Scanning apparatus for surface analysis using vacuum-tunnel effect at cryogenic temperatures.

摘要

Ein Raster-Tunnelmikroskop arbeitet nach dem Vakuum-Tunneleffekt. In einem Ultra-Hochvakuum von mindestens 10<->³° Torr bei kryogenischen Temperaturen wird eine feine Spitze als Abtastelektrode (5) im Abstand von einigen Angströmeinheiten rasterartig in parallelen Abtastlinien über die Oberfläche einer leitenden Probe (4) geführt. Dabei wird die Höhen-Koordinate nach einem dem Tunnelwiderstand proportionalen Parameter, z.B. dem Tunnelstrom als Sollwert geregelt. In den drei Koordinatenrichtungen (x,y,z) wirken piezoelektrische Verstellvorrichtungen (6,7,8). Die Verstellströme oder Piezospannungen sind Aequivalente der Koordinatenwerte der Spitze oberhalb der Probe. Zur Auswertung wird die Kurvenschar der Vz-Werte in Abhängigkeit von den Vx-Werten und bei als Parameter festgehaltenem (Vy) mit einem Schreiber (12) oder auf einem Bildschirm (13) aufgezeichnet. Um örtliche Aenderungen der Austrittsarbeit des Probenmaterials zu erfassen, erteilt man der Abtastspitze an jedem Messpunkt eine zusätzliche Abstandsmodulation bestimmter Amplitude und Frequenz um den Regelwert herum. Das Quadrat der Ableitung des Tunnelstroms nach der Höhenkoordinate ist der Austrittsarbeit proportional. Mittels eines phasen-und frequenzselektiven Verstärkers wird das der Austrittsarbeit entsprechende Signal herausgesiebt und gesondert ausgewertet. Bei den piezoelektrischen Verstellvorrichtung erlaubt die Höhen-Verstellvorrichtung einerseits eine Grobeinstellung im Bereich von Millimetern, um die Apparatur mit einer Probe beschicken zu können, andererseits aber eine sehr genaue Feineinstellung für die Messwerte. Schwingungsfreie Lagerung mit Verwendung des Schwebeeffektes von Magneten über einem Supraleiter eliminieren störende Schallquanten.