Methodenartikel

Vollelektronische Nanosekunde gelöst Scanning Tunneling Microscopy: Erleichterung der Untersuchung der einzelnen Dotierstoff kostenlos Dynamik

DOI:

10.3791/56861

⸱

19. Januar 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, University of Alberta, 2National Institute for Nanotechnology, National Research Council of Canada, Edmonton, 3Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, 4Max Planck Institute for Solid State Research, 5Department of Physics and Astronomy, University of Manitoba, 6Joint Attosecond Science Laboratory, University of Ottawa

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir zeigen eine elektronische Methode um Nanosekunden gelöst kostenlos Dynamik von Dotierstoffen Atomen in Silizium mit einem Rastertunnelmikroskop zu beobachten.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen, Skalen, wo die kleine Zahl der Dotierstoffe Geräteeigenschaften kontrollieren kann, erfordert die Entwicklung neuer Techniken in der Lage, ihre Dynamik zu charakterisieren. Untersuchung einzelner Dotierstoffe erfordert räumliche Auflösung Sub-Nanometer, der was den Einsatz von scanning tunneling Microscopy (STM) motiviert. Konventionelle STM ist jedoch beschränkt auf Millisekunden Zeitauflösung. Verschiedene Methoden wurden entwickelt, um dieses Manko, einschließlich elektronische zeitaufgelösten STM, die in dieser Studie verwendet wird, um Dotierstoff Dynamik in Silizium mit einer Nanosekunde Auflösung zu überwinden. Die hier vorgestellten Methoden sind leicht zugänglich und ermöglichen lokalen Messung einer Vielzahl von Dynamik auf atomarer Skala. Ein Roman zeitaufgelösten scanning tunneling Spektroskopie Technik präsentiert und effiziente Suche nach Dynamik verwendet.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Scanning tunneling Microscopy (STM) geworden, das erste Werkzeug im Bereich der Nanowissenschaften für seine Fähigkeit, atomarer Ebene Topographie und elektronische Struktur zu lösen. Eine Einschränkung der konventionellen STM ist jedoch, dass seine zeitliche Auflösung wegen der begrenzten Bandbreite des aktuellen Vorverstärker1Millisekunde Zeitskala beschränkt ist. Es ist seit langem ein Ziel, STM zeitlichen Auflösung auf die Waage zu verlängern auf die atomare Prozesse häufig auftreten. Die Pionierarbeit zeitaufgelösten scanning tunneling Microscopy (TR-STM) von Freeman et. al. 1 verwendete Unterätzung Schalter und Mikrostreifen-Übertragungsleitungen gemustert auf die Probe, Pikosekunde Spannungsimpulse bis zur Kreuzung Tunnel übertragen. Diese Kreuzung mischen Technik verwendet wurde, um gleichzeitige Auflösung von 1 nm und 20 Ps2zu erreichen, aber es wurde nie weit angenommen aufgrund der Voraussetzung für die Verwendung von spezialisierten Probe Strukturen. Glücklicherweise kann die grundlegenden Erkenntnisse aus diesen Werken zu vielen zeitaufgelösten Techniken verallgemeinert werden; Obwohl die Bandbreite der STM-Schaltung auf mehreren Kilohertz beschränkt ist, ermöglicht die nichtlinearen I(V) Reaktion in STM schneller Dynamik, sondiert werden, durch die Messung der durchschnittlichen Tunnelstrom über viele Zyklen Pumpe-Sonde erreicht. In den vergangenen Jahren viele Ansätze erforscht, die beliebtesten davon sind kurz unten überprüft.

Geschüttelt-Puls-paar-angeregten (SPPX) STM nutzt die Zuführungen in ultraschnellen gepulste Lasertechnologien, Sub-Pikosekunden Auflösung direkt beleuchtet die Tunnel Junction und spannende Träger in der Probe3zu erreichen. Einfallenden Laserlicht schafft freie Trägern, die Wärmeleitung vorübergehend zu erhöhen, und Modulation der Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde (td) ermöglicht dich/dtd mit einem Lock-in-Verstärker gemessen werden. Weil die Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde anstatt der Laserintensität, wie in vielen anderen optischen Ansätzen moduliert ist vermeidet SPPX STM Foto Beleuchtung-induzierte thermische Ausdehnung der Tipp3. Neuere Erweiterungen dieses Ansatzes sind die Fristen verlängert über die SPPX-STM verwendet werden, um die Dynamik zu untersuchen, durch die Verwendung von Puls-Picking-Techniken zur Erhöhung der Reichweite der Pumpe-Sonde Verzögerung Mal4. Wichtig ist, bietet diese neue Entwicklung auch die Möglichkeit, ich(td) Kurven direkt statt über numerische Integration zu messen. Aktuelle Anwendungen von SPPX STM haben das Studium der Träger Rekombination in Single-aufgenommen (Mn, Fe)/GaAs(110) Strukturen5 und Spender Dynamik in GaAs-6. Anwendungen des SPPX-STM stehen einige Einschränkungen. Das Signal, das SPPX-STM misst hängt von freien Trägern aufgeregt durch die optischen Impulsen und eignet sich am besten für Halbleiter. Obwohl der Tunnelstrom bis zur Spitze lokalisiert ist, weil eine große Fläche durch die optischen Impulsen angeregt wird, ist das Signal zusätzlich eine Faltung der lokalen Eigenschaften und Materialtransport. Zu guter Letzt ist die Vorspannung an der Kreuzung an der Messung Zeitskala fixiert, so dass die Dynamik unter Studie photoinduzierte sein muss.

Eine neuere optische Technik, Terahertz (THz-STM), STM Paare Freiraum-THz Impulse konzentrierte sich auf der Kreuzung an der Spitze der STM. Im Gegensatz zu SPPX-STM, die gekoppelte Impulse Verhalten sich wie schnell Spannungsimpulse ermöglicht die Untersuchung der elektronisch gesteuerte Erregungen mit Sub-Pikosekunden Auflösung7. Interessant ist, generiert der gleichgerichtete Strom aus der THz-Pulses Ergebnisse in extremen Höhepunkt Stromdichten nicht zugänglich durch konventionelle STM8,9. Die Technik wurde vor kurzem zu studieren heiße Elektronen in Si(111)-(7x7)9 und Bild die Schwingung eines einzigen Pentacene Molekül10eingesetzt. THz-Pulse natürlich paar an der Spitze, die Notwendigkeit, eine THz-Quelle zu einem STM-Experiment zu integrieren dürfte jedoch schwierig, viele Experimentatoren. Dies motiviert die Entwicklung anderer überall anwendbar und leicht umsetzbare Techniken.

Im Jahr 2010 Loth Et Al. 11 entwickelt eine elektronische Technik wo Nanosekunde Spannungsimpulse elektronisch auf einem DC-Offset aufgetragen Pumpen und Sonde System11. Die Einführung dieser Technik angeboten eine kritische Demonstration eindeutig und praktische Anwendungen von zeitaufgelösten STM, bisher unbeobachteten Physik zu messen. Obwohl es nicht so schnell wie Kreuzung mischen STM, die ihr vorausging ist, ermöglicht die Anwendung Mikrowelle Impulse auf die STM Spitze willkürliche Proben untersucht werden. Diese Technik erfordert keine komplizierte optische Methoden oder optischen Zugang bis zur Kreuzung STM. Dies erleichtert die einfachste Technik, Niedertemperatur STMs anzupassen. Die erste Demonstration dieser Techniken wurde zur Erforschung der Spindynamik angewendet, wo eine Spin-polarisierten STM verwendet wurde, um die Entspannung Dynamik der Spinzustände aufgeregt von der Pumpe Impulse11messen. Bis vor kurzem seine Anwendung blieb beschränkt auf magnetische Adatom Systeme12,13,14 , hat aber seit dem Studium der Träger Aufnahmerate von einer diskreten Mid Lücke erweitert15 staatliche und Dynamik berechnen der einzelnen Arsen Dotierstoffe in Silizium15,16. Die letztere Studie liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit.

Studien über die Eigenschaften der einzelnen Dotierstoffe Halbleiter haben vor kurzem erhebliche Aufmerksamkeit erregt, weil komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) betreten jetzt das Regime wo einzelne Dotierstoffe Geräteeigenschaften17 Einfluss auf . Darüber hinaus haben mehrere Studien gezeigt, dass einzelne Dotierstoffe die grundlegende Komponente der zukünftige Geräte, zum Beispiel als Qubits für Quantum Computation18 und Quantum Speicher19sowie als einzelnes Atom Transistoren20 dienen kann , 15. Zukunft Geräte können auch andere atomarer Skala Mängel, wie z. B. das Silizium dangling Bond (DB) die mit atomarer Präzision mit STM Lithographie21angeordnet werden kann enthalten. Zu diesem Zweck DBs als kostenlos Qubits22, Quantenpunkte für Quantum zelluläre Automaten Architekturen23,24, atomare Drähte25,26 vorgeschlagen worden und haben erstellen gemustert worden Quantum Hamiltonian Logik Tore27 und künstliche Moleküle28,29. Nach vorne verschieben, können Geräte einzelne Dotierstoffe und DBs zu integrieren. Dies ist eine attraktive Strategie, denn DBs Oberflächenfehler, die problemlos mit STM gekennzeichnet und als Griff verwendet werden, um einzelne Dotierstoff Geräte zu charakterisieren. Als ein Beispiel für diese Strategie DBs in diesem Werk kostenlos Sensoren dienen als die Ladestation Dynamik der oberflächennahen Dotierstoffe abzuleiten. Diese Dynamik werden mit dem Einsatz eines All-elektronischen Ansatzes für TR-STM erfasst, die von den von Loth Et Al. entwickelten Techniken angepasst ist 11

Messungen werden auf ausgewählten DBs auf einer Wasserstoff beendet Si(100)-(2x1) Oberfläche ausgeführt. Ein Dotierstoff Raumladungszone Verlängerung ca. 60 nm unter der Oberfläche erstellt durch thermische Behandlung der Kristall30entkoppelt die DB und die paar restlichen oberflächennahe Dotierstoffe von Bulk-Bands. STM Studien des DBs haben festgestellt, dass ihre Leitfähigkeit Gesamtprobe Parameter, wie die Konzentration der Dotierstoffe und der Temperatur abhängig, aber einzelne DBs auch starke Schwankungen je nach ihrer Umgebung16 zeigen. Während eine STM-Messung über einen einzigen DB, unterliegt der Stromfluss die Rate, mit der Elektronen von der Masse der DB (ΓMasse) und von der DB bis zur Spitze (ΓSpitze Tunneln können) (Abbildung 1). Da die Wärmeleitung der DB auf seine Umgebung reagiert, beeinflusst der Ladezustand des nahe gelegenen Dotierstoffe aber ΓMasse (Abbildung 1 b), die durch die Überwachung der DB Leitwert abgeleitet werden kann. Infolgedessen der Leitwert eines DB kann verwendet werden, um die Ladungszustände des nahe gelegenen Dotierstoffe zu spüren und kann verwendet werden, um festzustellen, liegen die Preise bei der die Dotierstoffe sind Elektronen von der Masse (ΓLH) und verlieren sie bis zur Spitze der STM (ΓHL < / c13 >). Um diese Dynamik zu beheben, wird TR-STS durchgeführt, um die Schwelle Spannungen (VThr) an der Spitze Ionisierung der oberflächennahen Dotierstoffe induziert. Die Rolle der Pumpe und Sonde Impulse ist in die drei zeitaufgelösten experimentelle hier vorgestellten Techniken gleich. Die Pumpe bringt vorübergehend die Bias Ebene von unten oben VThr, dem Dotierstoff Ionisation induziert. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit der DB, die durch die Prob-Puls abgetastet wird, die auf eine geringere Tendenz folgt.

In diesem Artikel beschriebenen Techniken profitieren diejenigen, die Dynamik auf die Millisekunde genau zu Nanosekunden Zeitskala mit STM auftretenden charakterisieren. Obwohl diese Techniken nicht auf Untersuchung kostenlos Dynamik begrenzt sind, ist es entscheidend, dass die Dynamik über vorübergehende Änderungen in den Leitwert von Staaten manifestiert sind, die von STM (d. h. Staaten auf oder nahe der Oberfläche) sondiert werden kann. Wenn der Leitwert der Übergangszuständen nicht deutlich von den Gleichgewichtszustand unterscheidet so, dass der Unterschied zwischen der Transienten und Gleichgewicht Strömungen multipliziert ist das Tastverhältnis Sonde Puls kleiner als das Hintergrundrauschen Systeme (in der Regel 1 pA), das Signal wird in den Lärm verloren und werden nicht von dieser Technik erkannt. Da die experimentelle Änderungen der im Handel erhältlichen STM-Anlagen erforderlich, um die in diesem Artikel beschriebenen Techniken auszuführen bescheiden sind, ist davon auszugehen, dass diese Techniken der Community allgemein zugänglich sein werden.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. die Ersteinrichtung des Mikroskops und Experimente

  1. Beginnen Sie mit einem ultrahigh Vakuum-Kryo-fähigen STM und die damit verbundenen Steuerungssoftware. Die STM zu kryogenen Temperaturen abkühlen.
    Hinweis: In diesem Bericht Ultrahochvakuum bezeichnet Systeme, die zu erreichen < 10 x 10-10 Torr. Die STM sollte zur kryogenen Temperaturen abgekühlt werden; Dies ist besonders wichtig, wenn die Ladung Dynamik der Dotierstoffe, untersucht die bei geringen Temperaturen thermisch aktiviert werden. Andere Kammern können bei Raumtemperatur sein.
  2. Sicherstellen Sie, dass die STM-Spitze mit Hochfrequenz-Verkabelung (~ 500 MHz) ausgestattet ist.
    Hinweis: Mithilfe von Puls Gestaltung Methoden wurde eine große Zunahme des Zeitverhaltens von STM mit kryogenen Standardtemperatur koaxiale Verkabelung (~ 20 MHz) durch Grosse Et Al. berichtet 31
  3. Schließen Sie eine beliebige Funktionsgenerator mit mindestens zwei Kanälen an der Spitze (Abbildung 2), die verwendet wird, um die Zyklen der Spannung Puls Paare verwendet für Pumpe-Sonde Experimente vorzubereiten.
  4. Konfigurieren Sie die willkürliche Funktionsgenerator so, dass die Pumpe und Sonde Spannungsimpulse unabhängig erzeugt und fasste vor gefüttert in der Spitze.
  5. Gelten Sie die DC-Bias-Spannung für Bildgebung und konventionellen Spektroskopie zur Probe (VDC) verwendet.
  6. Schließen Sie zwei Hochfrequenz-Schalter an der willkürlichen Funktionsgenerator Ausgabekanäle.
  7. Konfigurieren Sie die Schalter, so dass die Spitze bei STM Bildgebung und konventionellen Spektroskopie geerdet werden wird, und die effektive Vorspannung VDC + VSpitze während der Pumpe-Sonde Experimente (Abb. 4A).
  8. Sammeln der Tunnelstrom für alle Messungen durch einen Vorverstärker verbunden zur Probe.

2. Vorbereitung der H-Si(100)-(2x1) Rekonstruktion

  1. Cleave eine Probe aus einem 3-4 mΩ·cm n-Typ Arsen dotiert Si(100) Wafer durch Kratzen der Rückseite des Wafers mit einer Silizium-Karbid Scriber und die Probe aus dem Wafer mit Glas-Objektträger vorsichtig einrasten.
  2. Befestigen Sie die Probe auf eine STM-Probenhalter und eine höchste Vakuumkammer angrenzend an die STM-Kammer vorzustellen.
  3. Entgasen Sie die Probe, indem ohmisch erhitzen bis 600 ° C (ein Pyrometer kann verwendet werden, um die Probentemperatur überwachen) und halten bei dieser Temperatur für mindestens 6 h im Ultrahochvakuum.
    Hinweis: Der Druck steigt zunächst, wie die Probe und Probenhalter entgasen, sondern sollte in der Nähe der Basisdruck stabilisieren (< 10-10 Torr) nach mehreren Stunden.
  4. Lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen, bevor Sie fortfahren.
  5. Entgasen Sie ein Wolfram-Glühfaden im gleichen Raum wie die Probe durch ohmisch das Filament bis 1800 ° C erhitzen und warten auf das System wiederherstellen, Basisdruck. Schalten Sie das Filament, bevor Sie fortfahren.
    Hinweis: Die Probe kann in der Kammer während dieses Schrittes bleiben, weil es durch die native Oxidschicht auf der Oberfläche passiviert ist und jegliche Verunreinigung der Oberfläche der Probe von diesem Schritt verursacht werden anschließend entfernt. Das Filament Temperatur müssen kalibriert werden, um einen bestimmten Strom/Spannung auf das Filament mit einem Pyrometer angewendet.
  6. Entfernen Sie das Oxid aus der Probenoberfläche durch Blinken der Probe auf 900 ° C und halten es bei dieser Temperatur für 10 s vor Abkühlung auf Raumtemperatur. Der Druck wird mehrere Größenordnungen von der Basisdruck während des blinkenden Verfahrens erhöhen. Warten Sie nach jeder von den Blitzen während dieses Verfahrens gefunden auf die Probe abkühlen auf Raumtemperatur und das System wiederherstellen, Basisdruck bevor Sie fortfahren.
    Hinweis: Flashen versteht man in diesem Bericht als Heizung und Kühlung der Probe mit hohen Rampe Preise in der Größenordnung von 100 ° C/s.
  7. Flash-nach und nach der Probe zu höheren Temperaturen beim Versuch, einen endgültigen Blitz von 1250 ° c erreichen Brechen Sie jeder Blitz ab, wo steigt der Druck über 9 x 10-10 Torr zu verhindern, dass die Oberfläche der Probe verunreinigt immer. Notieren Sie die Spannung/Strom zur Erreichung der 1250 ° C flash (das Licht durch die beheizte Glühdraht in Schritt 2.6 gegeben wird verhindert, dass ein Pyrometer geben eine genaue Messung der Temperatur der Probe, und so sollte dieser Sollwert verwendet werden). Bestimmen Sie auf dem letzten Blitz die Spannung/Strom benötigt, um die Probe bis 330 ° C erhitzen, da der Kristall gekühlt wird, dann lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen, und lassen Sie das System wiederherstellen Basisdruck bevor Sie fortfahren.
  8. Austreten Sie H2 Gas in die Kammer mit einem Druck von 1 x 10-6 Torr und erhitzen Sie die Wolfram-Glühfaden bis 1800 ° C.
    Hinweis: Dies hat den Effekt der Rissbildung der H-2 bis Atmoic Wasserstoff32.
  9. Halten Sie die Probe unter diesen Bedingungen für 2 min vor dem Flashen der Probe bis 1250 ° C, , hielt sie bei dieser Temperatur für 5 s und abkühlen bis 330 ° C.
  10. Nach 1 min Belichtung bei 330 ° C gleichzeitig schließen Sie H2 Leck Ventil, deaktivieren Sie den Wolframheizfaden und lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen.
    Hinweis: Diese Flash-Temperaturen beeinflussen die Verteilung der Dotierstoffe in der Probe. Heizung bis 1250 ° C wurde festgestellt, eine Raumladungszone in der Nähe der Probe Oberfläche30~ 60 nm Dotierstoff induzieren.
  11. Überprüfen Sie die Sample-Qualität von STM Bilder der Oberfläche.
    Hinweis: Gute Beispiele müssen große (> 30 nm X 30 nm) Terrassen mit einer Fehlerrate von < 1 % (baumelt adsorbierten Molekülen, Adatoms, Anleihen, etc.) und die klassischen Si(100)-(2x1) Wiederaufbau32, verfügt über Dimer Zeilen zeigen quer antiparallel zueinander Stufenkanten (Abb. 3 b).

3. die Beurteilung der Qualität der Pumpe-Sonde Impulse an der Tunnel-Kreuzung

  1. Nähern Sie die STM-Tipp auf der Probenoberfläche durch die Einbindung der aktuellen Rückkopplungsregler mit einem aktuellen Sollwert von 50 pA und bei einer Probe-Neigung von -1,8 V.
    Hinweis: Unter diesen Bedingungen die Spitze wird voraussichtlich < 1 nm von der Probenoberfläche. Die STM-Tipp in dieser Arbeit verwendet wurde durch chemisch Ätzen polykristallinen Wolfram hergestellt. Es wurde geschärft, weiter mit einem Stickstoff Ätzen Verfahren, das in Rezeq Et Al. beschrieben ist 33.
  2. Suchen Sie einen Bereich auf der Oberfläche der Probe frei von großen Oberflächenfehler durch Einnahme von großflächigen Scans (z. B. 50 nm X 50 nm).
  3. Position der STM Umkippen eines H-Si auf der Oberfläche, die erscheinen als Dimer Zeilen in STM Bilder (Abb. 3 b).
  4. Schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler
  5. Set VDC -1,0 V, VPumpe -0,5 V, V-Sonde -0,5 V, die Breite der Pumpe und Sonde Impulse bis 200 ns und zugleich steigen/fallen der Impulse auf 2,5 ns (Abb. 4A).
  6. Eine Reihe von Zügen der Pumpe und Sonde Impulse zu senden, wo die relative Verzögerung der Pumpe und der Sonde von-900 gefegt ns bis 900 ns.
  7. Plot der Tunnelstrom als Funktion der Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde. Es wird wahrscheinlich zeigen starke klingelnde (Oszillationen in der Tunnelstrom in Abhängigkeit von der relativen Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde Pulsen, Abbildung 4 b).
    Hinweis: Python und Herkunft Software wurden verwendet, um Grundstück, analysieren und Auswerten der Daten für diese Handschrift.
  8. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 bis 3.5, aber erhöhen Sie die Zeiten steigen/fallen der Impulse zu. Das Klingeln wird zurückgehen, da die steigen/fallen Mal erhöht werden.
    Hinweis: Es ist gewünscht, zu beseitigen, klingeln, um die genauesten spektroskopische Ergebnisse liefern, jedoch die zeitliche Auflösung dieser Techniken beschränkt sich auf die Breite der Impulse verwendet. 25 ns Anstiegszeiten wurden für diese Arbeit verwendet.

(4) zeitaufgelöste Scanning Tunneling Spectroscopy (TR-STS)

  1. Position der STM Umkippen einer Silizium DB, die erscheinen als helle Vorsprünge an negativen Spitze-Probe-Vorurteile (Abb. 3 b).
  2. Schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler STM.
  3. Senden Sie ein Zug, bestehend aus nur die Prob-Puls mit einer Wiederholrate von 25 kHz. Über eine Reihe von Impulsfolgen, fegen die Vorspannung der prob-Puls über einen Bereich von 500 mV aus dem DC-Bias -1,8 V.
    Hinweis: Dieses einfache Experiment ist analog zu konventionellen STS wo der Leitwert über einen Bereich von Vorspannungen gesampelt wird.
    1. Die Dauer der Impulsfolgen (jeweils mit einem anderen Bias) so konfigurieren, dass die resultierenden Spektren ein Signal Rauschabstand haben > 10.
  4. Senden Sie ein Zug, bestehend aus Pumpe Impulse auf einer festen Vorspannung eingestellt (so dass VDC + VPumpe > VThr) mit einer Wiederholrate von 25 kHz. In diesen Experimenten soll die VDC VPumpeund VThr -1,8 V, 500 mV und -2,0 V, beziehungsweise.
    Hinweis: Pumpe Impulse können beliebig lange Laufzeiten haben (1 µs ist normalerweise ausreichend).
  5. Senden Sie ein Zug, bestehend aus der Pumpe Impulse mit der Sonde Impulse, gefolgt von einer Verzögerung von 10 ns. In diesen Experimenten, legen Sie die Amplitude der Pump-Puls als 500 mV und der Sonde Puls Austragung von 50 bis 500 mV.
    Hinweis: In diesem Experiment ist prob-Puls der Staat durch die Pump-Puls vorbereitet, anstatt der herkömmlichen STS in der Stichprobe Gleichgewichtszustand abtasten.
    1. Subtrahieren Sie das Signal erhält man, wenn nur die Pump-Puls angewendet wurde, wenn das Signal von diesem Schritt gesammelt anzeigen/auswerten.
  6. Vergleichen Sie die Sonde nur und die Pumpe + Sonde signalisiert durch Plotten sie in der gleichen Grafik. Hysterese in den beiden Signalen ist ein Hinweis auf Dynamik, die mit zeitaufgelösten STM Techniken geprüft werden können.
    Hinweis: Durch das Leistungsspektrum der prob-Puls fest zu halten und grob Scannen der DC kann Offset (in 0,25 V Schritten, zum Beispiel), man effizient die gesamte Energiespektrum der Probe, Dynamik der Technik zugänglich zu identifizieren zuordnen. Pulsdauern können je nach dem Experiment geändert werden. Die Breite des Pump-Puls muss länger als die Rate, an der der Dotierstoff ionisiert wird, so dass es konsequent den Dotierstoff ionisiert. Im Allgemeinen sollten Sonde Dauer der gleichen Reihenfolge wie die dynamischen Prozess unter Studie, so sein, daß das maximale Signal ohne Probenahme durchschnittlich zwei Leitwert Staaten gemessen werden kann. Wenn vorhanden sind auf der Suche nach Energien auf die Dynamik, empfiehlt es sich, dass die Dauer der Sonde minimiert werden, so dass nur ein Zustand des Systems gemessen wird, um die Hysterese zu verbessern. Sobald die Relaxationszeit konstanten gefunden werden, kann die Sonde Impulsdauer erhöht werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

(5) zeitaufgelöste STM-Messungen der Entspannung Dynamik

  1. Positionieren Sie die STM-Tipp über ein Silizium DB und schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler STM.
  2. Senden Sie ein Zug, bestehend aus Pumpe Impulse auf einer festen Vorspannung eingestellt (so dass VDC + VPumpe > VThr) mit einer Wiederholrate von 25 kHz. In diesen Experimenten soll die VDC VPumpeund VThr -1,8 V, 400 mV und -2,0 V, beziehungsweise.
    Hinweis: Pumpe Impulse können beliebig lange Laufzeiten haben (1 µs ist normalerweise ausreichend).
  3. Einen Zug der Pumpe und Sonde Impulse zu senden. Sicherzustellen, dass die Sonde Impulse eine Amplitude kleiner als die Pumpen und vergleichbar mit den Bereich bei der Hysterese auftritt (VSonde < VPumpe, VSonde + VDC≈ VHystersis).
  4. Fegen Sie die Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde Puls bis zu mehreren Dutzend µs.
  5. Subtrahieren Sie das Signal erhält man, wenn nur die Pump-Puls angewendet wurde. In diesen Experimenten soll die VDC, V-Pumpeund V-Sonde -1,8 V, 400 mV und 210 mV, beziehungsweise. Legen Sie die relative Verzögerung Sweep von-5 μs auf 35 µs.
    Hinweis: Wenn das Signal entnommen der vorherige Schritt ist gut angepasste (R2 > 0,80) von einer einzigen exponentiellen Zerfall Funktion, dann die Lebensdauer des Übergangszustands vorbereitet durch den Pump-Puls kann aus der Fit extrahiert werden.

(6) zeitaufgelöste STM-Messungen der Erregung Dynamik

  1. Senden Sie ein Zug, bestehend aus Pumpe Impulse auf einer festen Vorspannung eingestellt (so dass größer als VDC + VPumpe > VThr) mit einer Wiederholrate von 25 kHz. In diesen Experimenten soll VDC und VThr -1,8 V und -2,0 V, beziehungsweise. V-Pumpe zwischen 220 und 450 mV eingestellt.
  2. Fegen Sie die Pumpe Impulsdauer von mehreren Nanosekunden bis mehrere hundert Nanosekunden.
  3. Einen Zug der Pumpe und Sonde Impulse zu senden. Die Sonde Impulse sollten eine Amplitude kleiner als die Pumpen und vergleichbar mit den Bereich bei der Hysterese auftritt (VSonde < VPumpe, VSonde + VDC≈V Hystersis). In diesen Experimenten soll VSonde 210 mV.
  4. Subtrahieren Sie das Signal erhält man, wenn nur die Prob-Puls angewendet wurde.
    Hinweis: Wenn das Signal erhalten exponential ist, es zeigt, dass der Pump-Puls der Übergangszustand (ionisierte Dotierstoff) mit einer Rate bereitet, die die Passform entnommen werden kann (R2> 0,80). Das oben beschriebene Protokoll ist spezifisch für die Experimente und die hierin beschriebene Ausstattung. Es gibt viele mögliche Wege für die Leser ihre eigenen Versuchsaufbau für Studien anderer Systeme anpassen. Beispielsweise sind die allgemeinen Techniken nicht auf tiefkalt gekühlten STMs beschränkt; jede Spitze Material kann verwendet werden, und sie benötigen keine Stickstoff-Radierung. Darüber hinaus könnte ein entsprechend programmierte willkürliche Funktionsgenerator verwendet werden, um Doppel-Puls Wellenformen zu erzeugen, die die Notwendigkeit, zwei unabhängige Kanäle sum zunichte machen würde. Zu guter Letzt könnte niedriger Bandbreite Verkabelung verwendeten31.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In diesem Abschnitt des Textes dargestellten Ergebnisse wurden bisher veröffentlichten15,16. Abbildung 3 veranschaulicht das Verhalten eines ausgewählten Beispiels DB mit konventionellen STM. Eine konventionelle I(V)-Messung (Abb. 3A) zeigt deutlich eine drastischen Veränderung der Leitwert der DB am VThr = -2,0 V. Dieses Verhalten ist auch bei STM Auf...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Variante des TR-STS in der Pump-Puls nicht angewendet wird ist vergleichbar mit herkömmlichen STS, abgesehen davon, dass das System mit einer hohen Frequenz, anstatt ständig abgetastet wird. Wenn die Dauer der Sonde Impulse geeignet sind (>ΓLH), TR-STS signal erworben ohne die Pump-Puls mit einer konstanten proportional auf das Experiment Einschaltdauer genau mit einem konventionellen STS zusammen multipliziert werden kann Messung. Dies ist nur möglich, weil die Messungen ohne den Einsatz von Lock...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir möchten danken Martin Cloutier und Mark Salomons für ihr technisches Know-how. Wir danken auch NRC, NSERC und AITF für finanzielle Unterstützung.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Niedertemperatur-RastertunnelmikroskopScientaomicronSonderanfertigung mit 500 MHz Bandbreitenverdrahtung
Arbitaritätsfunktion GenoratorTektronixAFG3252C
HF-Leistungsteiler / CombinerMini-SchaltkreiseZFRSC-42-S +
HF-Schalter-MinischaltungenX80-DR230-S +
berührungslose Infrarot-PyrometerMikron InfrarotMI 140

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nunes, G., Freeman, M. R. Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), Science. New York, N.Y. 1029-1032 (1993).
  2. Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution. Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).
  3. Takeuchi, O., Morita, R., Yamashita, M., Shigekawa, H. Development of time-resolved scanning tunneling microscopy in femtosecond range. Jpn. J. Appl. Phys. 41 (7 B), 4994-4997 (2002).
  4. Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy. Nat. Photon. 4 (12), 869-874 (2010).
  5. Yoshida, S., Yokota, M., Takeuchi, O., Oigawa, H., Mera, Y., Shigekawa, H. Single-atomic-level probe of transient carrier dynamics by laser-combined scanning tunneling microscopy. Appl. Phys. Express. 6 (3), (2013).
  6. Kloth, P., Wenderoth, M. From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics. Science Ad. 3, (2017).
  7. Cocker, T. L., et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).
  8. Yoshioka, K., et al. Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz electric fields. Nat. Photon. 10 (12), 762-765 (2016).
  9. Jelic, V., et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).
  10. Cocker, T. L., Peller, D., Yu, P., Repp, J., Huber, R. Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging. Nature. 539 (7628), 263-267 (2016).
  11. Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution. Science. 329 (5999), 1628-1630 (2010).
  12. Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science. 335 (6065), (2012).
  13. Baumann, S., Paul, W., Choi, T., Lutz, C. P., Ardavan, A., Heinrich, A. J. Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface. Science. 350 (6259), 417-420 (2015).
  14. Yan, S., Choi, D. -J., Burgess, J. A. J., Rolf-Pissarczyk, S., Loth, S. Control of quantum magnets by atomic exchange bias. Nat. Nano. 10 (1), 40-45 (2014).
  15. Rashidi, M., et al. Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale. Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805(2016).
  16. Rashidi, M., et al. Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon. Nat. Comm. 7, 13258(2016).
  17. Koenraad, P. M., Flatté, M. E. Single dopants in semiconductors. Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).
  18. Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).
  19. Freer, S., et al. A single-atom quantum memory in silicon. Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).
  20. Fuechsle, M., et al. A single-atom transistor. Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).
  21. Lyding, J. W., Shen, T. -c, Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2×1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope. Appl. Phys. Lett. 64 (118), 2010-2012 (1994).
  22. Livadaru, L., et al. Dangling-bond charge qubit on a silicon surface. New J. Phys. 12 (8), 83018(2010).
  23. Haider, M. B., Pitters, J. L., DiLabio, G. A., Livadaru, L., Mutus, J. Y., Wolkow, R. A. Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature. Phys. Rev. Lett. 102 (4), 46805(2009).
  24. Taucer, M., et al. Single-Electron Dynamics of an Atomic Silicon Quantum Dot on the H - Si (100)-(2x1) Surface. Phys. Rev. Lett. 112 (25), 256801(2014).
  25. Engelund, M., Papior, N., Brandimarte, P., Frederiksen, T., Garcia-Lekue, A., Sánchez-Portal, D. Search for a Metallic Dangling-Bond Wire on n -Doped H-Passivated Semiconductor Surfaces. J. Phys. Chem. C. 120 (36), 20303-20309 (2016).
  26. Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires. Nano Lett. 17, 322-327 (2017).
  27. Kolmer, M., Zuzak, R., Dridi, G., Godlewski, S., Joachim, C., Szymonski, M. Realization of a quantum Hamiltonian Boolean logic gate on the Si(001):H surface. Nanoscale. 7, 12325-12330 (2015).
  28. Schofield, S. R., et al. Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds. Nat. Comm. 4, 1649(2013).
  29. Wood, J. A., Rashidi, M., Koleini, M., Pitters, J. L., Wolkow, R. A. Multiple Silicon Atom Artificial Molecules. https://arxiv.org/abs/1607.06050. , (2016).
  30. Pitters, J. L., Piva, P. G., Wolkow, R. A. Dopant depletion in the near surface region of thermally prepared silicon (100) in UHV. J. Vac. Sci. Technol. 30 (2), 21806(2012).
  31. Grosse, C., Etzkorn, M., Kuhnke, K., Loth, S., Kern, K. Quantitative mapping of fast voltage pulses in tunnel junctions by plasmonic luminescence. Appl. Phys. Lett. 103 (18), (2013).
  32. Boland, J. J. Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces. Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).
  33. Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen. J. Chem. Phys. 124, 204716(2006).
  34. Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution. Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

Zeitaufgel stes STMDynamik einzelner DotierstoffeNanosekundenaufl sungPump Probe SpektroskopieSilizium Dangling BondsTunnelstrommessungDynamik auf atomarer EbeneUnterdr ckung des elektronischen Ringing

Verwandte Artikel