Instrumentation
Unsere Arbeitsgruppe verfügt zur Zeit über fünf Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskope (UHV-STMs), darunter ein kombiniertes Rasterkraft-/Rastertunnelmikroskop, sowie einen Transportmessplatz zur Messung von elektrischen Leitfähigkeiten bei 280mK und 10T. Zwei STM-Systeme arbeiten bei tiefen Temperaturen (5K und 380mK). Zwei weitere Tieftemperatur-STM Anlagen (400mK, 800mK) befinden sich im Aufbau. Nähere Informationen zu den Systemen erhalten Sie durch Anklicken der Felder.
Unsere neue Ultrahochvakuum-STM Anlage erlaubt Untersuchungen bei 380mK 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 (4,2K) gekühlt wird. Das Mikroskop selbst wird durch Helium-3, ein seltenes Helium-Isotop, bis auf 0,3 Kelvin herabgekühlt.
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.
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.
Unser Tieftemperatur-STM befindet sich in einem Dreikammer-UHV-System (Ultrahoch-Vakuum) und arbeitet bei einer Temperatur von 6 K. Der Kryostat ist mit zwei supraleitenden Spulenpaaren, sowie einer Solenoidspule ausgestattet, mit denen es möglich ist ein Feld von 500 mT in alle Raumrichtungen beliebig zu drehen. Die maximale magnetische Feldstärke kann senkrecht zur Probenoberfläche angelegt werden und beträgt 7T. In der Ebene können maximal 3T bzw. 0,5T angelegt werden. Die Anlage hat eine Höhe von 4,70m, wobei der Kryostat nochmals 1,5m unterhalb des Bodens versenkt ist. Der gesamte Aufbau befindet sich in einem akustisch isolierten Raum in der untersten Etage des Gebäudes, um möglichst geringe mechanische Schwingungseinkopplung zu erreichen.
Die UHV-Anlage ist ferner mit einer LEED/Auger-Einheit, diversen MBE-Verdampfern, sowie Sputteranlage und Hochtemperaturheizung (2600 K) ausgestattet. Ferner besteht die Möglichkeit Proben direkt bei 40 K im Mikroskop zu präparieren. Unser Eigenbau-STM wurde speziell für die Anwendung unter hohen magnetischen Feldern, tiefen Temperaturen und UHV-Bedingungen entwickelt. Es besteht die Möglichkeit eines Spitzenwechsels im Vakuum. Ebenso kann mit Hilfe eines xy-Verschiebetischs die Probe bis zu 2 mm grob verfahren werden. Das Mikroskop ist hochfrequenztauglich und bietet eine Zeitauflösung im Pump-Probe-Betrieb von 200 ps. Testmessungen haben ein z-Rauschen von etwa 120 fm (rms) ergeben.
Die Tieftemperatur-STM-Anlage besteht aus einem Dreikammer-UHV-System. Die Anlage erlaubt STM-Messungen bei 500mK und 3T Magnetfeld (senkrecht zur Probenoberfläche). Das System besitzt eine Helium-3 Joule-Thomson-Stufe, die einen kontinuierlichen Betrieb (550mK), sowie einen Single-Shot-Betrieb erlaubt (470mK). Die Vorkühlung auf 4,2K erfolgt mit Helium-4 (Tankinhalt 9,5 l). Besonderheiten des Mikroskops sind die Hochfrequenztauglichkeit mit einer Zeitauflösung von 200ps, das X/Y-Verschiebesystem mit kapazitiver Positionsbestimmung, sowie der Möglichkeit 4-Punkt-Transportmessungen im STM durch zu führen.
Die große UHV-Kammer beinhaltet ein MBE-System, eine LEED/Auger-Einheit für die Analyse der chemischen und kristallinen Struktur von Probenoberflächen, sowie einer Probenheizung. Eine weitere kleinere Präparationskammer ist mit einer Sputterkanone und einer Hochtemperaturheizung (bis 2500K) ausgestattet. Hier befindet sich auch eine Probenschleuse.
Die gesamte Anlage befindet sich in einem eigenen Labor, das eine akustische und elektromagnetische Abschirmung zur Verfügungs stellt, sowie eine effektive Dämpfung von Gebäudeschwingungen bis hinab zu 1Hz gewährleistet (JARA-FIT SILENT Lab). Dies wird über ein mehrstufiges aktives und passives Dämpfungssystem erreicht.

Im Aufbau: 800mK-STM-Anlage.
Unser kompaktes Raumtemperatur UHV-System ist mit einem umgebauten und optimierten OMICRON AFM/STM ausgestattet (siehe Abbildung unten). Es erlaubt Rastertunnelmikroskopie und -Spektroskopie mit hoher Stabilität. Zusätzlich wurde ein neues Spitzen-Shuttle-System implementiert. Die UHV-Anlage ist mit einem 3-fach Mini-Verdampfer, einer Sputteranlage, einer LEED/Auger-Einheit, sowie einer Hochtemperaturheizung (2600 K) ausgestattet. Eine zusätzliche Kammer wurde für die Probenpräparation bei erhöhten Gasdrücken konzipiert. Sie ist mit einer weiteren Probenheizung, einem weiteren Verdampfer, sowie einer Plasmakanone ausgestattet, die u. a. zur Präparation von Fehlstellen in Graphen verwendet wird.
Dieses Raumtemperatur-STM-System ist mit den Standard Praparations und Analysemethoden ausgestattet, wie Molekularstrahlepitaxie (MBE), Elektronenbeugung (LEED) und Auger-Spektroskopie (AES). Zusätzlich verfügt die Anlage über eine UHV-Transport-Messstation (inklusive Elektromagnet), die kompatibel zu den STM-Probenträgern ist und somit einen direkten Vergleich von lokal aufgelöster Rastertunnelspektroskopie und den globelen elektrischen Eigenschaften einer Probe erlaubt.
Unsere kompakte UHV-Anlage mit eingebauten VT-STM (Aarhus STM der Firma Specs) erlaubt in situ Probenpräparation (MBE, Sputterkanone, Hochtemperaturheizung) und STM/STS-Messungen bei 90K bis 400K. Das Mikroskop hat Dank einer Hochfrequenz-Verkabelung eine Zeitauflösung von 120ps gezeigt.
…im Aufbau