A scanning tunneling microscope for multi-probe experiments on the atomic scale

Abstract

Ongoing efforts to identify suitable non-volatile and energy-efficient alternatives to conventional principles in information technology for future data processing and storage are driving scientific research in the field of scanning tunnelling microscopy. In order to gain insight into dynamic processes and transport properties of promising andidates for novel technologies, such as the skyrmion racetrack and spin logic devices, advanced instruments capable of timeresolved methods and the deployment of multiple scanning probes in a nanometre scale range are sought after. In this work, a home-built three-tip scanning tunnelling microscope designed to meet both requirements is presented. It is developed for the operation within an ultra-high vacuum chamber system, at temperatures ranging from 1.5K to 100 K, and in an external magnetic field of up to 3 T. Three independent scanning units are capable of spin-polarised tunnelling with atomic spatial and picosecond time resolution. The ultra-sharp tunnelling tips can be brought into overlapping scan ranges, facilitating one of the microscope’s potential applications: the localised generation of high-density surface currents at low total currents. This capability minimises detrimental effects such as Joule heating. First proof-of-concept experiments involving a local surface current, along with respective numerical modelling of the electrical current on the sample surface, are shown. Additionally, a newly developed etching method for producing single-crystalline ultra-sharp chromium tips for spin-polarised scanning tunnelling microscopy in a three-tip configuration is introduced. Test measurements with a chromium tip prepared by this method are also presented.

Fortlaufende Bemühungen nichtflüchtige und energieeffiziente Alternativen zu konventionellen Prinzipien der Informationstechnologie für zukünftige Speicherung und Verarbeitung von Daten treiben die Forschung im Bereich der Rastertunnelmikroskopie an. Für die Schaffung neuer Erkenntnisse in Bezug auf dynamische Prozesse und Transporteigenschaften von vielversprechenden Kandidaten für solche technologischen Alternativen, wie zum Beispiel dem Skyrmion-Racetrack-Memory und Spin-Logik-Bauelementen, ist ein Bedarf an fortschrittlichen Instrumenten entstanden, die zeitaufgelöste Messmethoden und den Einsatz von mehreren Rastersonden in einem Bereich in der Größenordnung von Nanometern ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Rastertunnelmikroskop mit drei Spitzen präsentiert, das entwickelt wurde, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Es ist für den Betrieb in einem Ultra-Hochvakuum-Kammersystem, bei Temperaturen von 1,5K bis 100K und in einem externen Magnetfeld von bis zu 3T konzipiert. Drei unabhängige Rastereinheiten ermöglichen das spinpolarisiertes Tunneln mit räumlicher Auflösung im atomaren Maßstab und zeitlicher Auflösung in der Größenordnung von Pikosekunden. Die ultrascharfen Tunnelspitzen können in überlappende Rasterbereiche gebracht werden, was die lokale Erzeugung von Oberflächenströmen hoher Stromdichte bei geringen Gesamtströmen ermöglicht. Diese Fähigkeit minimiert schädliche Effekte wie Joule-Erwärmung. Es werden erste Experimente als Machbarkeitsnachweis der Erzeugung von lokalen Oberflächenströmen, zusammen mit entsprechender numerischer Modellierung des elektrischen Stroms auf der Probenoberfläche, gezeigt. Zusätzlich wird eine neu entwickelte Ätzmethode zur Herstellung einkristalliner ultrascharfer Chromspitzen für die spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie in Dreispitzen-Konfiguration vorgestellt. Testmessungen mit einer nach dieser Methode hergestellten Chromspitze werden ebenfalls präsentiert.