WO2003048797A1

WO2003048797A1 - Squid-mikroskop für raumtemperaturproben

Info

Publication number: WO2003048797A1
Application number: PCT/DE2002/004245
Authority: WO
Inventors: Mehdi Fardmanesh; Jürgen Schubert; Marko Banzet
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2003-06-12
Also published as: US20050116719A1; DE10158096B4; EP1449001A1; DE10158096A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für ein SQUID-Mikroskop sowie selbiges. Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines SQUID-Mikroskops, bei dem ein sehr kleiner Abstand zwischen der Probe und der Mikroskopspitze möglich ist. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gelöst, indem ein Substrat bereitgestellt wird, welches eine Kante aufweist. Die geschlossene Leiterbahn, die die Probe mit dem SQUID koppelt bzw. der Weiterleitung des magnetischen Flusses dient, wird über die Kante geführt. Die beiden an die Kante angrenzenden Seiten des Substrats schliessen einen Winkel ein, der zwischen 90 und 180° liegt. Durch Vorsehen des Winkels gelingt es, das Substrat zusammen mit der geschlossenen Leiterbahn näher an das Fenster einer Vakuumkammer heran zu bringen, als dies beim Stand der Technik möglich ist. Hinter dem Fenster ist die zu untersuchende Probe angeordnet.

Description

B e s c h r e i b u n g SQUID-Mikroskop für Raumtemperaturproben

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für ein SQUID-Mikroskop sowie selbiges.

Ein SQUID-Mikroskop ist kommerziell erhältlich. Es umfasst einen supraleitenden Quanteninterferenzdetektor (SQUID), mit dem magnetische Fel- der hochempfindlich erfasst werden. Das Messsignal des SQUIDS stellt die Größe, die mittels des Mikroskops beobachtet und ausgewertet wird. Ein SQUID muss bei tiefen Temperaturen betrieben werden, die typischerweise bei 77K liegen.

Die geschlossene Leiterbahn besteht aus supraleitendem Material. Typischerweise wird Yttriumbariumkupferoxid eingesetzt. Das SQUID-Element besteht ebenfalls aus supraleitendem Material.

Die Spitze eines SQUID-Mikroskops wird durch eine geschlossene, sup- raleitende Leiterbahn gebildet. Diese ist am Ende bis zu 1 50 μm dick. Die geschlossene Leiterbahn dient der Weiterleitung des Magnetfeldes zum SQUID. Der Durchmesser eines SQUIDs beträgt typischerweise 1 ,5 mm. Ein SQUID kann daher nicht als Spitze eingesetzt werden.

Ein SQUID umfasst eine geschlossene Leiterbahn mit einem Josephson- Kontakt. Zu bevorzugen ist bei einem Mikroskop ein rf-SQUID und zwar insbesondere ein rf-SQUID-Gradiometer. Ein rf-SQUID-Gradiometer besteht aus zwei geschlossenen Leiterbahnen mit einem Josephson- Kontakt. Dieses ist besonders empfindlich. Grundsätzlich kann jedoch jede Art von SQUID eingesetzt werden, also auch ein DC-SQUID.

Die zuerst als Spitze eingesetzte geschlossene Leiterbahn dient der Wei- terleitung von magnetischem Fluss zum SQUID. Zusätzlich ist bei einem rf-SQUID ein Tankschwingkreis („tank circuit") vorgesehen, um Veränderungen in der geschlossenen Leiterbahn des SQUIDs messen zu können. Diese Veränderungen bewirken Veränderungen der Spannung im Tankschwingkreis. Die genannte Spannungsänderung ist ein Maß für das ge- messene Magnetfeld.

Bei einem SQUID-Mikroskop muss der Abstand zwischen der Probe und der Spitze des Mikroskops gering sein, um gute Messergebnisse erhalten zu können. Problematisch ist dann, dass die Spitze des Mikroskops einer Temperatur von 77°C oder tieferen Temperaturen ausgesetzt sein muss, wohingegen sich die Probe auf Raumtemperatur befindet.

Um diese Temperaturdifferenz realisieren zu können, befindet sich die Spitze des Mikroskops in einer Vakuumkammer.

Um den Abstand zwischen der Probe und der geschlossenen Leiterbahn, die der Weiterleitung des magnetischen Flusses dient, möglichst gering halten zu können, weist ein Fenster der Vakuumkammer eine Nut, Rille oder Ausnehmung auf. Durch die Nut, Rille oder Ausnehmung ist das Fenster hier besonders dünn. Da die Nut, Rille oder Ausnehmung sehr klein ist, wird die dünne Stelle nicht durch das Vakuum im Inneren der Kammer zerstört. Typischerweise ist das Fenster 100 bis 500 μm dick. Am Boden der Nut, Rille oder Ausnehmung sinkt die Dicke des Fensters auf typischerweise 4 bis 5 μm. Die Breite der Nut, Rille oder Ausnehmung beträgt beim Stand der Technik typischerweise 500 μm. Durch die Erfin- düng können jedoch auch kleinere Breiten realisiert werden.

Bei einem leistungsfähigen SQUID-Mikroskop ist die geschlossene Leiterbahn, die der Weiterleitung von magnetischem Fluss zum SQUID dient, möglichst nahe an die dünne Stelle des Fensters heran zu führen, um so den Abstand zwischen der Probe und der Spitze des Mikroskops gering halten zu können. Gemäß dem Stand der Technik beträgt der Abstand wenigstens 50 μm. Vorraussetzung hierfür ist der Einsatz eines DC- SQUIDs, da dieser relativ klein ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines SQUID-Mikroskops, bei dem ein sehr kleiner Abstand zwischen der Probe und der Mikroskopspitze möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma- len des ersten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Unter Spitze des Mikroskops wird der Bereich einer geschlossenen, supraleitenden Leiterbahn verstanden, der der Probe am nächsten kommt. Diese geschlossene Leiterbahn dient der Weiterleitung des magnetischen Flusses zum SQUID. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem ein Substrat bereitgestellt wird, welches eine Kante aufweist. Die geschlossene Leiterbahn, die die Probe mit dem SQUID koppelt bzw. der Weiterleitung des magnetischen Flusses dient, wird über die Kante geführt. Die beiden an die Kante angrenzenden Seiten des Substrats schließen einen Winkel ein, der zwischen 90 und 1 80° liegt. Durch Vorsehen des Winkels gelingt es, das Substrat zusammen mit der geschlossene Leiterbahn näher an das Fenster heran zu bringen, als dies beim Stand der Technik möglich ist. Die Figuren verdeutlichen den Zusammenhang.

Zwar entsteht innerhalb der geschlossenen Leiterbahn ein sogenannter „weak link", sobald die Leiterbahn die Kante passiert. Dieser „weak link" ist nicht gewollt. Nachteilhafte Auswirkungen des „weak links" können jedoch vermieden werden. Wird beispielsweise die Breite der geschlosse- nen Leiterbahn breit genug gewählt, so treten keine Probleme aufgrund eines Josephson-Kontakts auf. Der kritische Strom ist dann hoch genug, so dass bei den Arbeitstemperaturen die Einflüsse des „weak link" vernachlässigt werden können. Die Leiterbahn sollte wenigstens 5 μm breit sein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Kante abgerundet, um Auswirkungen eines „weak link" herab zu setzen.

Es gelingt erfindungsgemäß, den Abstand zwischen einer Probe und der angrenzenden geschlossenen Leiterbahn auf bis zu 10 μm zu reduzieren. Erfindungsgemäß steht genügend Raum zur Verfügung, um auch mit Mikroskopen, die ein rf-SQUID-Gradiometer umfassen, den genannten kleinen Abstand realisieren zu können. Ein rf-SQUID-Gradiometer ist problematisch, da dieses relativ viel Platz benötigt. Dieser umfasst nämlich weitere Elemente, wie z. B. einen Tankschwingkreis. Durch die Erfindung gelingt es also nicht nur, den Abstand zwischen Probe und Mikroskopspitze im Vergleich zum Stand der Technik zu reduzieren, sondern gleichzeitig steht genügend Platz bereit, um empfindlichere SQUIDs verwenden zu können, die jedoch mehr Platz benötigen.

Es gelingt ferner in einer Ausgestaltung, mehrere SQUID-Elemente mit mehreren Mikroskopspitzen, die durch geschlossene Leiterbahnen gebildet werden, einzusetzen, um so gradiometrische Messungen durchführen zu können. Eine hohe Auflösung kann damit ebenfalls realisiert werden.

Komplizierte Aufbauten, die z. B. einen Labyrinth-Resonator zur Weiterleitung des magnetischen Flusses an das SQUID-Element umfassen, sind ebenfalls möglich. So können ebenfalls höhere Sensitivitäten im Vergleich zum Stand der Technik realisiert werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die geschlossene Leiterbahn an dem Ende, die der Aufnahme des magnetischen Flusses dient, zusätzlich eine Spitze aus paramagnetischem Material auf. Hierdurch kann die Ortsauflösung weiter verbessert werden. Der Teil der geschlossenen Leiterbahn, der als Spitze des Mikroskops wirkt, kann lediglich 5 μm breit sein. Dies ermöglicht sehr große Ortsauflösungen.

Die geschlossene Leiterbahn ist typischerweise 5 μm breit. Die Breite ist jedoch unkritisch. Dabei ist lediglich zu bedenken, dass mit zunehmender Breite der Leiterbahnen die Spitze, die der Aufnahme des Flusses dient, ebenfalls breiter wird. Hierdurch verringern sich die Ortsauflösung.

Der Durchmesser an der Stelle der geschlossenen Leiterbahn, an der der Fluss aufgenommen wird, variiert typischerweise von 5 μm bis zu 1 50 μm. Je nach Anwendungszweck wird der Durchmesser der geschlossenen Leiterbahn geeignet gewählt.

Figur 1 zeigt ein Substrat 1 mit einer Kante 2 und einer geschlossenen Leiterbahn aus supraleitendem Material, die über die Kante 2 hinweg geführt wird. Der teilkreisförmige Bereich 4 der geschlossenen Leiterbahn dient als Spitze in einem SQUID-Mikroskop. An den teilkreisförmigen Bereich 5 der geschlossenen Leiterbahn grenzt ein SQUID an, der hier nicht dargestellt ist.

Figur 2 zeigt ein Fenster 7, welches Teil einer Vakuumkammer ist. Das Fenster 7 weist eine Ausnehmung 8 auf, in die das Substrat 1 hineinreicht. Die Fläche 6 des Substrats 1 , die den als Mikroskopspitze dienen- den Teil 4 der geschlossenen Leiterschleife aufweist, grenzt an den Boden der Ausnehmung. Während des Betriebes befindet sich eine Probe 9 auf der anderen Seite des Fensters 7 an die Ausnehmung 8 angrenzend. Der Abstand zwischen der Probe 9 und der Mikroskopspitze kann so auf 10 μm reduziert werden.

Soweit keine gegenteilige Beschreibung vorliegt, weist das erfindungsgemäße Mikroskop aus dem Stand der Technik bereits bekannte Merkmale auf.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1 . Bauteil für ein SQUID-Mikroskop mit einem Substrat (1 ), das eine Kante (2) aufweist, und einer geschlossenen Leiterbahn (3), die über die Kante geführt ist und aus supraleitendem Material besteht.

2. Bauteil nach Anspruch 1 , bei der die Kante (2) die korrespondierende Oberfläche des Substrats (1 ) in zwei Bereiche unterteilt, wobei der eine Bereich (6) klein gegenüber dem anderen Bereich ist.

3. Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der kleine Be- reich (6) länglich ist und mit einer Längsseite an die Kante (2) grenzt.

4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die geschlossene Leiterbahn einen kleinen teilkreisförmigen Abschnitt (4) umfasst, der einen Durchmesser von 5 bis 1 50 μm, bevorzugt bis

20 μm aufweist.

5. Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die geschlossene Leiterbahn (3) einen weiteren großen teilkreisförmigen Ab- schnitt (5) umfasst, der groß gegenüber dem kleinen teilkreisförmigen Abschnitt (4) ist.

6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein SQUID auf dem Substrat (1 ) aufgebracht ist.

7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein SQUID auf dem Substrat (1 ) angrenzend an einen großen teilkreisförmigen Abschnitt (5) der geschlossenen Leiterbahn (3) aufgebracht ist.

8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Fens- ter (7) und einer Nut, Rille oder Ausnehmung (8) im Fenster, wobei die Kante (2) des Substrats (1 ) innerhalb der Nut, Rille oder Ausnehmung (8) angeordnet ist.

9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bei- den an die Kante angrenzenden Seiten des Substrats (1 ) einen Winkel einschließen, der zwischen 90 und 180° liegt.

10. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leiterbahn (3) wenigstens 5 μm breit ist.

1 1 . Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kante (2) abgerundet ist.

1 2. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Probe (9) in einem Abstand vom Substrat angeordnet ist, der zwischen 10 und 30 μm liegt.

1 3. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein rf- SQUID-Gradiometer auf dem Substrat aufgebracht ist.

14. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere geschlossene Leiterbahnen (3) über die Kante (2) geführt sind und an jede geschlossene Leiterbahn (3) ein SQUID angrenzt.

1 5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei die geschlossene Leiterbahn einen Labyrinth-Resonator zur Weiterleitung des magnetischen Flusses an ein SQUID-Element umfasst.

16. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die geschlossene Leiterbahn (3) eine Spitze aus paramagnetischem Material einschließt, die sich bevorzugt innerhalb eines kleinen teilkreisförmigen Abschnitts (4) der Leiterbahn befindet.

1 7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich das Substrat (1 ) sich einer Vakuumkammer befindet.

1 8. Mikroskop umfassend ein Bauteil mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.