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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Wichtiger Meilenstein zur Fertigstellung des metrologischen UHV-STMs erreicht

22.11.2022

Das Upgrade eines UHV-Rastertunnelmikroskops (STM) mit einem interferometrischen Längenmesssystem hat einen wichtigen Meilenstein erreicht. Die Zusammenführung der optischen und mechanischen Komponenten des Interferometers konnte erfolgreich abschlossen werden. Ein STM bietet sowohl in vertikaler als auch in lateraler Richtung eine extrem hohe Auflösung, so dass einzelne Atome auf Oberflächen und in nanoskopischen Strukturen aufgelöst werden können. Allerdings ist in diesem Auflösungsbereich die Untersuchung im Ultrahochvakuum (UHV) eine zwingende Voraussetzung für die erfolgreiche Abbildung von einzelnen Atomen.

Die metrologische Rückführung eines STMs stellt daher eine große technologische Herausforderung dar, da das erforderliche Interferometer in das UHV-System integriert werden muss. Eine der Herausforderungen ist dabei das Ausheizen des Gesamtsystems bei Temperaturen von 120°C und mehr. Allein dieser Umstand stellt extreme Anforderungen an das Design und die ausgewählten elektronischen, optischen und mechanischen Komponenten des Interferometers.

Das Interferometer wurde jetzt in das vorhandene STM integriert und nach aufwändiger Justierarbeit konnte gezeigt werden, dass die neuen Komponenten und das vorhandene Mikroskop wie geplant zusammenarbeiten. Steuerung und Regelung funktionieren auch mit den zusätzlich eingebrachten Spiegeln und Strahlteilern wie bisher [ (Ostermann, 2022)]. Die Interferenzmuster bleiben auch im dynamischen Betrieb erhalten, d.h. wenn die Scanner die Mikroskopspitze in x-, y- oder z-Richtung über die Probe bewegen (s. Abb. 1).

Der nächste Schritt ist nun, das Gesamtsystem im Vakuum und später im Hochvakuum in Betrieb zu nehmen. Auch wenn alle Komponenten einzeln ausgewählt und hinsichtlich der Anforderungen des UHV ausgiebigen Tests unterzogen wurden, ist dieser komplette Systemtest anspruchsvoll und es müssen verschiedene technische Herausforderungen überwunden werden. Danach steht allerdings das erste rückgeführt messende STM zur Verfügung, mit dem atomar aufgelöste dimensionelle Messungen an Oberflächen durchgeführt werden können. So ist der Gitterparameter des Siliziums im Volumen zwar durch röntgenografische Untersuchungen sehr genau bekannt, aber eine genaue Messung dieses Parameters an der Kristalloberfläche steht noch aus. Und die Liste der weiteren Fragen, die mit diesem Gerät beantwortet werden könnten, ist lang: Wie dick ist eine Graphenschicht genau? Welchen Durchmesser hat ein Buckyball? Welche Abmessungen hat die 7x7-Rekonstruktion des Siliziums? …

Abb. 1: Photographie eines Interferenzmusters nach der Justage der Interferometer. Zu sehen sind vier Interferenzbilder, die zwei Interferometerkanäle bilden. Die Ausschnittsvergrößerung zeigt ein einzelnes Bild mit deutlich erkennbaren Interferenzstreifen. Der Strahldurchmesser beträgt ca. 1,4 mm. Erkennbare Interferenzmuster auf allen Kanälen zeigen, dass die Justage der Interferometer erfolgreich war.

 

Literatur

Ostermann, J. (2022). Implementierung eines metrologischen UHV-STMs. (Dissertation), TU Braunschweig.

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