Wolf Allers , Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1999 :
Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung eines Rasterkraftmikroskops für die Anwendung im Ultrahochvakuum und bei tiefen Temperaturen bis zu 10 Kelvin. Im Weiteren werden die mit diesem Mikroskop durchgeführten Analysen an van-der-Waals-Oberflächen vorgestellt. Die Arbeit gliedert sich in drei Kapitel. Im ersten Kapitel werden die allgemeinen Grundlagen der Rasterkraftmikroskopie abgehandelt. Dabei wird insbesondere auf Temperatureinflüsse, verschiedene Detektorvarianten und unterschiedliche Betriebsarten eingegangen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Aufbau des Mikroskops, daß im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Dabei wird zunächst auf das Ultrahochvakuum- und Tieftemperatursystem eingegangen, bevor der eigentliche Mikroskopkörper beschrieben wird. Im Anschluß daran werden die verschiedenen elektronischen Bausteine des Regelsystems erklärt, wobei besonderes Augenmerk auf die neuentwickelte Steuer- und Regelelektronik für den dynamischen Modus gerichtet wird. Im dritten Kapitel werden rasterkraftmikroskopische Untersuchungen auf zwei verschiedenen van-der-Waals-Oberflächen vorgestellt. Im ersten Abschnitt dieses Kapitels wird der Abbildungsmechanismus auf atomarer Skala im Kontaktmodus anhand der (0001) Oberfläche von hochorientiertem pyrolytischem Graphit (HOPG) analysiert. Der zweite Abschnitt behandelt Messungen im dynamischen Modus auf HOPG. Es wird das Aulösungsvermögen auf atomarer Skala demonstriert, wobei die Bedeutung der tiefen Temperaturen für diesen Modus hervorgehoben wird. In diesem Zusammenhang wird auch eine neue Methode zur Messung des Wechselwirkungspotentials zwischen Spitze und Probe in Abhängigkeit vom Abstand vorgestellt. Im letzten Abschnitt werden Messungen auf einem Modellsystem eines reinen van-der-Waals-Kristalls vorgestellt: die (111)-Oberfläche eines Xe-Films auf HOPG. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß allein van-der-Waals-Käfte ausreichen, um im dynamischen Modus atomare Auflösung zu erzielen. Am Schluß der Abhandlung befindet sich eine Zusammenfassung mit einem Ausblick auf kommende Weiterentwicklungen und Versuche.
The present work deals with the development of a scanning force microscope for application in ultrahigh vacuum and at low temperatures down to 10 Kelvin. This microscope is used for the analysis of van der Waals surfaces, as described in the text. The work consists of three main chapters. The first chapter introduces the reader to the essentials of scanning force microscopy. It offers more detail in respect to the influence of temperature, the various detection mechanisms and gives a description of the different modes of operation. The second chapter deals with the setup of the microscope designed in the present work. The first part gives a description of the ultrahigh vacuum and low temperature system, followed by a description of the microscope body. The second part explains the various electronic circuits, in particular the newly developed controlling and detection electronics for the dynamic mode. Chapter three focuses on studies carried out with this scanning force microscope on two different van der Waals surfaces. The first section of this chapter analyses atomically resolved contact mode images with an interferometer type microscope on the (0001) surface of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). The second section deals with dynamic mode images on the same surface. It demonstrates the capability to produce atomic resolution and the necessity of low temperatures for the required signal to noise ratio. It also contains a presentation of a newly developed method to directly measure tip-sample interactions. The third section describes studies on a true van der Waals system: the (111) surface of Xenon films on HOPG. The experimental results show that van der Waals interaction is sufficient to achieve atomic resolution in dynamic mode scanning force microscopy. The final chapter gives a summary and an outlook in respect to further development projects and experiments.