СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНАЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Полезная модель относится к низкотемпературным криостатным устройствам, в частности, к установке для проведения низкотемпературных исследований наноструктур и может быть использована в технической физике для выращивания и исследования наноструктур в сверхвысоком вакууме при рабочих температурах до 0,3 К и во внешних магнитных полях до 5 Т.
Известны конструкции сверхвысоковакуумных криогенных систем для сканирующего туннельного микроскопа (далее СТМ). Большинство из них предназначены для измерений в магнитном поле, что существенно расширяет возможности установок.
Из серийно выпускаемых систем можно выделить 3 конструкции: производства немецкой фирмы «Омикрон» ("Omicron"), японской «Унисоку» ("Unisoku") и английской «Оксфорд Инструментс» ("Oxford Instruments").
Первые две системы представляют полностью законченные установки, "Оксфорд Инструментс" предлагает криогенную сверхвысоковакуумную приставку без СТМ и без вакуумной камеры.
Система "Омикрон" расчитана на диапазон температур от 5 К, загрузка образца производится манипулятором в СТМ в верхней части криостата, далее СТМ перемещается вниз, в холодную криостата, в центр соленоида, общее перемещение составляет примерно 1.5 м., тепловой контакт в работе осуществляется через два совмещаемых медных конуса. Недостатком такой конструкции является громоздкость из-за необходимости большого перемещения СТМ в сверхвысоком вакууме, плохой тепловой контакт СТМ и дополнительный источник шума при прокачке жидкого гелия. Достоинство установки - хорошо отработанная конструкция СТМ, удобная смена иглы и
образца, возможность подстыковки стандартного аналитического и другого сверхвысоковакуумного оборудования.
В японской системе "Унисоку" образец линейным манипулятором из верхней сверхвысоковакуумной камеры передается в холодную часть, где расположен СТМ. Недостатки - необходимость перемещать образец на большое расстояние и установка образца в СТМ "втемную". Последнее обстоятельство приводит к необходимости иметь СТМ с очень небольшим диапазоном (около 1 мм) выбора места сканирования иглы относительно поверхности образца. Достоинство установки - более простая конструкция по сравнению с «Омикрон» и возможность работы при температурах до 0.3 К. Криоприставка фирмы «Оксфорд Инструментс» дает возможность работать в диапазоне температур от 0.3 К до 300 К и при магнитных полях до 12 Т. Однако конструкция криостата-приставки оказалась довольно сложной и ненадежной. СТМ, закрепленный на градусной камере, для замены образца перемещается вниз системы, через систему открывающихся экранов в высоковакуумную камеру. СТМ и градусная камера соединены с остальной частью системы через два спиральных трубопровода откачки и электропроводку, при этом полный ход измерительной части составляет 0,5 м., а полная длина проводки составляет около 5 м, что вызывает проблемы при работе с СТМ.
Известна криогенная высоковакуумная установка, которая представляет собой компактную криогенную систему, при этом сверхвысокий вакуум достигается за счет криогенной откачки. Достоинством установки является компактность, недостатком системы - невозможность использования стандартного высоковакуумного оборудования для подготовки образцов, кроме этого, недостаточная мощность откачки не позволяет использовать ионную пушку или другие эффективные средства очистки поверхности, отсутствует дистанционная замена образца и иглы туннельного микроскопа. Криогенная система основана на гелии-4, что не позволяет достичь температуру ниже 1,5 К, в установке отсутствует магнитное поле, что также
накладывает ограничение на проводимые эксперименты. (Статья «Криогенная высоковакуумная установка для проведения сканирующей туннельной микроскопии» («Приборы и Техника Эксперимента», 1996 г., №1, стр.158-165, И.Н.Хлюстиков, B.C.Эдельман).
3
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является сверхвысоковакуумная установка охлаждения сканирующего туннельного микроскопа в сильном магнитном поле. содержащая криогенную систему с резервуаром жидкого гелия, с системой перемещения измерительной камеры из рабочей зоны в зону смены образца, рефрижератор охлаждения на основе откачки паров изотопа гелий-3, сверхпроводящий соленоид, систему перемещения измерительной камеры, блок управления шаговым двигателем перемещения, датчики перемещения, систему открывающихся теплозащитных экранов и сверхвысоковакуумную камеру смены образца В предложенной конструкции измерительная головка СТМ перемещается вместе с градусной камерой и камерой откачки 3Не в камеру замены образца отдельно от остальной криогенной части. При этом подвижная часть связана с остальной частью криостата с помощью длинных витых капилляров и проводов, общая длина которых достигает 5 метров. Через эти капилляры производится откачка градусной камеры, а через провода - подключение СТМ или другой измерительной системы. Преимуществом такой конструкции является наличие одного общего объема жидкого гелия-4 для работы всей системы, недостатком - наличие гибких длинных соединительных линий между подвижной и неподвижной частей, которые работают при температуре жидкого гелия. (M.Kugler, Ch.Renner, O.Fisher, V.Mikheev and G.Batey "A He Refrigerated Scanning Tunneling Microscope in High Magnetic Fields and Ultrahigh Vacuum" (Rev. Sci. Instr., vol.71, 3, p.1475).
Задачей являлось создание установки, в которой было бы возможно проводить подготовку или изготовление образцов в условиях сверхвысокого
вакуума, перемещение образца в измерительную систему, работающую при низких температурах без нарушения условий сверхвысокого вакуума и отогрева измерительной системы.
Поставленная задача решается предлагаемой сверхвысоковакуумной низкотемпературной установкой для физических исследований в магнитном поле, содержащей криогенную систему с резервуаром жидкого гелия, с системой перемещения измерительной камеры из рабочей зоны в зону смены образца, рефрижератор охлаждения на основе откачки паров изотопа гелий-3, сверхпроводящий соленоид, систему перемещения измерительной камеры, блок управления шаговым двигателем перемещения, датчики перемещения, систему открывающихся теплозащитных экранов и сверхвысоковакуумную камеру смены образца, которая снабжена сверхвысоковакуумной камерой подготовки образцов, воздушным шлюзом для загрузки образцов, системой перемещения образцов, системой обеспечения вакуума и основной платформой, криогенная система снабжена дополнительным резервуаром жидкого гелия и раздельными вакуумным и сверхвысоковакуумным объемами, при этом дополнительный резервуар жидкого гелия имеет возможность перемещения, а на основной платформе размещены все узлы установки.
На фиг.1 представлена схема конструкции заявляемой установки. Она состоит из нескольких основных частей: криогенная часть (1) с камерой замены образца (2), сверхвысоковакуумная камеры подготовки образца (3), воздушного шлюза (7) и общей конструкционной фермы (12). Вакуумные камеры разделены сверхвысоковакуумными задвижками (5 и 6), образцы перемещаются из одной камеры в другую с помощью линейных манипуляторов (8 и 9). Вся конструкция расположена на виброизоляторах (10) для уменьшения влияния внешних вибраций. Предварительная откачка осуществляется механическими насосами через клапан (11), сверхвысокий вакуум достигается прогревом всей установки и откачкой геттеро-ионными насосами (4).
Криогенная часть представлена на фиг.2. Она содержит раздельные вакуумный (14) и сверхвакуумный (15) объемы и состоит из следующих основных элементов: внешний кожух (16), гелиевый объем (17), азотный объем (18), дополнительный резервуар жидкого гелия (13) с возможностью закрепления образца снизу и сверхвакуумный камера для смены образцов (2). Магнитное поле создается при помощи сверхпроводящего магнита (19), находящегося в гелиевом объеме (17). Для уменьшения теплопритока к гелиевому объему (17), криостат снабжен отстыковывающимися токовводами (20). Дополнительный резервуар находится во внутренней части криостата, стенки его имеют азотную температуру. Зона сверхнизких температур в нижней части дополнительного резервуара жидкого гелия экранируется от внешнего теплового излучения при помощи набора скользящих экранов (21). Дополнительный резервуар линейно перемещается при помощи подъемного механизма (22) и тарельчатого сильфона с большим ходом (23). Полный ход дополнительного резервуара обеспечивает перемещение образца из «рабочего положения» в положение «смена образца». При перемещении дополнительного резервуара в положении «смена образца» скользящие экранирующие экраны (21) остаются в зоне криостата и открывают свободный доступ для смены исследуемого образца. Таким образом обеспечивается легкость смены исследуемого образца с загрузкой образца снизу.
На основной платформе размещены все узлы установки для удобства ее обслуживания.
Установка работает следующим образом. Образец помещается в специальный держатель, расположенный в воздушном шлюзе 7, и шлюз откачивается. После откачки шлюза открывается заслонка 6 и образец вводится при помощи манипулятора 8 в сверхвысоковакуумную камеру 3, где закрепляется на конце манипулятора 9. При помощи манипулятора образец может перемещаться вдоль всей высоковакуумной камеры и
помещаться в зону действия системы напыления, подготовки поверхности и в камеру 2 смены образца криогенной системы 1.
Для расширения возможностей экспериментов установка удовлетворяет следующими необходимыми требованиями: возможность работы в стабильных магнитных полях до 6 Т и расширенном рабочем диапазоне температур от 0,3 К до 300 К. Система представляет собой криогенную приставку с загрузкой образца «снизу», такая конструкция легко пристыковывается к стандартному сверхвысоковакуумному оборудованию и имеет небольшой ход измерительной части при замене образца. Обеспечена возможность приготовления образцов в условиях сверхвысокого вакуума, их изучения при помощи СТМ без влияния атмосферы, при непосредственном переносе образов в СТМ с их последующим охлаждением в условиях сверхвысокого вакуума. Система построена по модульному принципу -основой является криостат со сверхпроводящим соленоидом, в центре которого располагается перемещаемая вставка - система охлаждения СТМ. В зависимости от задач предоставляется возможность использовать низкотемпературные вставки - на диапазон температуры от 0.3 К до 4 К и выше. Конструкция обеспечивает подготовку и изготовление образцов, перемещение образцов в камеру СТМ и замену образцов «in situ», т.е. без нарушения сверхвысокого вакуума рабочей камеры. Система выполнена по модульному принципу, легко модернизируется и дополняется любым промышленным внешним аналитическим оборудованием, имеющим соединительные фланцы стандарта «conflat».
Одной из возможностей данной установки является исследование островковых пленок свинца на кремниевой подложке и алюминиевых микроструктур. Данные наноструктуры представляют собой мезоскопические сверхпроводящие объекты. В этих объектах длина когерентности в сверхпроводящем состоянии сравнима с размерами объекта, что приводит к таким явлениям в магнитных полях, как существование «большого вихря», «вихревых молекул» и других необычных систем.
Установка позволит проводить подобные и другие исследования методом туннельной спектроскопии, недоступные ранее.
Исследование мезоскопических сверхпроводящих структур и роли флуктуаций в таких структурах приобретает особую актуальность в связи с возможностью, создания одноэлектронных транзисторов, изготовленных непосредственно на мезоскопических структурах, использования подобных структур в качестве материальной среды для реализации квантового компьютера и элементов криоэлектронники.
Таким образом, заявляемая сверхвысоковакуумная низкотемпературная установка для физических исследований в магнитном поле позволяет проводить исследования наноструктур в сверхвысоком вакууме без его разрушения в рабочей камере.