Tiefkaltes Rastertunnelmikroskop – 300 mK-STM-Anlage

Abstract: Unter Verwendung eines kommerziell erworbenen Kryostaten wurde vom Bereich Forschungstechnik ein komplettes Rastertunnelmikroskop entwickelt, das bei einer Basis 300 mK und Magnetfeldern von bis zu 9 T arbeitet. Dabei liegt die erreichbare Energieauflösung der Anlage nur knapp über dem maximal möglichen thermischen Limit und erlaubt sowohl topographische wie spektroskopische Untersuchungen.

 

Keywords: Raster-Tunnelmikroskop (STM), 300 mK Betriebstemperatur, 3He-Kühlung, 10-10 mbar , UHV, kalter Wechsel von Probe und Spitze

 

Beschreibung: Die Besonderheit des im IFW entwickelten Raster-Tunnel-Mikroskops (STM) liegt in der Kombination einiger herausragender Anlagenmerkmale. Ein 3He-Kryostat kühlt sowohl die Probe als auch die Sondenspitze auf eine Basistemperatur von 300 mK ab. Diese Temperatur kann über 80 Stunden stabil gehalten werden. Zudem kann mit Hilfe eines supraleitenden Magneten im Meßvolumen ein Magnetfeld von bis zu 9 T erzeugt werden. Die Konstruktion des Mikroskops gestattet sowohl den kalten Wechsel von Probe und Spitze, was eine minimale Unterbrechung der Meßzeit zur Folge hat. Dazu ist neben dem Kryostaten ein komplexes UHV-System vorhanden, dass für Proben und Spitzen in der gesamten Transferkette Drücke von ca. 10-10 mbar gewährleitet. Die gesamte Anlage ist auf einem Dämpfungssystem montiert, das den Meßaufbau von Störungen durch Schall oder Gebäudeschwingungen isoliert.  Der Aufbau der 300 mK-STM-Anlage ist in Abb. 1 dargestellt.  


Aufbau des komplette STM-Systems (Quelle: Danny Baumann, IFW)

Abb.1 Die Probe befindet sich auf einem Tisch mit 10 mmx10 mm lateraler Beweglichkeit. Mit dem X-Y-Tisch lassen sich Regionen der Probe untersuchen, die weit außerhalb des Scanbereiches des Röhrenscanners liegen.

In der Abb. 2 ist der STM-Körper dargestellt, der im Betrieb von einem gekühlten Schirm gegen Wärmestrahlung geschützt ist.    

Abb2.