Position tracking on a nanometer scale for scanning hall probe microscopy

Abstract

Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind Materialien intensiver Forschung der letzten 40 Jahre, dennoch sind sie nicht vollständig verstanden. Hier hilft Raster Hall Sonden Mikroskopie (RHSM) als eine wichtige Messmethode um diese Supraleiter zu analysieren und charakterisieren. Kommerziell am häufigsten vorhandene HTS sind Band-Supraleiter. Da Band-Supraleiter Granularität in einer Größenordnung von Nano- bis Mikrometer aufweisen, ist die Auflösung der RHSM entscheidend um diese Supraleiter zu untersuchen. Das Ziel dieser Arbeit war es ein Positionsbestimmungssystem für ein existierendes Projekt zu entwickeln, um eine Auflösung von Nanometern über eine Distanz von einigen Zentimetern zu erreichen. Zusätzlich musste dieses System für niedrige Temperaturen (4.2 - 300 K) und limitierten Platz entwickelt werden. Dieses Ziel wurde für eine räumliche Achse unter Verwendung von Interferometrie erreicht. Außerdem wurde der Positionieraufbau neu entworfen und der Interferometer- sowie der Messaufbau optimiert. Dies erlaubte eine Auflösung von zehn bis hundert Nanometer. Für eine noch genauere Messung kann ein kleiner Bereich mithilfe von Piezo-Scannern gemessen werden. Tests der groben Positionsbestimmung zeigen, dass die Bewegung reproduzierbar und stabil ist. Dies gilt sowohl für Umgebungstemperatur als auch niedrige Temperaturen, bei welcher die meisten RHSM Messungen stattfinden. Der weitere Ablauf für diesen Aufbau wird daraus bestehen für die beiden anderen Achsen eine genaue Positionsbestimmung zu entwickeln.

High temperature superconductors (HTS) have been heavily researched for the last 40 years but are still not fully understood. To close some of these knowledge gaps, Scanning Hall Probe Microscopy (SHPM) is an important technique to analyse and characterize these materials. Most commercially available HTS are coated conductors. Since these conductors are granular, with grain sizes ranging from micrometer to nanometer, improving the resolution of the SHPM is essential for a better understanding of the superconducting properties. The aim of this thesis was to develop a position tracking system for an already ongoing project to reach nanometer resolution over a distance of a few centimeters. Additionally, this system needs to operate at low temperatures 4.2 - 30 0K) and the confined space of a cryostat. This aim was met for one axis by using interferometry, via a complete overhaul of the existing positioning setup and optimisations in both the acquisition and interferometer setup. This allows to scan a sample with a resolution of approximately ten to one-hundred nanometers. Finer scans can be made for a small area using a piezo scanner. Tests of the coarse position tracking system show a reproducible and stable position tracking at ambient as well as low temperatures, where most SHPM-measurements take place. Further iterations will incorporate position tracking for the other two dimensions.