المسح مسبار واحدة الإلكترون الطيفي السعة

الهدف العام من التجربة التالية هو رصد وتحليل التوزيع المكاني لعمليات شحن وتفريغ الإلكترونات المفردة في الأنظمة الموصلة نانوية المقياس الموجودة أسفل أسطح غير موصلة. ويتم تحقيق ذلك عن طريق تحميل العينة على مجهر مسبار مسحي مبرد تجميدياً للوصول إلى درجات حرارة منخفضة ومستويات ضوضاء منخفضة، مما يتيح رصد سلوك الإلكترون المفرد. وفي خطوة ثانية، يُستخدم المجهر في وضع مجهر المسح النفقي لتقريب الرأس إلى مسافة تقارب نانومتر واحد من السطح العلوي للعينة، وهو ما يضع الرأس في موقع مناسب لإجراء قياسات السعة.

بعد ذلك، استخدم المجهر في وضع السعة باستخدام دوائر كشف الشحنة فائقة الحساسية للكشف عن شحنة الصورة المستحثة على السن بفعل حركة الإلكترونات في النظام تحت السطحي. يتيح ذلك تحديد البنية الإلكترونية للنظام الكمي تحت السطحي. وقد تم الحصول على نتائج تظهر نفق الإلكترونات الفردية إلى الأنظمة تحت السطحية نانوية المقياس ومنها.

تحدد القمم ومنحنيات السعة مقابل الجهد طاقات إضافة الإلكترونات. وفي النظام الكمومي، تصبح الأجهزة أشباه الموصلات أصغر فأصغر، حيث يكون أصغر جهاز ممكن هو ذرة واحدة أو ذرة شوائب.

تتضمن العديد من الأجهزة المقترحة أعداداً صغيرة من النقاط المتفاعلة. ويمكن لطريقتنا تحليل البنية الإلكترونية الأساسية لهذه الأنظمة الدقيقة. كما يمكن لهذه الطريقة تقديم رؤى حول البنية الإلكترونية للعينات شبه الموصلة، والنقاط، والطبقات تحت السطحية في جوهرها.

هذه طريقة تعتمد على السعة الكهربائية، ويمكن توسيع نطاقها لتشمل مجموعة متنوعة من القياسات الموضعية عند درجات حرارة منخفضة، مثل الخصائص العازلة للسطح ورسم خرائط دالة الشغل. تُجرى هذه التجارب باستخدام مجهر مسحي مسباري قادر على العمل في درجات حرارة تبريد عميقة مع الإلكترونيات المرتبطة به. بالإضافة إلى الأسلاك المحورية الخاصة بالانحياز والجهد وتيار النفق، تأكد من وجود سلكين محوريين إضافيين على الأقل وسلك تأريض يمتد من حامل الإلكترونيات إلى منطقة رأس المسبار في المجهر.

ستُستخدم هذه لنقل الإشارات إلى المضخم المبرد. بعد ذلك، ابدأ في تجميع دائرة المضخم المبرد استناداً إلى ترانزستور عالي الحركية للإلكترونات HEMT. استخدم أداة خدش لفصل شريحة تبلغ أبعادها حوالي واحد سنتيمتر في واحد سنتيمتر من رقاقة زرنيخيد الغاليوم.

بعد ذلك، استخدم الترسيب لتشكيل عدة منصات ذهبية تبلغ أبعادها حوالي 1 مليمتر في 1 مليمتر على السطح. والآن، قم بتحضير طرف حاد من سلك معدني نبيل هنا. تُستخدم قاطعات قطرية لقص سلك بلاتينيوم إيريديوم 80 20 باستخدام إيبوكسي متوافق مع درجات الحرارة المبردة.

قم بتوصيل سلك ذهبي بكل من الوسادات الذهبية الموجودة على شريحة زرنيخيد الغاليوم. لقد تمت إضافة أسلاك إضافية على هذه الشريحة، ويمكن إزالتها بسهولة إذا لم تكن هناك حاجة إليها في هذه المرحلة؛ مع اتخاذ الاحتياطات اللازمة لتجنب إدخال شحنات شاردة.

عند العمل مع إيبوكسي القنب، ومقاومة الانحياز، والرأس، والقنب على شريحة صهر زرنيخيد الغاليوم. وبمجرد أن يتصلب الإيبوكسي بشكل صحيح، استخدم جهاز ربط الأسلاك المزود بسلك ذهبي لربط عناصر المصدر والمصرف والبوابة للقنب بمنصات ذهبية منفصلة من رابط الشريحة. تُستخدم أسلاك مؤقتة لربط منصات البوابة والمصدر أو المصرف لضمان عدم شحن البوابة بالنسبة لقناة المصدر والمصرف.

لتثبيت شريحة التركيب على المجهر، قم أولاً بتأريض الأسلاك المحورية في المجهر التي سيتم لحام الأسلاك القادمة من الشريحة بها. ثم قم بتثبيت شريحة التركيب أعلى أنبوب pizzo للمسح. استخدم لحام الإنديوم لتوصيل الأسلاك الذهبية الموجودة على الشريحة بالأسلاك المحورية المناسبة.

بعد الاختبار، يتم تثبيت عينة القنب. يتم تركيب هذه العينة على منحدرات من طراز baka تسمح لها بالتحرك دخولاً وخروجاً استجابةً للجهود الكهربائية المطبقة على أنابيب piezo الداعمة. وباستخدام المجهر ووضع STM، قم بتحريك العينة إلى النطاق المطلوب لضمان قدرة العينة والمسبار على التقارب بنجاح.

بعد نجاح الاختبار، قم بتحريك العينة بعيداً عن النطاق لحماية الطرف أثناء التعامل مع المجهر. وللتحضير للتشغيل في درجة حرارة منخفضة، انقل المجهر من طاولة المختبر إلى المبرد (cryostat). يجب أن يكون المبرد قادراً على الوصول إلى درجة الحرارة الأساسية المطلوبة للمجهر وهي 4.2 kelvin أو أقل.

بعد تفريغ المجهر حتى يصل إلى ضغط ميكرون قليل، قم بخفض المجهر بمقدار بوصة أو بوصتين داخل الكرايوستات وانتظر حتى تتوازن درجة الحرارة. قد تستغرق هذه العملية ما يصل إلى عشرات الدقائق. كرر عملية الخفض بمقدار بوصة أو بوصتين في كل مرة حتى يستقر المجهر في موضعه.

قد تستغرق عملية الغمر الكامل يوماً كاملاً تقريباً. بعد ذلك، يجب ترك المجهر حتى يصل إلى حالة التوازن الحراري. وأخيراً، قم بعزل مجموعة المجهر والمبرد (cryostat) عن الاهتزازات.

يُستخدم في هذه التجربة نظام تعليق بحبل مرن (bungee cord) متصل بالكريوستات. استخدم نظام التعليق لرفع المجموعة بضع بوصات عن الأرض والحفاظ عليها عند هذا الارتفاع. راقب الارتفاع لمعرفة ما إذا كان الكريوستات قد انخفض ويحتاج إلى إعادة تعليقه.

بعد إجراء عمليات مسح STM، ابدأ قياسات وضع السعة عن طريق تعطيل حلقة التغذية الراجعة في وحدة تحكم STM مع سحب السن. وعلى بُعد بضع عشرات من النانومترات من موضع STM، قم بإزاحة الموضع الجانبي للسن إلى منطقة من العينة لم يتم مسحها مؤخرًا. ولتحويل تكوين التوصيلات إلى وضع السعة، قم أولاً بحماية الوصلات عن طريق تأريض جميع الأسلاك المحورية.

يسمح إنهاء الأسلاك باستخدام موصلات T ببقاء الأسلاك مؤرضة أثناء إجراء التوصيلات الأخرى. بعد ذلك، قم بتوصيل الأسلاك المحورية بمصادر الجهد والمقاومات ذات الصلة، وبجهاز locke والمضخم ومولد الدوال. اضبط جميع مصادر الجهد على صفر ثم قم بتشغيلها.

قم بإزالة التأريض عن الأسلاك المحورية مع الحرص على إزالة التأريض عن سلك البوابة. وأخيرًا، لحماية الـ hemp، قم بزيادة مصادر الجهد إلى المستويات المطلوبة. اضبط الـ hemp والمضخم لتحقيق الأداء الأمثل.

بعد ذلك، انتظر حتى يستقر القنب. وفي هذه المرحلة، يمكن إجراء المسح، وتصوير تراكم الشحنات، ومطيافية الجهد السعوي. هذا مثال على صورة تراكم الشحنات.

تم تطعيم العينة بالسيليكون باستخدام مستقبلات البورون بكثافة مساحية تبلغ 1.7 × 10¹⁵ لكل متر مربع في طبقة تطعيم دلتا على عمق 15 nanometers تحت السطح عند درجة حرارة 4.2 kelvin. وكما يشير المقياس، فإن الألوان الأكثر سطوعاً تدل على زيادة الشحن. وتُفسر البقع المضيئة على أنها تحدد موقع ذرات البورون الفردية الموجودة تحت السطح.

تشير النقطة الزرقاء إلى بقعة مضيئة محددة حيث تم إجراء مطيافية C مقابل V. ويُفسَّرت القمة الأكبر في بيانات C مقابل V على أنها ناتجة عن دخول الشحنة إلى النقطة الكمومية الموجودة مباشرة أسفل الرأس. أما القمم المجاورة فتعود إلى النقاط الكمومية القريبة، حيث تكون مراكزها مزاحة وسعاتها منخفضة مقارنة بالقمة الرئيسية.

نظرًا لزيادة المسافة بين دبابيس DO، تتسع القمم على طول محور الجهد بسبب تأثيرات تم أخذها في الحسبان في النموذج الذي تم تطويره، كما يتضح من تطابق منحنى النموذج مع البيانات. بيانات مطيافية C مقابل V المعروضة هنا هي لزرنيخيد الغاليوم المطعّم دلتا بطبقة من المانحات السيليكونية بكثافة مساحية تبلغ 1.25 times 10¹⁶ per meter squared، وتقع على عمق 60 nanometers تحت السطح عند 300 millikelvin.

كما يُظهر سلسلة من قمم الشحن، والتي يتسق معظمها مع مجموعات من الإلكترونات العديدة التي تدخل وتغادر الفتحة، ويُشار إلى قمة إلكترون واحد بالسهم الأحمر. البيانات الموجودة على اليمين هي ناتجة عن قياسات متكررة للقمة المشار إليها بالسهم الأحمر في المخطط الموجود على اليسار. وعندما يتم حساب متوسط البيانات، يتم إجراء مطابقة وتظهر هنا باللون الأخضر.

يتوافق منحنى الملاءمة هذا مع الشكل المتوقع لذروة إلكترون واحد في ظل الظروف التجريبية. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد للجوانب العملية لإجراء قياسات سعة الإلكترون الواحد بالمسح. أثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر تجنب تدمير العينة الحساسة من خلال اتخاذ خطوات احترازية لمنع تراكم الشحنات الساكنة بين البوابة وقناة المصدر والمصرف.