Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, das Laden und Entladen einzelner Elektronen in nanoskaligen leitenden Systemen, die sich unter nichtleitenden Oberflächen befinden, zu beobachten und räumlich aufzulösen. Dies wird erreicht, indem die Probe auf ein kryogenes Rastersondenmikroskop geladen wird, um niedrige Temperaturen und einen geringen Geräuschpegel zu erreichen und das Verhalten einzelner Elektronen zu beobachten. Verwenden Sie das Mikroskop in einem zweiten Schritt im Rastertunnelmikroskopie-Modus, um die Spitze etwa einen Nanometer von der oberen Oberfläche der Probe entfernt zu bringen, wodurch die Spitze an einer geeigneten Stelle für die Durchführung der Kapazitätsmessungen positioniert wird.

Verwenden Sie als Nächstes das Mikroskop im Kapazitätsmodus unter Verwendung der extrem empfindlichen Ladungsdetektionsschaltung, um die Bildladung zu erfassen, die durch die Elektronenbewegung am unterirdischen System an der Spitze induziert wird. Dies ermöglicht die Bestimmung der elektronischen Struktur des unterirdischen Quantensystems. Es werden Ergebnisse erzielt, die zeigen, wie einzelne Elektronen auf und von nanoskaligen Untergrundsystemen tunneln.

Spitzen und Kapazitäts-Spannungs-Kurven markieren die Additionsenergien von Elektronen. Im Quantensystem werden Halbleiterbauelemente immer kleiner. Das kleinstmögliche Gerät ist ein einzelnes Do in Atom oder ein Unreinheitsatom.

Viele vorgeschlagene Geräte beinhalten eine kleine Anzahl von interagierenden Punkten. Unsere Methode kann die grundlegende elektronische Struktur dieser winzigen Systeme auflösen. Diese Methode kann Einblicke in die elektronische Struktur des Untergrunds, der Dozenten und halbleitenden Proben in ihrem Herzen geben.

Hierbei handelt es sich um eine Kapazitätsmethode, die auf eine Vielzahl von lokalen Messungen bei niedrigen Temperaturen erweitert werden kann, wie z. B. dielektrische Oberflächeneigenschaften und Arbeitsfunktionsabbildung. Diese Experimente werden an einem kryogenfähigen Rastersondenmikroskop mit der dazugehörigen Elektronik durchgeführt. Stellen Sie sicher, dass zusätzlich zu den Koaxialdrähten für Vorspannung, Spannung und Tunnelstrom mindestens zwei zusätzliche Koaxialdrähte und ein Erdungskabel vom Elektronik-Rack bis zum Spitzenbereich des Mikroskops reichen.

Diese werden verwendet, um Signale für den kryogenen Verstärker zu übertragen. Beginnen Sie als Nächstes mit der Montage der kryogenen Verstärkerschaltung auf Basis des Transistorhanfs mit hoher Elektronenmobilität. Verwenden Sie einen Ritzer, um einen etwa einen Zentimeter mal einen Zentimeter großen Chip von einem Galliumarsenid-Wafer zu spalten.

Bilden Sie dann durch Abscheidung mehrere Goldpads von etwa einem Millimeter mal einem Millimeter auf der Oberfläche. Bereite nun hier eine scharfe Spitze aus einem edlen Metalldraht vor. Seitenschneider werden verwendet, um einen 80 20 Platin-Iridiumdraht mit kryogenverträglichem Epoxidharz zu schneiden.

Befestige einen Golddraht an jedem der Goldpads auf dem Galliumarsonit-Chip. Auf diesem Chip wurden zusätzliche Drähte hinzugefügt. Sie können leicht entfernt werden, wenn sie zu diesem Zeitpunkt nicht benötigt werden, treffen Sie Vorsichtsmaßnahmen, um die Einführung von Streuladungen zu vermeiden.

Bei der Arbeit mit dem Hanf-Epoxidharz werden der Vorspannungswiderstand, die Spitze und der Hanf auf den Galliumarsenid-Schmelzchip aufgebracht. Sobald das Epoxidharz richtig ausgehärtet ist, verwenden Sie einen mit Golddraht beladenen Drahtbonder, um die Quell-, Drain- und Gate-Elemente des Hanfs zu verbinden, um die Goldpads der Chipbindung zu trennen. Temporäre Drähte, die den Schieber mit den Quellen- oder Ablasspads verbinden, um sicherzustellen, dass sich der Schieber in Bezug auf den Ablasskanal der Quelle nicht auflädt.

Um den Montagechip am Mikroskop zu befestigen, erden Sie zunächst die Koaxialdrähte am Mikroskop, an die die Drähte des Chips gelötet werden. Befestigen Sie dann den Montagechip auf dem Scan-Pizzo-Rohr. Verwenden Sie Indiumlötmittel, um die Golddrähte auf dem Chip mit den entsprechenden Koaxialdrähten zu verbinden.

Nach dem Test wird die Unversehrtheit des Hanfs auf die Probe übertragen. Dieses Sample ist auf Baka-Rampen montiert, die es ihm ermöglichen, als Reaktion auf Spannungen, die an die tragenden Piezoröhren angelegt werden, ein- und auszusteigen. Bewegen Sie die Probe mit dem Mikroskop und dem STM-Modus in den Bereich, um sicherzustellen, dass sich Probe und Spitze erfolgreich aneinander annähern können.

Bringen Sie die Probe nach erfolgreichem Test weit außerhalb der Reichweite, um die Spitze während der Handhabung des Mikroskops zu schützen. Um sich auf den Betrieb bei niedrigeren Temperaturen vorzubereiten, übertragen Sie das Mikroskop vom Labortisch in den Kryostaten. Der Kryostat sollte in der Lage sein, die gewünschte Basistemperatur des Mikroskops von 4,2 Kelvin oder darunter zu erreichen.

Nachdem Sie das Mikroskop auf ein Vakuum von einigen Mikrotouren gepumpt haben, senken Sie ein oder zwei Zentimeter des Mikroskops in den Kryostaten und warten Sie, bis sich die Temperatur ausgeglichen hat. Dies kann bis zu zehn Minuten dauern. Wiederholen Sie das Absenken jeweils um ein oder zwei Zentimeter, bis das Mikroskop an Ort und Stelle ist.

Der vollständige Immersionsprozess kann fast einen Tag dauern. Anschließend sollte das Mikroskop thermisch ausgeglichen werden. Isolieren Sie abschließend die Kryostat- und Mikroskopbaugruppe von Vibrationen.

In diesem Experiment wird ein Bungee-Seil-Aufhängungssystem verwendet, das am Kryostaten befestigt ist. Verwenden Sie das Aufhängungssystem, um die Baugruppe einige Zentimeter über dem Boden anzuheben und auf dieser Höhe zu halten. Überwachen Sie die Höhe, um zu wissen, ob der Kryostat sinkt und mit der Reanimation unterbrochen werden muss.

Starten Sie nach der Durchführung von STM-Scans Messungen im Kapazitätsmodus, indem Sie die Rückkopplungsschleife im STM-Controller deaktivieren, während die Spitze zurückgezogen ist. Einige Dutzend Nanometer von ihrer STM-Position entfernt versetzt die seitliche Position der Spitze zu einem Bereich der Probe, der kürzlich nicht gescannt wurde. Um die Verdrahtungskonfiguration in den Kapazitätsmodus zu versetzen, schützen Sie zunächst die Hemps, indem Sie alle Koaxialkabel erden.

Durch den Abschluss der Drähte mit T-Steckern können die Drähte geerdet bleiben, während andere Verbindungen hergestellt werden. Verbinden Sie als Nächstes die Koaxialdrähte mit den relevanten Spannungsquellen und Widerständen, der Locke und dem Verstärker sowie dem Funktionsgenerator. Stellen Sie alle Spannungsquellen auf Null und schalten Sie sie ein.

Lösen Sie die Koaxialkabel von der Erdung und achten Sie darauf, dass das Gate-Kabel nicht geerdet wird. Um den Hanf zu schützen, erhöhen Sie zuletzt die Spannungsquellen auf die gewünschten Werte. Stellen Sie den Hanf ein und sperren Sie einen Verstärker für eine optimale Leistung.

Warten Sie dann, bis sich der Hanf stabilisiert hat. An dieser Stelle ist es möglich, Scanning, Ladungsakkumulationsbildgebung und Kapazitätsspannungsspektroskopie durchzuführen. Dies ist ein Beispiel für ein Bild der Ladungsakkumulation.

Die Probe wurde mit Silikon dotiert, mit Borakzeptoren mit einer Luftdichte von 1,7 mal 10 bis 15 pro Quadratmeter, in einer Delta-Dope-Schicht 15 Nanometer unter der Oberfläche bei 4,2 Kelvin. Wie die Skala anzeigt, deuten hellere Farben auf eine erhöhte Ladeleistung hin. Die hellen Flecken werden so interpretiert, dass sie die Position einzelner Boratome unter der Oberfläche markieren.

Der blaue Punkt zeigt einen bestimmten hellen Punkt an, an dem die Punkt-C-V-Spektroskopie durchgeführt wurde. Der größte Peak in den C-V-Daten wird als Ladung interpretiert, die direkt unterhalb der Spitze in das Doin eintritt. Ihre Zentren sind in Amplituden verschoben, die im Vergleich zum Hauptpeak verringert werden.

Aufgrund des vergrößerten Abstands der DO-Pins. Die Spitzen werden entlang der Spannungsachse um Effekte verbreitert, die in dem entwickelten Modell berücksichtigt werden, was sich aus der Übereinstimmung der Modellkurve mit den Daten ergibt. Die hier gezeigten C-V-Spektroskopiedaten beziehen sich auf Galliumarsenid-Delta-Dope mit einer Schicht aus Silikondonoren mit einer Luftdichte, 1,25 mal 10 bis 16 pro Quadratmeter, die sich 60 Nanometer unter der Oberfläche bei 300 Millikelvin befindet.

Es zeigt auch eine Reihe von Ladungsspitzen, von denen die meisten mit Gruppen von vielen Elektronen übereinstimmen, die in die Öffnungen eintreten und diese verlassen. Ein einzelner Elektronenpeak ist mit dem roten Pfeil gekennzeichnet. Die Daten auf der rechten Seite stammen aus wiederholten Messungen des Peaks, der durch den roten Pfeil im Diagramm links angezeigt wird. Wenn die Daten gemittelt werden, wird eine Anpassung vorgenommen und hier in Grün dargestellt.

Diese Anpassungskurve stimmt mit der erwarteten Form für einen einzelnen Elektronenpeak unter den experimentellen Bedingungen überein. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis für die praktischen Aspekte der Durchführung von Messungen der Rasterkapazität von Einzelelektronen haben, während Sie dieses Verfahren ausprobieren. Es ist wichtig, daran zu denken, den empfindlichen Hanf nicht zu zerstören, indem Sie Vorsichtsmaßnahmen ergreifen, um statische Aufladung zwischen dem Tor und dem Abflusskanal der Quelle zu verhindern.