Characterization of a home-built low temperature scanning probe microscopy system

The continuing advancement of technology is the driving force behind science and fundamental research.
Scanning probe instruments still have a major impact in nanoscience and technology, because they provide
a link between the macroscopic world and the atomic scale. The key to a reliable performance of
experiments at the nanometer scale is the instrumentation, that allows probe positioning ranging from
micrometers to Ångstroms with sub atomic precisions.
A new type of scanning probe microscopy (SPM) system operating in ultra high vacuum (UHV) and at liquid
Helium (LHe) temperature was developed. This offers the advantages that even reactive surfaces remain
clean over time periods of several days, permitting long time experiments. Moreover, these experiments
this low temperature scanning probe microscopy (LTSPM) system is the implementation of a focussing Fabry
Perot interferometer (fFPi) that allows the following features:
- Small amplitude operations and stiff cantilevers require sensors with high deflection sensitivity.
With the fFPi in this low temperature SPM system, a deflection sensitivity of 4fm/ sqrt(Hz) at 1MHz can
be obtained.
- Wide detection bandwidth (DC-10MHz) enables the operation of higher flexural oscillation modes as
well as the torsional modes of the cantilever.
- A laser spot size of 3µm allows the use of ultra small cantilevers with the dimensions 1/10 of
conventional cantilevers.
- Photothermal excitation of cantilevers avoids undesirable mechanical vibrations near the cantilever
resonance frequency.
- Simultaneous flexural and torsional force detection provides quantitative studies of frictions and
thus, atom manipulations by atomic force microscopy (AFM).
- The combination of both types of microscopes (simultaneous AFM/STM) reveals more information than a
scanning tunneling microscopy (STM) or AFM alone.
A series of measurements on Si(111)7x7, herringbone superstructure of Au(111) and highly oriented pyrolytic
graphite (HOPG) provides information regarding imaging performance of the system. Among these performance
tests are atomically resolved scans at three different operating temperatures in STM mode. In non-contact
atomic force microscopy (nc-AFM) mode, imaging was performed with the cantilever driven at the fundamental
and 2nd oscillation mode. Additional measurements were performed with the fFPi in order to quantify the
impact of the laser cooling effects (radiation pressure and photothermal effects) on the oscillating cantilever
at three different operating temperatures.
The aim of this work is the development, implementation and characterization of a new low temperature scanning
probe microscope with an ultra sensitive and high bandwidth fFPi deflection sensor, suitable for nc-AFM
operations with small, simultaneous flexural and torsional cantilever oscillation modes. Furthermore, expected
upgrades will allow simultaneous nc-AFM/STM operations.
Keywords: low temperature home-built simultaneous STM/ nc-AFM, tip-sample gap stability, PLL and self-excitation,
highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), reconstructed Si(111)7x7, herringbone superstructure, focussing
Fabry-Perot interferometer, cantilever cooling, radiation pressure and photothermal effects.
Der kontinuierliche, technologische Fortschritt ist die treibende Kraft hinter Wissenschaft und Grundlagenforschung.
Rasterkraft und -tunnel Instrumente haben immer noch einen bedeutenden Einfluss auf die Nanotechnologie und -wissenschaft,
weil sie eine Verbindung zwischen der makroskopischen Welt und den atomaren Massstäben darstellen. Der Schlüssel für
eine zuverlässige Ausführung von Experimenten mit Nanometer Massstäben ist die Instrumentierung, die eine
Spitzenpositionierung von Mikrometer bis Ångstroms mit subatomarer Präzision erlaubt.
Ein neuartiges Rasterspitzen Mikroskop (SPM) System wurde entwickelt, das im Ultra Hoch Vakuum (UHV) und bei flüssig
Helium Temperaturen arbeitet. Dies bietet Vorteile weil sogar reaktive Oberflächen über eine Dauer von einigen Tagen
sauber bleiben, was eine längere Experimentierphase zulässt. Zusätzlich zeigen diese Experimente bei tiefen Temperaturen
weitere Vorteile wie kleine Driftwerte und tiefe Piezo Kriechraten. Der Ansatz bei diesem Tieftemperatur Rasterspitzen
Mikroskop System ist die Implementierung eines fokussierenden Fabry Perot Interferometers das die folgenden Eigenschaften
vorweist:
- Der Betrieb bei kleinen Amplituden und mit steifen Cantilever setzt Sensoren mit einer hohen Ablenkempfindlichkeit
voraus. Mit diesem fokussierenden Fabry Perot Interferometer (fFPi) kann eine Ablenkempfindlichkeit von 4fm/ sqrt(Hz)
bei 1MHz erreicht werden.
- Detektion mit einer grossen Bandbreite (DC-10MHz) erlauben einen Betrieb von Cantilever mit flexuralen und
torsionalen Oszillation Modi.
- Ein Laser mit einem Brennpunkt von 3µm lässt einen Betrieb mit einem ultra kleinen Cantilever zu, der 1/10 so gross
ist wie ein konventioneller Cantilever.
- Photothermische Anregung eines Cantilevers vermeidet unerwünschte mechanische Vibrationen rund um die Resonanzfrequenz.
- Gleichzeitige flexural und torsional Kraftdetektion erlauben quantitative Untersuchungen von Reibungen und daher
atomare Manipulationen mit Rasterkraft Mikroskopie (AFM).
- Die Kombination und simultanen Betrieb von beiden Rasterspitzen Mikroskopen (AFM/STM) zeigen mehr Information als ein
Raster Tunnel Mikroskop (STM) alleine.
Eine Serie von Messungen mit Si(111)7x7, Herringbone Superstrukturen auf Au(111) und Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG)
geben Information bezüglich der Leistungen des Systems preis. Einige dieser Leistungstests sind atomar aufgelöste Abbildungen
bei drei unterschiedlichen Betriebstemperaturen im STM Betriebsart. Im nicht-Kontakt AFM (nc-AFM) Betriebsart, Abbildungen sind
ausgeführt worden auf der Grundschwingung und der zweiten Oberschwingung. Zusätzliche Messungen wurden mit dem fFPi ausgeführt
um den Einfluss der Laserkühlung auf den oszillierenden Cantilever bei drei unterschiedlichen Betriebstemperaturen zu quantifizieren.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Implementation und Charakterisierung eines neuen Tieftemperatur Rasterspitzen Mikroskops
mit einem ultra-empfindlichen und Breitband fokussierenden Fabry Perot Interferometer Ablenk Sensor, geeignet für den nicht-Kontakt
AFM Betrieb mit kleinen, simultanen flexural und torsional Cantilever Schwingungsmodi. Naheliegende Erweiterungen des Systems
gewährleisten einen simultan nc-AFM/STM Betrieb.
Schlüsselwörter: Tieftemperatur simultan nc-AFM/STM aus Eigenbau, Spitzen-Probe Spalt Stabilität, PLL und Eigenanregungsbetrieb,
Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG), reconstrukturiertes Si(111)7x7, Herringbone Superstruktur, fokussierenden Fabry Perot
Interferometer, Cantilever Kühlung, Strahlendruck und photothermische Effekte.