral accuracy of less than 1 µm using simple adhesion forces between the nanowires and an indium tip. The technique, requiring only an optical microscope, is used to place individual nanowires onto the corner of a cleaved-edge wafer as well as across predefined holes in Si3N4 membranes. The precision of the method is limited by the stability of the micromanipulators and the precision of the optical microscope.}, added-at = {2015-03-17T00:24:12.000+0100}, author = {Flöhr, Kilian and Liebmann, Marcus and Sladek, Kamil and Günel, H. Yusuf and Frielinghaus, Robert and Haas, Fabian and Meyer, Carola and Hardtdegen, Hilde and Schäpers, Thomas and Grützmacher, Detlev and Morgenstern, Markus}, biburl = {http://www.bibsonomy.org/bibtex/21772892de8682a3b33d1f46543586b59/institut2b}, description = {Manipulating InAs nanowires with submicrometer precision}, doi = {10.1063/1.3657135}, eid = {113705}, interhash = {3ed5557bf542886617cd9b0d24d8af7d}, intrahash = {1772892de8682a3b33d1f46543586b59}, journal = {Review of Scientific Instruments}, keywords = {morgenstern}, number = 11, timestamp = {2015-03-17T00:24:12.000+0100}, title = {Manipulating InAs nanowires with submicrometer precision}, url = {http://scitation.aip.org/content/aip/journal/rsi/82/11/10.1063/1.3657135}, volume = 82, year = 2011 }
Unsere neue Ultrahochvakuum-STM Anlage erlaubt Untersuchungen bei 380 mK und einem Magnetfeld von bis zu 14 Tesla. Dabei wird das magnetische Feld senkrecht zur Probenoberfläche angelegt. Ein selbstgebautes kombiniertes Rastertunnel-/Rasterkraftmikroskop (AFM/STM) mit qPlus-Sensor befindet sich in einem Kryostaten im Ultrahochvakuum und im Zentrum der supraleitenden Magnetspule, die mit flüssigem Helium (4,2 K) gekühlt wird. Das Mikroskop selbst wird durch Helium-3, ein seltenes Helium-Isotop, bis auf 0,3 Kelvin herabgekühlt.
Schematische Zeichnung der Tieftemperatur AFM/STM Anlage.
Proben und Spitzen für das Rastertunnelmikroskop können in zwei separaten Ultrahochvakuum-Kammern der Anlage präpariert und voruntersucht werden. Hierfür stehen MBE-Verdampfer, Argon-Sputterkanone, eine LEED/Auger-Einheit sowie Probenheizungen zur Verfügung. Da das Rastertunnelmikroskop extrem vibrationsempfindlich ist, befindet sich die gesamte Anlage mit starrem Rahmen und einem Gewicht von etwa 2,5 Tonnen auf vier Luft-gepolsterten Füßen in einem eigenen Schallschutzraum.
Fotos des neu entwickelten Transportsystems für Proben, qPlus-Sensoren und STM-Spitzen, sowie der beiden Messplätze, die 2- und 4-Punkt Leitfähigkeitsmessungen erlauben mit zusätzlichem Gate-Kontakt.
Das kombinierte Rasterkraft-/Rastertunnelmikroskop (AFM/STM) auf Basis einer Quarz-Stimmgabel (qPlus-Sensor) wurde in unserer Arbeitsgruppe aufgebaut. Der qPlus-Sensor sitzt auf einem xy-Verschiebetisch mit 2×2 mm Verfahrweg und kann in-situ ausgetauscht werden. Die Probenhalterung ist auf dem Piezoscanner untergebracht und verfügt über einen separaten Gate-Kontakt. Durch die Kombination von AFM und STM ist die Navigation auch auf nanostrukturierten Proben mit isolierenden Substraten (z.B. Graphen auf SiO2) möglich. Eine weitere Besonderheit des Mikroskops ist der eingebaute Transportmessplatz, der neben den ortsaufgelösten AFM/STM-Messungen, auch 4-Punkt Leitfähigkeitsmessungen der Proben erlaubt.
Tieftemperatur Kombi-Mikroskop (Rastertunnel- und Rasterkraft-Mikroskop).
Eigenbau Rastertunnelmikroskope. Links: Tieftemperatur (400mK) Ultrahochvakuum AFM/STM mit Q-Plus-Sensor. Rechts: Tieftemperatur-Hochfrequenz STM für UHV und hohe Magnetfelder konzipiert. Die Zeitauflösung beträgt 120 ps. Das Mikroskop ermöglich einen in situ Spitzenwechsel.