Aufbau einer Ultrahochvakuum-Apparatur zur Messung der Elektronenspinresonanz im W-Band

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau und der Inbetriebnahme einer Ultrahochvakuum-Apparatur, die es gestattet, unter wohldefinierten Bedingungen einkristalline Proben zu präparieren, zu charakterisieren und in- situ Elektronenspinresonanzmessungen an diesen unter Verwendung eines W-Band Spektrometers mit einer Frequenz von 94 GHz vorzunehmen. Der Einsatz der gegenüber vergleichbaren Aufbauten zehnmal höheren Frequenz verspricht ein um eine Größenordnung verbessertes Auflösungsvermögen bezüglich der feldabhängigen Zeeman-Komponenten. Hiermit können die Eigenschaften paramagnetischer Zentren im Detail untersucht werden. Die Kernaufgabe bei der Adaption des kommerziellen W-Band ESR-Spektrometers an die UHV-Apparatur liegt in der Konzeption und Realisierung eines adäquaten Resonators. Als Design wurde ein semisphärischer Fabry-Perot Resonator gewählt, aufgebaut aus einem gekrümmten Spiegel und der planaren Probe als Widerpart. Untersuchungen an diesem zeigen die hohen Präzisionsansprüche, die aus dem Einsatz der hochfrequenten Mikrowellen resultieren. Der Aufbau eines stabilen Resonators, welcher verlässliche Resultate zulässt, machte eine Reihe instrumenteller Verbesserungen erforderlich, insbesondere eine Modifikation des Resonators. Die mit dem geänderten Design erworbene Reproduzierbarkeit konnte im Rahmen der Untersuchung von paramagnetischen Defekten in einkristallinen Magnesiumoxid-Filmen verifiziert werden. Das verbesserte Auflösungsvermögen eröffnet erstmals die Möglichkeit, zwischen den Signalen verschiedener Defekte im ESR-Spektrum eines mit Elektronen beschossenen Magnesiumoxid-Films, der bei Raumtemperatur auf einem Silbersubstrat Ag(100) gewachsen wurde, zu unterscheiden. Ergebnis der anhand von Symmetrieüberlegungen vollzogenen Analyse bildet ein durch Vergleich analoger Messungen legitimierter Parametersatz. Im Rahmen weiterer Untersuchungen wird eine Zuordnung der einzelnen Komponenten zu verschiedenen Defekttypen vorgenommen. Die isotrope Zentrallinie wird auf Sauerstoff- Fehlstellen im Volumen, sogenannte Farbzentren, zurückgeführt, welche nach dem Elektronenbeschuss der Filme hervortreten. Die übrigen Komponenten des Spektrums bilden zwei die Zentrallinie umgebende Linienpaare. Diese werden paramagnetischen Zentren an den Domänengrenzen des Magnesiumoxid-Films zugeordnet. Kandidaten hierfür wären sowohl Farbzentren, als auch morphologische Defekte, beispielsweise inverse Ecken, die als Elektronenfallen fungieren. Die Ergebnisse sind konsistent mit den Resultaten von MgO auf Mo(001), welche unter Anwendung eines X-Band ESR-Spektrometers erstellt worden sind. W-Band Messungen an Magnesiumoxid-Filmen auf eben diesem Trägermaterial gewähren einen genaueren Einblick in die vorliegenden Defekte und zeigen neben Gemeinsamkeiten, signifikante Unterschiede in der Defektstruktur unter Verwendung der verschiedenen Substrate. Kategorische Voraussetzung für die aus den Spektren gezogenen Schlussfolgerungen, insbesondere für die Bestimmung der g-Tensorkomponenten stellt die Möglichkeit der Trennung der einzelnen Signale dar. Die bestehenden, im X-Band operierenden, ESR-Versuchsaufbauten können dies nicht leisten. Allein der Einsatz der höheren Mikrowellenfrequenz und das damit gesteigerte Auflösungsvermögen gestattet eine adäquate Analyse der Elektronenspinresonanz an einkristallinen Proben.

The present work deals with the installation and application of an ultrahigh vacuum equipment, which combines tools for preparation and characterization of well defined single crystalline samples with an in-situ measurement of electron paramagnetic resonance by using a W-band EPR-spectrometer, operating at 94 GHz. The application of a ten times higher frequency in comparison to established setups operating at X-Band (9,5 GHz) promises an enhanced resolution by an order of a magnitude with regard to the field dependent Zeeman interaction of paramagnetic species. For the adaption of the commercial W-band EPR-spectrometer to ultrahigh vacuum, the concept and implementation of a suitable resonator turns out as a core issue. The investigation of the properties of a semispherical Fabry-Perot resonator, composed of a curved mirror and the planar sample as counterpart reveals a high precision arrangement to be mandatory when using microwaves in this spectral range. The installation of a stable resonator, in terms of reliable results, demands a set of instrumental improvements and a modification of the resonator design in comparison to previous setups. Measurements on paramagnetic defects in magnesiumoxide verify the new acquiered level in reproducibility. For the first time, the improved resolution permits to distinguish between signals of various defects within the spectra of electron bombarded magnesiumoxid films, prepared at room temperature on a silver single crystal as substrat. An analysis by considering symmetry arguments, constitutes a set of parameters, legitimized by comparison of analogue measurements. Additional experiments, like angular dependence and interaction with adsorbates enable an assignement of the segments to specific defects. The isotropic central line is attributed to oxygen vacancies in the bulk, known as paramagnetic color centers, which appear as consequence of the electron bombardement. The remaining components consist of two couples of lines, surrounding the central signal. Both are attributed to paramagnetic centers at the domain boundaries at the magnesiumoxide film. Promising candidates are color centers or morphological defects in the grain boundaries such as kinks, which serve as electron traps. The established set of parameters is consistent with the results on MgO on Mo(001), compiled by the application of an EPR spectrometer, working at X-band (9,5 GHz). Recent W-band experiments on these films reveal a detailed view to the nature of the defects and disclose commonalities and differences in the defect structure by using various substrates. The discrimination and analysis of the several signals, especially the determination of the g-tensor components, is only enabled by the investigation of single crystalline and the enhanced spectral resolution in comparison to established setups by the application of the W-band ESR-spectrometer.