Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Virtuelles Modell für ein metrologisch rückgeführtes UHV-STM

03.05.2016

Im Rahmen des Verbundforschungsprojektes CRYSTAL wird ein im Ultrahochvakuum (UHV) betriebenes Rastertunnelmikroskop (engl. Scanning Tunnelling Microscope (STM)) durch ein interferometrisches Mehrachs-Messsystem erweitert. Dieses soll die relative Bewegung der Sondenspitze zur Probe in x-, y-und z-Richtung, sowie bei der Bewegung auftretende Drehungen erfassen.

Um das Messsystem zu konstruieren, ist es erforderlich den vorhandenen Aufbau messtechnisch zu erfassen, um dies als Basis für den folgenden Designschritt in ein CAD-Modell umwandeln zu können. Die Vermessung des Aufbaus erfolgt mit einem optischen 3D-Scanner, welcher mittels photogrammetrischer Algorithmen die Koordinaten der Bauelemente berechnet. Mit den gewonnen Daten wird durch „Reverse Engineering“ ein virtuelles Modell des vorhandenen Aufbaus generiert.

Hierdurch wird die Konzeption des erforderlichen Interferometers erst möglich, das sich im endgültigen Design aus insgesamt 24 Strahlen zusammensetzt. Randbedingungen für das Interferometer ergeben sich, neben rein optischen Anforderungen, u.a. durch den eingeschränkten Raum, die begrenzte zusätzliche Masse und die notwendige UHV-Tauglichkeit der Bauteile. Weiterhin muss die Justiermöglichkeit sowie ein problemloser Proben- und Sondenwechsel gewährleistet werden.

Für die Definition der optischen Bauelemente ist es notwendig die Strahlenverläufe zu simulieren. Dieses wird mit einem Erweiterungsmodul für die CAD-Software ermöglicht. Das Erweiterungsmodul ermöglicht eine realitätsnahe Simulation der Laserstrahlen in der vorhandenen CAD-Umgebung. Die Laserstrahlen werden nach Einführung ins Vakuum mehrmals umgelenkt und aufgeteilt, so dass aus zwei Laserstrahlen am Ende 24 Strahlen werden. Während der Entwicklungsphase ist es dabei immer wieder erforderlich, die Strahlenverläufe anzupassen und zu verändern. Im virtuellen Modell kein Problem. Dadurch können die Geometrien und die optischen Eigenschaften der Oberflächen präzise definiert werden.

Während der Entwicklung des Interferometers ist es zusätzlich notwendig, die Justiermöglichkeiten der mechanischen Bauteile (Spiegelhalterungen etc.) und die Handhabung des eigentlichen STMs zu simulieren. Abschließend wird die umgebende Vakuumkammer mit dem entsprechenden Durchführungen und Sichtfenstern neu konstruiert.

Nach Abschluss der Konstruktionsarbeiten werden gegenwärtig die erforderlichen Komponenten angefertigt. Die Integration des Interferometers in das STM soll im 3. Quartal 2016 erfolgen. Erste Messungen sind für Ende 2016 vorgesehen.

Abb. 1 Das Herzstück des metrologisch rückgeführten UHV-STMs mit Sondenspitze, Probenhalter und Spiegeln. Grün eingezeichnet sind die Laserstrahlen des Interferometers.

Kontakt

Anschrift

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig