Multimodale und multiaxiale Rasterkraftmikroskopie und Untersuchung der Defektheilung auf Kaliumbromid in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	6 April 2022
Referee:	Prof. Dr. Franz J. Gießibl
Date of exam:	22 March 2022
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Franz J. Giessibl
Keywords:	Rasterkraftmikroskopie, Luftfeuchtigkeit, Methodenentwicklung, Umgebungsbedingungen, Balkentheorie
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:	52083

Abstract (German)

Die Rasterkraftmikroskopie erlaubt die Untersuchung von Oberflächen im Nanometer-Bereich. In dieser Arbeit wurden Messung mit dem selbstdetektierenden qPlus-Sensor unter Umgebungsbedingungen und im Ultrahochvakuum bei Raumtemperatur durchgeführt. Dieser Sensor erlaubt im dynamischen Betrieb Schwingungsamplituden im Picometer-Bereich und erreicht somit eine hohe Sensitivität gegenüber den auf ...

Abstract (German)

Die Rasterkraftmikroskopie erlaubt die Untersuchung von Oberflächen im Nanometer-Bereich. In dieser Arbeit wurden Messung mit dem selbstdetektierenden qPlus-Sensor unter Umgebungsbedingungen und im Ultrahochvakuum bei Raumtemperatur durchgeführt. Dieser Sensor erlaubt im dynamischen Betrieb Schwingungsamplituden im Picometer-Bereich und erreicht somit eine hohe Sensitivität gegenüber den auf atomarer Skala variierenden Kräften. Hierbei gibt die Oszillationsrichtung des Sensors vor, ob laterale oder senkrecht zur Oberfläche wirkende Kräfte detektiert werden. Der qPlus-Sensor ist primär für die Oszillation in der ersten Biegemode ausgelegt, jedoch können auch höhere Biegemoden oder die erste Längsmode angeregt werden und wie in dieser Arbeit gezeigt zur Messung verwendet werden. Durch die Kombination zweier Vibrationsmoden ergeben sich neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Proben. In dieser Arbeit wurde der gegenseitige Einfluss zweier Moden bei der Messung untersucht, sowie durch die Kombination der ersten Biegemode und der ersten Längsmode die simultane Messung lateraler und vertikaler Kräfte ermöglicht. Es konnte hierbei zum ersten Mal Rasterkraftmikroskopie, laterale Kraftmikroskopie sowie Rastertunnelmikroskopie mithilfe eines qPlus-Sensors kombiniert werden.
Des Weiteren wurde untersucht wie die Luftfeuchtigkeit die Veränderung einer Kalium-Bromid-Oberfläche (KBr) beeinflusst. Dazu wurde das Mikroskop bei Raumtemperatur an Luft mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit betrieben. In die Oberfläche des KBr-Salzkristalls wurden mittels der Sensorspitze gezielt Defekte inForm von Löchern und Materialanhäufungen eingebracht und über einen Zeitraum hinweg beobachtet. Dabei konnte Festgestellt werden, dass die Luftfeuchtigkeit einen signifikanten Einfluss hat wie und wie schnell sich diese Strukturen zeitlich verändern. Es wurde gezeigt, dass eine höhere Luftfeuchtigkeit zu einer erhöhten Materialbewegung führt, diese jedoch innerhalb eines Luftfeuchtigkeitsintervalls auch kontant bleiben kann.
Zudem wurden im Rahmen dieser Arbeit künstlich durch Molekularstrahl-Epitaxie gewachsene Übergangsmetall-Dichalkogenid-Proben untersucht. Das hohe Auflösungsvermögen der Rasterkraftmikroskopie erlaubt es hierbei zu zeigen wie sich das Probenmaterial auf atomarer Skala durch die Wachstumsmethode auf dem Substrat anordnet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich einige Nanometer große geordnete Domänen ausbilden, jedoch keine Fernordnung der Domänen existiert.

Translation of the abstract (English)

Dynamic atomic force microscopy is a powerful tool to investigate surfaces on a nanoscopic scale. In this thesis the experiments were performed with a self-sensing qPlus sensor at room temperature in air and in ultra-high vacuum. Small amplitudes in the picometer range allow a high sensibility against short range forces. The oscillation direction of the sensor determines if lateral or vertical ...

Translation of the abstract (English)

Dynamic atomic force microscopy is a powerful tool to investigate surfaces on a nanoscopic scale. In this thesis the experiments were performed with a self-sensing qPlus sensor at room temperature in air and in ultra-high vacuum. Small amplitudes in the picometer range allow a high sensibility against short range forces. The oscillation direction of the sensor determines if lateral or vertical forces are detected. The qPlus sensor is optimized to operate with the first flexural mode, however higher flexural modes as well the first length extensional oscillation mode can be used, as shown in this thesis. A combination of different modes allows new possibilities for sample investigations. In this work the mutual influence of two modes is analyzed, as well the combination of the first flexural a length extensional mode realized. This allows for the first time a simultaneous detection of lateral force microscopy, normal force microscopy as well scanning tunneling microscopy using a qPlus sensor.
In another experimental series investigates the relation between air humidity and surface alteration of a potassium bromide sample. Artificial area defects were observed
whereas the relative humidity showed a significant influence on the temporal alteration of these structures. A higher humidity relates to a higher material transport; however, it can be consistent within a certain range of the relative humidity.
Furthermore, artificial transition metal dichalcogenide samples grown by molecular beam epitaxy were observed. The measurements showed the material arrangement on an atomic scale showing the formation of several Domains with a size of a few nanometer but the missing of a remote order.

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