Authors:	Jacob, Georg
Title:	Ion implantation and transmission microscopy with nanometer resolution using a deterministic ion source
Online publication date:	4-Jul-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	This work reports on the construction and setup of a single ion source experiment on the basis of a linear Paul trap to the aim of deterministic ion implantation and single ion microscopy. Single 40 Ca + ions at energies ranging from 0.3 to 6 keV were extracted from the trap at a maximum rate of 3 ions per second. The beam divergence was measured to be 23.7 ± 2.5 μrad, at an energy dispersion of 174 meV, limited by the noise of the extraction voltage. Focussing of the beam with an electrostatic einzel lens to a 1-σ radius of 5.8 ± 1.0 nm was demonstrated, where the minimum two-sample deviation of the beam position in the focal plane has been determined to be 1.5 nm, when integrating over a period of 9 hours. For the purpose of single ion implantation, molecular nitrogen ions were trapped and sympathetically cooled. Subsequent extraction and implantation of these ions has been carried out and the creation of single nitrogen vacancy colour centres in diamond by this method was shown. For the first time, a single particle microscope was realised, which employs deterministically extracted calcium ions as probe particles for transmission imaging. Even when used in combination with an imperfect detector, this showed a 5 times higher signal-to-noise ratio as compared to microscopy with a conventional particle source, which is subject to Poissonian emission properties. Moreover, it was demonstrated, that the gain in spatial information can be maximised by employing the Bayes experimental design technique, when imaging structures with a parametrisable transmission function. In addition, the precise timing of the extraction event was used to gate the detector and in this way suppress detector dark counts by 6 orders of magnitude. Furthermore, various future applications of the deterministic single ion source for novel types of microscopy or material doping are discussed. Diese Arbeit behandelt die Konstruktion und den Aufbau einer Einzelionenquelle auf der Grundlage einer linearen Paulfalle, zur deterministischen Implantation und Mikroskopie mit einzelnen Ionen. Es wurden einzelne 40 Ca + Ionen mit Energien von 0,3 bis 6 keV bei einer maximalen Rate von drei Ionen pro Sekunde aus der Falle extrahiert. Dabei wurde eine Strahldivergenz von 23,7 ± 2.5 μrad, sowie eine Energiedispersion von 174 meV, begrenzt durch das Rauschen der Extraktionsspannung, gemessen. Der Strahl wurde auf einen 1-σ Radius von 5,8 nm fokussiert, wobei eine minimale Zweiwert-Abweichung der Strahlposition in der Fokusebene von 1,5 nm während einer Messdauer von neun Stunden erzielt werden konnte. Um molekulare Stickstoffionen zu implantieren wurden diese zunächst gefangen und sympathetisch gekühlt. Mit einer anschließend durchgeführten Extraktion und Implantation dieser Ionen konnten Stickstoff Farbzentren in Diamant erzeugt werden. Durch Einsetzen dieser Kalzium Ionen als Sonden gelang es zum ersten Mal ein deterministisches Einzelionenmikroskop zu realisieren. Im Vergleich zur Mikroskopie mit einer konventionellen poissonschen Teilchenquelle konnte so, selbst mit einem nicht idealen Detektor, ein fünfmal höheres Signal zu Rausch Verhältnis gemessen werden. Zudem wurde gezeigt, dass durch das Verwenden des Bayes experimental design Verfahrens der Informationsgewinn pro Teilchen beim Abbilden von Strukturen mit einer parametrisierbaren Transmissionsfunktion, maximiert werden kann. Zusätzlich wurde der genaue Zeitpunkt des Extraktionsereignisses dazu genutzt die Auslese des Detektors nur in einem bestimmten Zeitfenster zu aktivieren und so die Dunkelzählrate um sechs Größenordnungen zu unterdrücken. Im Hinblick auf zukünftige Anwendungen werden verschiedene Verbesserungen der deterministischen Einzelionenquelle für den Einsatz in der Mikroskopie und zur Festkörperdotierung diskutiert.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-877
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000013978
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	x, 125 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen