Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

3.3. Messaufbau
49
Quetschverschraubung
Quetschverschraubung
Feststellklemme
Feststellklemme
Probe
Spule
Helium
Abbildung 3.7: Schematischer Aufbau eines Kannenmessplatzes wie er in dieser Arbeit
verwendet wurde. Rechts: austauschbare Helium Transportkanne; Mitte: evakuierbarerer
Variable Temperatur Einsatz (VTI); Rechts: Probenstab (aus [24]).
Die zu messende Probe ist zusammen mit den elektrischen Zuleitungen zu den Pro-
benkontakten auf einem Probenstab montiert. Der Probenstab besteht aus einem
schmalen Edelstahlrohr, an dessen unterem Ende ein Kupferzylinder mit zwei So-
ckelhaltern (Steckplätzen) für 8-Pin-Probensockel, einem Widerstandsheizer, einem
Temperatursensor und einer Leuchtdiode angebracht ist. Am oberen Ende des Pro-
benstabes ist eine Plattform mit Steckanschlüssen für Koaxialkabel befestigt. Das
Außenrohr des Stabes wird mit Hilfe einer Quetschverschraubung mit Flansch auf
dem VTI-Einsatz montiert. So lässt sich der Stab unter Aufrechterhaltung der Vaku-
umdichtheit in den VTI versenken. Der Probenraum des VTI kann über ein Nadel-
ventil mit flüssigem
4
He geflutet, oder bei Bedarf vom Reservoir der Kanne getrennt
werden. Im
4
He Bad beträgt die Probentemperatur exakt 4.2 K, der Siedetempe-
ratur von
4
He bei 1013 mbar. Bei geschlossenem Nadelventil kann das Gasvolumen
des Probenraums über eine Vorrichtung am VTI abgepumpt werden. Laut Phasen-
diagramm von
4
He ist der Siedepunkt stark druckabhängig. Durch Verringerung des
Drucks über dem
4
He-Bad kann die Temperatur des Bades bis auf 1.2 K abgesenkt
werden. Die Aufnahme der Messdaten erfolgt über einen 7265 DSP Lock-In Verstär-

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Kapitel 3. Experimentelle Methoden und Aufbauten
ker, einer Schaltbox, die zwischen den einzelnen Probenkontakten automatisiert um-
schalten kann und einem Messcomputer, der mit Hilfe von LabVIEW-Programmen
standardisierte Messzyklen selbständig ausführen kann.
4
He Kryostat mit
3
He Einsatz
Zusätzlich zum Kannenmessplatz steht ein fest installierter
4
He-Kryostat der Fir-
ma Oxford zur Verfügung (Abbildung 3.8). Der dauerhaft eingekühlte supraleitende
Magnet kann Flussdichten bis zu 16 T am Ort der Probe bereitstellen. Wie beim
Kannenmessplatz kann in einem VTI mit Pumpstand, Nadelventil und Widerstands-
heizung mit PID
11
-Regler die Temperatur im Probenraum zwischen 1.4 K und 200
K beliebig eingestellt werden. Messtemperaturen über 4.2 K finden jedoch in dieser
Arbeit keine Anwendung. Vielmehr liegt der Fokus auf der Möglichkeit des Einbaus
eines zugehörigen
3
He Einsatzes der Firma Oxford für Badtemperatur unter 1 K.
11
Proportional - Integral - Differenzial
zur He-Rückleitung
Bypass-Ventil
Pumpe
Vakuum
4
gasförmiges  He
4
flüssiges  He
VTI
M
a
g
n
et
-
sp
u
le
Nadelventil
Anschluss an 
3
He-Pumpstand
3
He-VTI-Einsatz
4
gasförmiges  He 
(~2mbar)
Kupfermanschette
3
gasförmiges  He
3
flüssiges  He
4
flüssiges  He 
(~1,6K)
Vakuum
VTI
Abbildung 3.8: Schematischer Aufbau des fest installierten
4
He-Kryostanten der Firma
Oxford (links) mit zugehörigem
3
He Einsatz (rechts) für Messtemperaturen unter 1 K. (aus
[19]).

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3.3. Messaufbau
51
Ein schematischer Aufbau des
3
He Einsatzes ist in Abbildung 3.8 (rechts) zu se-
hen. Das fortgeschrittene Kühlprinzip basiert auf dem nach Phasendiagram höheren
Dampfdruck des
3
He Isotops im Vergleich zu
4
He-Bädern bei gleichen Druckverhält-
nissen. So kann durch Pumpen an der
3
He Atmosphäre über dem Bad eine tiefere
Temperatur erreicht werden. Die Technische Herausforderung besteht hierbei in der
thermischen Entkopplung des
3
He Reservoirs vom
4
He-Bad. Dies wird zusätzlich
erschwert durch die Angebrachte Kupfermanschette welche durch das außen liegen-
de
4
He Bad auf unter 3.2 K gekühlt werden muss, um als Kondensationsfläche für
3
He zu dienen, welches in der Gasphase in das System eingebracht wird. Am Ort
der Kupfermanschette ist eine thermische Kopplung somit gewollt, am Ort des
3
He
Bades jedoch hinderlich. Weiterhin ist zu beachten, dass das zur Probenkühlung
verwendete
3
He die maximale Kühlleistung nur dann erbringen kann, wenn es keine
Verunreinigungen enthält. Deshalb müssen alle Rohrleitungen und Pumpen, wel-
che der Bereitstellung von
3
He dienen strickt vom
4
He System und der Umgebung
getrennt bleiben. Mit dem von uns benutzten System können Temperaturen bis
zu einer Tiefe von 360 mK für etwa 20 Stunden gehalten werden. Eine detaillierte
technische Beschreibung des Aufbaus kann Referenz [19] entnommen werden. Der
Probenstab ist für die Aufnahme zweier in 8 Pin Dil-Sockel montierter Proben ge-
eignet und kann nach Bedarf mit einer Leuchtdiode ausgestattet werden. Zusätzlich
ist eine Widerstandsheizung monierbar, welche benötigt wird, um das verbliebe-
ne, flüssige
3
He nach Beenden des Messzyklus aus dem Reservoir zu verdampfen.
Der Messplatz ist mit vier 7265 DSP Lock-In Verstärker und zwei Yokogawa 7651
Strom-/ Spannungsquellen ausgestattet. Messzyklen können über einen PC gesteuert
werden. Die dafür benötigte Steuersoftware wurde im Rahmen einer am Lehrstuhl
durchgeführten Diplomarbeit [19] in LabVIEW entwickelt.
4
He/
3
He Mischkryostat
Für Messungen im Temperaturbereich von 1 K bis 20 mK steht ein fest installierter
4
He/
3
He Mischkryostat der Firma Oxford zur Verfügung, dessen supraleitender Ma-
gnet Flussdichten bis zu 19 T am Ort der Probe bereitstellen kann. Eine Regelung
der Temperatur über den vollen Bereich wird über einen PID Regler gewährleistet.
Eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus und der Ausstattung kann Refernz [25]
entnommen werden. Das Kühlprinzip basiert auf der Phasentrennung eines
3
He/
4
He
Gemisches bei Temperaturen unter 870 mK in eine leichtere, konzentrierte
3
He Pha-
se, die für Temperaturen gegen 0 K annähernd zu 100 % aus
3
He besteht, und einer
schwereren, verdünnten Phase, welche einen
3
He Anteil von ca. 6.6 % aufweist. Die
Skizze in Abbildung 3.9 veranschaulicht dieses Prinzip. Beim Übergang eines
3
He-
Atoms von der konzentrierten in die verdünnte Phase verringert sich die Enthalpie
der konzentrierten Phase, was einer Kühlleistung gleichzusetzen ist. Durch Pumpen
an der Atmosphäre über der verdünnten Phase wird aufgrund des geringeren Dampf-

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