Ultrasensitive Kraftsensoren für die Tieftemperatur-Magnetoresonanz-Kraftmikroskopie

Kapitel 1:
Eines der Hauptziele der Magnetoresonanz-Kraftmikroskopie ist die mechanische Detektion des Spins
eines einzelnen Elektrons. Hierzu wurde in den letzten Jahren im Institut für Physik der Universität Basel
ein Tieftemperatur-UHV-MRFM-System aufgebaut. Das erste Kapitel beinhaltet eine Einführung in die
Funktionsweise der Magnetoresonanz-Kraftmikroskopie. Im Anschluss daran werden das Tieftemperatur-
UHV-System und das iOSCAR-Protokoll, das für die Messung bzw. Manipulation des Spins eines
Elektrons entwickelt wurde, vorgestellt. Das von der magnetischen Spitze erzeugte Magnetfeld und der
Feldgradient wurden berechnet. Der aus der Überlagerung des Magnetfeldes der Spitze mit dem statischen
Magnetfeld resultierende Resonanzbereich wurde ebenfalls berechnet. Um die Wechselwirkung zwischen
der Probe und der magnetischen Spitze des Cantilevers zu untersuchen, wurden Kraft-Distanz- und
Kontaktpotenzial-Messungen durchgeführt. Mit der Magnetometrie-Messung wurden das magnetische
Moment und die Magnetisierung der Spitze des Cantilevers untersucht. Abgesehen davon wurde die
Wechselwirkung zwischen der magnetischen Spitze des Cantilevers und dem statischen Magnetfeld
untersucht. Das Kapitel wird mit der ESR-Messung, die an einer bestrahlten Quarz-Probe vorgenommen
wurde, abgeschlossen.
Kapitel 2:
Für die mechanische Detektion des Spins eines einzelnen Elektrons sind Cantilever mit einer
Kraftsensitivität im Attonewtonbereich erforderlich. Cantilever mit einer Kraftsensitivität in diesem
Bereich sind kommerziell nicht erhältlich. Um die Kraftsensitivität des Cantilevers zu erhöhen, wurden
verschiedene Typen von Cantilevern unter Utrahochvakuum-Bedingung getempert. Durch das Tempern
der Cantilever konnte die Kraftsensitivität bei allen untersuchten Cantilevern um mindestens eine
Grössenordnung erhöht werden. Im Kapitel 2 wird die Methode des Amplitudenzerfalls für die
Bestimmung der Güte und des Reibungskoeffzienten des Cantilevers vorgestellt. Mit dieser Methode
wurde die Kraftsensitivität der untersuchten Cantilever vor und nach dem Tempern bestimmt.
Anschliessend wird die mögliche Oberflächenänderung des Cantilevers, der die Verbesserung der
Kraftsensitivität des Cantilevers zu Grunde liegt, diskutiert. Es wird davon ausgegangen, dass von vier
möglichen Oberflächenverbindungen Si-H, Si-OH, Si-O-H und Si-O nach dem Tempern bei etwa T ~ 600°C nur die Si-H- und Si-O-Verbindungen übrig bleiben.
Kapitel 3:
Für die Vorcharakterisierung der Probe und des Cantilevers wurde ein AFM-Mikroskop hergestellt. Das
Mikroskop verfügt über einen Linearmotor für die grobe Annäherung der Probe und des Cantilevers. Das
Piezoröhrchen dient zur Untersuchung bzw. zum Scannen der Probenoberfläche mit der Cantileverspitze.
Um das A-B-Signal des 4Q-Detektors auf null Volt abgleichen zu können, wurde ein Spiegelmotor
hergestellt. Mit dem AFM-Mikroskop wurde die minimale topografische Auflösung des Cantilevers mit
einer magnetischen Spitze in Kontakt- und Nichtkontakt-AFM-Modus untersucht. An Hand der Silizium-
Testgitter konnten gezeigt werden, dass die Auflösungsgrenze des mit einer magnetischen Spitze
präparierten Cantilevers sowohl in Kontakt- als auch in Nichtkontakt-AFM-Modus deutlich unter 400 nm
liegt.
Kapitel 4:
Im Kapitel 4 wird die Herstellung und Charakterisierung der Streifenleitungsantennen diskutiert. Ziel
dieses Projektes ist die Herstellung von Streifenleitungsantennen im GHz-Bereich, die bei tiefen
Temperaturen und unter UHV-Bedingung einsetzbar sind. Abgesehen davon soll die
Streifenleitungsantenne, die als Ersatz für die RF-Spule in unserem MRFM-Mikroskop vorgesehen ist,
eine um mindestens eine Grössenordnung höhere Güte besitzen, als die der herkömmlichen Spulen in
diesem Frequenzbereich. In diesem Kapitel wird die Theorie, die für das Design und die 50 -Anpassung
der Impedanz der Streifenleitungsantennen herangezogen wurde, behandelt. Im experimentellen Teil
werden die Messung und die Optimierung der Resonanzfrequenz und der Güte der
Streifenleitungsantennen aus unterschiedlichen Materialien diskutiert. Es werden Streifenleitungsantennen
mit einer Güte über 200 und einer 50 -Impedanz mit sehr geringem Leistungsverlust (kleiner als 0.05 dB)
vorgestellt. Mit den Streifenleitungsantennen wurden ESR-Messungen an einer DPPH-Probe
vorgenommen. Hierfür wurde ein Schaltkreis, der bis 3 GHz einsetzbar ist, hergestellt. Aus dem EPRSpektrum
wurde die longitudinale Relaxationszeit T2 = 3.3 x 10-8 s bestimmt. Für die Verbindung der
Streifenleitungsantennen im MRFM-Mikroskop mit dem RF-Generator werden ein RF-Kabel und eine
RF-Durchführung benötigt. Das Kapitel wird mit der Untersuchung der Verlustmechanismen des RF-Kabels
und der RF-Durchführung abgeschlossen.