扫描探针单电子电容谱学

以下实验的总体目标是观察并实现对位于非导电表面下方的纳米级导电系统中单个电子充放电过程的空间分辨。通过将样品装载到低温扫描探针显微镜上，以实现低温和低噪声环境，从而能够观测单电子行为。第二步，将显微镜设置为扫描隧道显微镜模式，使探针尖端接近样品表面顶部约一纳米处，从而将尖端定位在适合进行电容测量的位置。

接下来，使用显微镜的电容模式，利用极其灵敏的电荷检测电路，探测由亚表面系统中电子运动在探针上感应出的像电荷。这可以确定亚表面量子系统的电子结构。所获得的结果显示了单个电子隧穿进入和离开纳米尺度亚表面系统的过程。

峰和电容-电压曲线标记了电子的添加能。在量子系统中，半导体器件正变得越来越小。最小的可能器件是单个施主原子或杂质原子。

许多提出的器件涉及少量相互作用的量子点。我们的方法能够解析这些微小系统的基本电子结构。该方法能够深入揭示其核心的亚表面、导电点以及半导体样品的电子结构。

这是一种电容测量方法，可扩展应用于多种低温局域测量，例如表面介电特性与功函数成像。这些实验在具备低温能力的扫描探针显微镜及其配套电子设备上进行。除了用于偏压、电压和隧道电流的同轴线外，还需确保至少有两条额外的同轴线和一条接地线从电子设备机架连接至显微镜的探针区域。

这些将用于传输低温放大器的信号。接下来，基于高电子迁移率晶体管hemp开始组装低温放大器电路。使用划片刀从砷化镓晶圆上切割出一块约一厘米乘一厘米的芯片。

然后通过沉积法在表面形成数个约一毫米乘一毫米的金电极。接下来，从贵金属丝上制备一个尖锐的探针尖端。使用耐低温的环氧树脂，用斜口钳剪切一段 80/20 铂铱合金丝。

将金线连接到砷化镓芯片上的每个金焊盘。该芯片上已额外添加了一些导线。如果此时不需要这些额外导线，可将其轻松移除，但需注意避免引入杂散电荷。

在处理大麻环氧树脂时，将偏置电阻器、探针头以及大麻连接到砷化镓熔融芯片上。待环氧树脂充分固化后，使用装载金线的引线键合机将大麻的源极、漏极和栅极元件分别键合至芯片上的独立金焊盘。通过临时导线将栅极与源极或漏极焊盘相连，以确保栅极相对于源漏沟道不会带电。

首先将显微镜上的同轴导线接地，以便焊接来自芯片的导线。然后将固定芯片粘附在扫描压电管的顶部。使用铟焊料将芯片上的金导线与相应的同轴导线连接。

测试后，将大麻样品固定在样品台上。该样品安装在巴卡式斜坡上，可通过向支撑的压电管施加电压来控制其进出。在显微镜和扫描隧道显微镜（STM）模式下，移动样品至合适位置，以确保样品与探针能够成功接近。

测试成功后，将样品移至远离探针的位置，以在显微镜操作过程中保护探针。为准备低温工作，将显微镜从实验台转移至低温恒温器中。该低温恒温器应能够使显微镜达到所需的基底温度 4.2 开尔文或更低。

将显微镜抽真空至几微托后，将显微镜下降一至两英寸进入低温恒温器，并等待温度达到平衡。此过程可能需要数十分钟。重复每次下降一至两英寸，直至显微镜就位。

完全浸入过程可能需要近一天的时间。然后让显微镜静置以达到热平衡。最后，将冷冻切片机与显微镜组件隔离，避免振动干扰。

本实验中使用连接到恒温冷冻切片机的弹力绳悬挂系统。利用该悬挂系统将组件抬离地面几英寸，并保持在此高度。监测高度以判断恒温冷冻切片机是否下沉，从而确定是否需要重新悬挂。

完成STM扫描后，通过将STM控制器中的反馈回路关闭并收回探针，开始进行电容模式测量。将探针从其STM位置横向偏移数十余纳米，移至样品上近期未扫描过的区域。为切换至电容模式的接线配置，首先通过将所有同轴线接地来保护前置放大器（hemps）。

使用 T 型连接器连接导线，可在进行其他连接时保持导线接地。接下来，将同轴导线连接至相应的电压源和电阻、锁相放大器以及函数发生器。将所有电压源设置为零，然后打开电源。

断开同轴电缆的接地，注意先断开栅极导线的接地。最后，为保护大麻植株，将电压源调节至所需水平。调节大麻植株并锁定放大器以获得最佳性能。

然后等待大麻材料稳定。此时，可以进行扫描、电荷累积成像以及电容-电压谱学测量。这是一幅电荷累积成像的示例。

样品为掺杂了硼受主的硅材料，在表面以下15纳米处的δ掺杂层中，受主的面密度为每平方米1.7 × 10¹⁵。实验在4.2开尔文下进行。根据图示比例，较亮的颜色表示更高的电荷量。亮斑被解释为标记了单个亚表面硼原子的位置。

蓝色的点表示进行点 C 对 V 谱学测量的特定亮点位置。C 对 V 数据中最大的峰被解释为来自紧邻针尖下方的量子点的电荷进入信号。邻近的峰则源于附近的量子点，它们的中心位置发生偏移，且相对于主峰其幅值降低。

由于DO引脚间距增大，电压轴上的峰因模型中已考虑的效应而展宽，模型曲线与实验数据的一致性证实了这一点。此处所示的电容-电压谱数据针对砷化镓δ掺杂样品，其表面下60纳米处有一层硅施主，面密度为1.25 × 10¹⁶ 每平方米，测量温度为300毫开尔文。

它还显示出一系列充电峰，其中大多数与多个电子进入和离开量子点的行为一致，而单个电子峰由红色箭头标出。右侧的数据来自对左侧图中红色箭头所指峰的重复测量。对数据进行平均后，得到拟合结果，并以绿色显示。

该拟合曲线与实验条件下单电子峰的预期形状一致。观看本视频后，您应能充分理解进行扫描单电子电容测量时的实际操作要点。在尝试该实验步骤时，需特别注意采取预防措施，避免栅极与源-漏沟道之间因静电积累而损坏敏感的器件。