Aufbau eines Tieftemperatur-Ultrahochvakuum-Rasterkraftmikroskops und Messung elektrischer Multipolkräfte im Piconewton-Bereich

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-309340
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.30934

Schneiderbauer, Maximilian

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Date of publication of this fulltext: 12 Nov 2014 13:53

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	12 November 2014
Referee:	Prof. Dr. Franz J. Gießibl
Date of exam:	29 October 2014
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Franz J. Giessibl
Keywords:	AFM, Rasterkraftmikroskopie, STM, Rastertunnelmikroskopie, isolierende Oberflächen, Cu2N, Magnetkraftmikroskopie, MFM, qPlus, Tieftemperatur, Ultrahochvakuum
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	30934

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Abstract (German)

Abstract (German)

Als Abbildungs- und Manipulationswerkzeuge auf atomarer Ebene wurden Rastertunnelmikroskope (RTM) und Rasterkraftmikroskope (RKM) zu einer zentralen Technik der Nanotechnologie, die heutzutage zu den wichtigsten Forschungsfeldern überhaupt gehört.
Mit der Entwicklung des qPlus-Sensors 1998 durch Giessibl wurde es auf einfache Weise möglich RTM und RKM zu kombinieren. Die simultane Aufzeichnung der Messkanäle eines kombinierten RTM/RKM können sich im Experiment ergänzen aber auch gegenseitig beeinflussen. Speziell im RKM wird der Abbildungskontrast durch verschiedenste Wechselwirkungen zwischen der Abtastspitze des Sensors und der Probenoberfläche beeinflusst.
Die Messung bzw. Quantifizierung der verschiedenen Wechselwirkungskräfte in der RKM stellt im Allgemeinen höchste Anforderungen an den experimentellen Aufbau. Dies umfasst sowohl die mechanische Konstruktion des Mikroskops als auch die elektrische Verstärkung der Messsignale. Durch die Messumgebung kann die Sensitivität des Experiments weiter optimiert werden. So sind die Störeinflüsse auf RKM-Messungen bei tiefen Temperaturen im Ultrahochvakuum weitaus geringer als bei Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur und Normaldruck). Nichtsdestotrotz kann durch eine geeignete Wahl der Messparameter selbst bei Umgebungsbedingungen eine erstaunliche Messgenauigkeit erreicht werden. In der Magnetkraftmikroskopie (MKM) können so die sehr kleinen Kraftgradienten zwischen magnetischen Spitzen- und Probenmomenten gemessen werden. Kapitel 4 dieser Dissertation beschäftigt sich damit und im Speziellen mit der Anwendung des qPlus-Sensors, der mit einer Federhärte von 1800N/m eigentlich für atomare Wechselwirkungen optimiert ist, in MKM-Messungen. Ein großer Vorteil des qPlus-Designs ist dabei, dass seine Abtastspitze aus beliebigen Materialien hergestellt werden kann, z. B. magnetische Materialien für MKM. In einem Tieftemperaturaufbau kann die Spitze des qPlus-Sensors sogar mit verschiedenen Atomen und Molekülen funktionalisiert werden. Auf diese Weise können Spitzen präpariert werden, die entgegengesetzte elektrische Dipolmomente aufweisen (z. B. Cu- und CO-Spitzen). In Kapitel 5 konnte so auf polaren CuN-Inseln der Einfluss kurzreichweitiger elektrostatischer Kräfte auf die Kontrastformation in RKM-Messungen nachgewiesen werden.

Translation of the abstract (English)

As imaging and manipulation tools on the atomic scale scanning tunneling microscopes (STM) and atomic force microscopes (AFM) became a central technique in nanotechnology, one of the most important research fields nowadays.
With the development of the qPlus-sensor in 1998 by Giessibl it became possible to combine STM and AFM in a single probe. The simultaneously recorded channels in a combined STM/AFM can complement but also mutually influence one another in an experiment. Especially in an AFM the imaging contrast is determined by a variety of interactions between the probe tip of the sensor and sample surface.
It’s very demanding for the experimental set-up to measure and quantify the various interactions in an AFM. This includes the construction of the microscope as well as the electric amplification of the measuring signal. Depending on the measurement environment the sensitivity of the experiment can be further increased. At low temperatures and ultra-high vacuum the signal noise in an AFM is much smaller than in ambient conditions (room temperature and atmosphere pressure). Nevertheless one can achieve a very good measurement precision by choosing the right recording parameters even in ambient conditions. In magnetic force microscopy (MFM) one can then even measure the tiny force gradients between the magnetic moments of tip and sample. Chapter 4 of this work is dedicated to MFM and especially the use of the qPlus-sensor, with a stiffness of 1800N/m (optimized for atomic interaction), in MFM measurements. A big advantage of the qPlus design is that its tips can be made from different materials, e.g. magnetic materials for MFM. In a low temperature set-up the sensor tip can even been functionalized with specific atoms or molecules. With this method tips can be prepared showing opposite electrical dipole moments (e.g. Cu- and CO-tips). Using such tips to probe polar CuN islands we could show the dominating influence of short range electrostatic forces on the formation of atomic contrast in AFM (chapter 5).

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