5.1.  Aufbau des Meßsystems

Alle Messungen, die im Rahmen dieser Diplomarbeit durchgeführt werden sollten, erforderten eine möglichst gute atomare Auflösung. Diese konnte im achten Stockwerk des Physikhochhauses, wo noch vor kurzer Zeit sämtliche Labors der Arbeitsgruppe angesiedelt waren, aufgrund von Gebäudeschwingungen nicht erzielt werden. Es wurde daher ein Kellerraum komplett neu für die Rastersondenmikroskopie eingerichtet.

Zu dieser Einrichtung gehören folgende Bestandteile:

Schwingtisch¹

Bei diesem Tisch besteht die Tischfläche aus einer schweren Steinplatte, die horizontal durch eine Aufhängung und vertikal durch mit Druckluft gefüllte Gummikissen gegen Schwingungen gedämpft wird. Die Druckluft wird hier mit einem eigens zu diesem Zweck angeschafften Kompressor erzeugt.

STM-Meßeinheit

Der untere Teil der eigentlichen Meßeinheit des Rastertunnelmikroskops besteht aus der sogenannten Basis. Diese enthält zum einen das in Teil  2.1 beschriebene piezokeramische Stellelement (Scanner), auf dessen oberem Ende ein kleines Stück Aluminiumrohr aufgeklebt ist, in welches man den Probenhalter einklemmen kann. Es handelt sich hier um einen Eigenbau-Scanner mit einem maximalen Scanbereich von 2,5 µm × 2,5 µm. Zum anderen sind um diesen Scanner im Dreieck angeordnet drei Mikrometerschrauben vertikal angebracht, von denen sich die beiden vorderen per Hand verstellen lassen, während die dritte durch einen Schrittmotor angetrieben wird.

Der obere Teil wird STM-Meßkopf genannt. An ihm wird der unter Zugbelastung geschnittene Tunneldraht angebracht. Er besteht hier aus einer Platin-Iridium-Legierung mit einem Gehalt von 80 % Platin. Der Kopf liegt auf den drei oben erwähnten Verstellschrauben, kann also mit ihnen vertikal positioniert werden. In horizontaler Richtung kann er mittels zweier Verschiebeschlitten grob bewegt werden. Außerdem umfaßt er die Vorverstärkerelektronik für den Tunnelstrom, die über eine Steckverbindung an die Basis angeschlossen wird, an der wiederum am unteren Ende eine Buchse angebracht ist, die sämtliche Anschlüsse für den Datentransfer und die Steuerung einschließt.

Zentrale Steuerungseinheit (CCU²)

Über diese Elektronik werden der Scanner und der Schrittmotor angesteuert. Mit ihr kann die Scanfeldgröße eingestellt werden sowie die Nadel an die Probe angenähert werden. Sie beinhaltet außerdem eine digitale Schnittstelle zu dem HP³-Meßrechner, Anschlüsse zur STM-Basis und dem im nächsten Punkt beschriebenen STM-Steuerungsmodul. Ferner wird auf einem eingebauten Oszillographenschirm ständig in Echtzeit das Querschnittsprofil der Probe angezeigt.

STM-Modul

Diese elektronische Einheit umfaßt Regler zur Einstellung von Tunnelspannung und Sollstrom sowie den Regelkreis, der den z-Piezo steuert. Außerdem ist Elektronik zur Meßsignalverarbeitung vorhanden, wie z.B. zum Logarithmieren der Stromdifferenz sowie zur ihrer Verstärkung.

Einheit zur Datenverarbeitung

Die Meß- und Auswertesoftware läuft auf Rechnern der HP-340er-Serie mit dem HP-Basic-Betriebssystem.

Die Meßeinheit sowie die zugehörige Elektronik und die Software stammen —mit Ausnahme des Scanners— von der Firma Park Scientific Instruments (PSI).