Rastertunnel-Rasterelektronenmikroskop Jeol JSPM-4500S – „Schmetterling“
Die Apparatur JSPM-4500S der Firma Jeol bietet die Möglichkeit zur Präparation und Untersuchung von Probenoberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie (scanning tunneling microscopy – STM), Rasterelektronenmikroskopie (scanning electron microscopy – SEM), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (x-ray photoelectron spectroscopy – XPS) und niederenergetischer Elektronenbeugung (low energy electron diffraction – LEED) unter Ultrahochvakuum-Bedingungen (UHV) und besteht aus drei Kammern, die durch hydraulisch betriebene Plattenventile voneinander getrennt sind. Die Ladekammer ermöglicht das Einschleusen von Proben und Messspitzen in die Präparationskammer. Von dort können die Messspitzen und die präparierten Proben in die Analysenkammer transferiert werden, in der sich verschiedene Messgeräte zur Charakterisierung von Probenoberflächen befinden. Der Transfer erfolgt anhand von Transferstangen, die sich von außen mithilfe von Magneten bewegen lassen.
Die Präparationskammer beinhaltet ein drehbares Probenhalter-Karussell, auf dem bis zu vier Proben und drei Messspitzen gelagert werden können. Drei der vier Positionen im Probenkarussell ermöglichen ein direktes Aufheizen der Probe. In einer Position lässt sich die Probe zusätzlich auch indirekt mithilfe eines Wolfram-Filaments heizen. Zur Reinigung der Probenoberfläche von Adsorbaten befindet sich in der Kammer eine Sputterkanone und ein Gaseinlasssystem für Argon. Mit einem weiteren Gaseinlass können verschiedene Gase auf die Proben aufgebracht werden. Desweiteren können die Proben mithilfe zweier Metallverdampfer modifiziert werden. Zusätzlich befinden sich in dieser Kammer ein System zur niederenergetischen Elektronenbeugung (LEED), mit dem die Oberflächenstruktur der präparierten Probe charakterisiert werden kann, und ein Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) zur Restgasanalyse. An der Kammer befindet sich zudem ein weiterer Anschluss für eine Reaktorkammer, in der eine Probenpräparation bei höheren Drücken im mbar-Bereich möglich ist. Desweiteren kann hier ein Verdampfer für organische Moleküle angeschlossen werden.
Die Analysekammer beinhaltet ein kombiniertes Rastertunnel-Rasterelektronen-mikroskop (STM-SEM) mithilfe dessen die Topographie einer (halb-)leitenden Probenoberfläche abgebildet werden kann. Das STM ermöglicht eine sehr hohe Auflösung der Probenoberfläche im Nanometer-Bereich in vertikaler Richtung und im Ångström-Bereich in horizontaler Richtung. Außerdem können mit dem STM rastertunnelspektroskopische Messungen (scanning tunneling spectroscopy – STS) durchgeführt werden, anhand derer die lokale elektronische Zustandsdichte (local density of states – LDOS) an verschiedenen Stellen der Probe bestimmt werden kann. Mit dem SEM lässt sich unter Anderem die Annäherung einer STM-Messspitze an die Probenoberfläche beobachten. Durch den Einsatz eines Kryostaten und einer indirekten Probenheizung sind Messungen im Temperaturbereich von 50 – 870 K möglich. Zusätzlich beinhaltet die Analysekammer eine Röntgenquelle und einen Elektronenenergieanalysator der Firma SPECS zur Aufnahme von Röntgenphotoelektronenspektren (x-ray photoelectron spectra – XPS), um z.B. die chemische Zusammensetzung der Probenoberfläche zu bestimmen. Die Kombination des SEM und des Elektronenenergieanalysators ermöglicht zudem die Durchführung von Raster-Auger-mikroskopischen Messungen (scanning Auger microscopy – SAM). Durch die Anordnung der Messgeräte in der Kammer und einem in x- und y-Richtung beweglichen Probenhalter ist die Durchführung aller Messungen an einer Probenposition möglich.
Abb. 1: Frontansicht des Jeol JSPM 4500S; vorne: Präparationskammer, hinten: Analysekammer.