DE10158096B4

DE10158096B4 - Bauteil für ein SQUID-Mikroskop für Raumtemperaturproben sowie zugehörige Verwendung

Info

Publication number: DE10158096B4
Application number: DE10158096A
Authority: DE
Inventors: Mehdi Prof. Dr. Fardmanesh; Jürgen Dr. Schubert; Marko Banzet
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: US20050116719A1; WO2003048797A1; DE10158096A1; EP1449001A1

Abstract

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, wobei die geschlossene Leiterbahn (3) einen kleinen teilkreisförmigen Abschnitt (4) und großen teilkreisförmigen Abschnitt (5) aufweist, und ein SQUID auf den Substrat (1) angrenzend an den großen teilkreisförmigen Abschnitt (5) der geschlossenen Leiterbahn aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für ein SQUID-Mikroskop sowie die zugehörige Verwendung.
Ein SQUID-Mikroskop ist kommerziell erhältlich. Es umfasst einen supraleitenden Quanteninterferenzdetektor (SQUID), mit dem magnetische Felder 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, supraleitende Leiterbahn gebildet. Diese ist am Ende bis zu 150 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 Weiterleitung 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 gemessene 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 Erfindung 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.

Aus der DE 37 35 668 A1 ist ein für ein SQUID-Mikroskop geeignetes Bauteil mit einem bspw. aus Silizium bestehenden Substrat bekannt. Das Bauteil weist eine Kante und eine geschlossene Leiterbahn aus supraleitendem Material (Niob) auf, die aus den Spulen, den Verbindungsleitungen und der Spule gebildet wird.

Die US 5 894 220 A offenbart eine mikroskopische Vorrichtung, die u.a. ein Bauteil mit einer Nut aufweist, in der ein Substrat angeordnet ist.

Die DE 32 47 543 A1 betrifft eine Vorrichtung zur mehrkanaligen Messung schwacher, sich ändernder Magnetfelder mit einem SQUID-Mikroskop, das ein, eine Kante aufweisendes Bauteil zeigt, wobei die Kante abgerundet ist.

Aus der DE 195 19 480 C2 ist ein Magnetflusssensor mit hoher Ortsauflösung bekannt, bei dem eine Spitze aus paramagnetischem Material vorgesehen ist.

Die US 6 118 284 A betrifft ein System zur Messung der magnetischen Flussdichte, bei dem parallel zu zumessenden Probe eine Aufnehmerspule angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Bauteils für ein SQUID-Mikroskop sowie die Bereitstellung einer zugehörigen Verwendung, bei denen jeweils ein sehr kleiner Abstand zwischen der Probe und der Mikroskopspitze möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Anspruchs und durch die Verwendung gemäß Anspruch 15 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 Bauteil mit einem Substrat bereitgestellt wird, welches eine Kante aufweist. Das Bauteil weist eine geschlossene Leiterbahn auf. Die geschlossene Leiterbahn, die die Probe mit dem SQUID koppelt bzw. der Weiterleitung des magnetischen Flusses dient, wird über die Kante geführt. Die geschlossene Leiterbahn besteht aus supraleitendem Material. Die geschlossene Leiterbahn weist einen großen und einen kleinen teilkreisförmigen Abschnitt auf. Ein SQUID ist auf dem Substrat angrenzend an den großen Abschnit der geschlossenen Leiterbahn aufgebracht.

Die beiden an die Kante angrenzenden Seiten des Substrats schließen vorzugsweise einen Winkel ein, der zwischen 90 und 180° 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 sogenennter „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 geschlossenen 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 150 μm. Je nach Anwendungszweck wird der Durchmesser der geschlossenen Leiterbahn geeignet gewählt.

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.

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 dienenden 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

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, wobei die geschlossene Leiterbahn (3) einen kleinen teilkreisförmigen Abschnitt (4) und großen teilkreisförmigen Abschnitt (5) aufweist, und ein SQUID auf den Substrat (1) angrenzend an den großen teilkreisförmigen Abschnitt (5) der geschlossenen Leiterbahn aufgebracht ist.
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.
Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der kleine Bereich (6) länglich ist und mit einer Längsseite an die Kante (2) grenzt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der kleine teilkreisförmige Abschnitt (41 einen Durchmesser von 5 bis 1 50 μm, bevorzugt bis 20 μm, aufweist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Fenster (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.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beiden an die Kante angrenzenden Seiten des Substrats (1) einen Winkel einschließen, der zwischen 90 und 180° liegt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leiterbahn (3) wenigstens 5 μm breit ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kante (2) abgerundet ist.
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.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein rf-SQUID-Gradiometer auf dem Substrat aufgebracht ist.
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.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die geschlossene Leiterbahn einen Labyrinth-Resonator zur Weiterleitung des magnetischen Flusses an ein SQUID-Element umfasst.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die geschlossene Leiterbahn (3) eine Spitze aus paramagnetischem Material einschließt, die sich bevorzugt innerhalb des kleinen teilkreisförmigen Abschnitts (4) der Leiterbahn befindet.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich das Substrat (1) in einer Vakuumkammer befindet.
Verwendung eines Bauteils gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 in einem SQUID Mikroskop, wobei Magnetfelder gemessen werden.