Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, das Aufladen und Entladen einzelner Elektronen in nanoskaligen leitfähigen Systemen unterhalb nichtleitender Oberflächen räumlich aufzulösen und zu beobachten. Dazu wird die Probe in ein kryogenes Raster-Sonden-Mikroskop eingebracht, um niedrige Temperaturen und geringe Rauschpegel zu erreichen, wodurch die Beobachtung des Verhaltens einzelner Elektronen ermöglicht wird. Im zweiten Schritt wird das Mikroskop im Rastertunnelmikroskopie-Modus betrieben, um die Spitze auf etwa einen Nanometer an die Oberfläche der Probe heranzuführen, wodurch die Spitze an einer geeigneten Position für die Durchführung von Kapazitätsmessungen platziert ist.

Als Nächstes verwenden Sie das Mikroskop im Kapazitätsmodus unter Nutzung der äußerst empfindlichen Ladungsdetektions-Elektronik, um die Bildladung zu detektieren, die durch die Elektronenbewegung im unterhalb liegenden System auf der Spitze induziert wird. Dies ermöglicht die Bestimmung der elektronischen Struktur des subsurface-Quantensystems. Es werden Ergebnisse erzielt, die einzelne Elektronen zeigen, die auf nanoskalige subsurface-Systeme tunneln und von ihnen abtunneln.

Peaks und Kapazitäts-Spannungs-Kurven kennzeichnen die Additionsenergien von Elektronen. In dem Quantensystem werden Halbleiterbauelemente immer kleiner. Das kleinste mögliche Bauelement ist ein einzelnes Donoratom oder ein Verunreinigungsatom.

Viele vorgeschlagene Vorrichtungen beinhalten kleine Anzahlen wechselwirkender Punkte. Unsere Methode kann die grundlegende elektronische Struktur dieser winzigen Systeme auflösen. Diese Methode kann Einblicke in die elektronische Struktur von unterirdischen, dotierten und halbleitenden Proben im Kernbereich liefern.

Dies ist eine Kapazitätsmethode, die auf eine Vielzahl niederer lokaler Temperaturen ausgedehnt werden kann, beispielsweise zur Untersuchung von Oberflächendielektrizitätseigenschaften und zur Arbeitfunktionskartierung. Diese Experimente werden an einem kryogenfähigen Rastersondenmikroskop mit der dazugehörigen Elektronik durchgeführt. Stellen Sie zusätzlich zu den Koaxialkabeln für Vorspannung, Spannung und Tunnelstrom sicher, dass mindestens zwei zusätzliche Koaxialkabel und ein Erdungskabel vom Elektronikgestell bis zum Sondenbereich des Mikroskops reichen.

Diese werden verwendet, um Signale für den kryogenen Verstärker zu übertragen. Beginnen Sie anschließend mit dem Aufbau der Schaltung des kryogenen Verstärkers auf Basis des Hochmobilitäts-Elektronentransistors (HEMT). Verwenden Sie einen Glasschneider, um einen etwa einen Zentimeter mal einen Zentimeter großen Chip aus einer Galliumarsenid-Wafer zu trennen.

Verwenden Sie anschließend die Abscheidung, um mehrere Goldkontakte von etwa einem Millimeter mal einem Millimeter auf der Oberfläche zu erzeugen. Bereiten Sie nun hier eine scharfe Spitze aus einem Edelmetall-Draht vor. Zum Abschneiden eines 80-20-Platin-Iridium-Drahts mit kryogenkompatiblem Epoxidharz werden Seitenschneider verwendet.

Befestigen Sie einen Golddraht an jedem der Goldkontakte auf dem Galliumarsenit-Chip. Auf diesem Chip wurden zusätzliche Drähte hinzugefügt. Diese können problemlos entfernt werden, wenn sie zu diesem Zeitpunkt nicht benötigt werden. Gehen Sie vorsichtig vor, um die Einführung unerwünschter Ladungen zu vermeiden.

Beim Arbeiten mit dem Hanf-Epoxidharz den Vorwiderstand, die Spitze und den Hanf auf den Galliumarsenid-Schmelzchip aufbringen. Sobald das Epoxidharz vollständig ausgehärtet ist, einen Drahtbondierer mit Golddraht verwenden, um die Source-, Drain- und Gate-Elemente des Hanfs mit separaten Goldelektroden des Chipbonds zu verbinden. Temporäre Drähte verbinden das Gate sowie die Source- oder Drain-Pads, um sicherzustellen, dass das Gate gegenüber dem Source-Drain-Kanal nicht aufgeladen wird.

Um den Montagechip am Mikroskop zu befestigen, erden Sie zunächst die koaxialen Drähte am Mikroskop, an denen die Drähte des Chips angelötet werden. Befestigen Sie dann den Montagechip auf der Oberseite der Scanning-Piezo-Röhre. Verwenden Sie Indiumlot, um die goldenen Drähte auf dem Chip mit den entsprechenden koaxialen Drähten zu verbinden.

Nach der Prüfung stellt die Integrität der Hanfhalterung die Probe sicher. Diese Probe wird auf Baka-art Rampen montiert, die es ermöglichen, dass sie entsprechend angelegten Spannungen an den tragenden Piezoröhren ein- und auszufahren. Im Mikroskop- und STM-Modus bewegen Sie die Probe in den Bereich, um sicherzustellen, dass Probe und Spitze sich erfolgreich annähern können.

Nach einem erfolgreichen Test führen Sie die Probe weit außer Reichweite, um die Spitze während der Handhabung des Mikroskops zu schützen. Um die Betriebsbedingungen bei niedrigeren Temperaturen vorzubereiten, bringen Sie das Mikroskop von der Laborbank in das Kryostat. Das Kryostat sollte in der Lage sein, die gewünschte Basistemperatur des Mikroskops von 4,2 Kelvin oder darunter zu erreichen.

Nachdem das Mikroskop auf ein Vakuum von einigen Mikrotorr gepumpt wurde, senken Sie das Mikroskop um ein bis zwei Zoll in den Kryostaten ab und warten Sie, bis sich die Temperatur ausgeglichen hat. Dies kann bis zu mehreren zehn Minuten dauern. Wiederholen Sie das schrittweise Absenken um jeweils ein bis zwei Zoll, bis das Mikroskop in der richtigen Position ist.

Der vollständige Einbettungsprozess kann fast einen Tag dauern. Anschließend sollte das Mikroskop zur thermischen Gleichgewichtseinstellung stehen gelassen werden. Schließlich isolieren Sie die Kryostat- und Mikroskopanordnung von Vibrationen.

Ein Bungeeseil-Suspensionssystem, das am Kryostaten befestigt ist, wird in diesem Experiment verwendet. Heben Sie mithilfe des Suspensionssystems die Apparatur einige Zoll vom Boden ab und halten Sie sie auf dieser Höhe. Überwachen Sie die Höhe, um festzustellen, ob der Kryostat absinkt und erneut aufgehängt werden muss.

Nach Durchführung der STM-Scans beginnen Sie die Kapazitätsmessungen, indem Sie die Rückkopplungsschleife im STM-Controller deaktivieren, während die Spitze zurückgefahren ist. Positionieren Sie die Spitze einige zehn Nanometer seitlich versetzt von ihrer STM-Position in einen Bereich der Probe, der nicht kürzlich gescannt wurde. Um die Verdrahtungskonfiguration auf den Kapazitätsmodus umzuschalten, schützen Sie zunächst die Hemps, indem Sie alle Koaxialkabel erden.

Das Beenden der Drähte mit T-Steckern ermöglicht es, dass die Drähte geerdet bleiben, während andere Verbindungen hergestellt werden. Anschließend verbinden Sie die Koaxialkabel mit den entsprechenden Spannungsquellen und Widerständen, dem Lock-In-Verstärker und dem Funktionsgenerator. Stellen Sie alle Spannungsquellen auf null ein und schalten Sie sie ein.

Enterden Sie die koaxialen Kabel, wobei Sie vorsichtig das Gate-Kabel enterden. Zuletzt, um den Hanf zu schützen, erhöhen Sie die Spannungsquellen auf die gewünschten Werte. Stimmen Sie den Hanf ab und schalten Sie einen Verstärker für optimale Leistung ein.

Danach warten, bis das Hanfgut stabilisiert ist. An diesem Punkt können Scannen, Abbildung der Ladungsakkumulation sowie kapazitive Spannungsspektroskopie durchgeführt werden. Dies ist ein Beispiel für ein Bild der Ladungsakkumulation.

Die Probe bestand aus Silizium, das mit Bor-Akzeptoren dotiert war, mit einer Flächendichte von 1,7 × 10¹⁵ pro m² in einer Delta-Dotierungsschicht 15 Nanometer unterhalb der Oberfläche bei 4,2 Kelvin. Wie die Skala zeigt, kennzeichnen hellere Farben eine stärkere Aufladung. Die hellen Flecken werden als Markierung der Position einzelner, unterhalb der Oberfläche liegender Boratome interpretiert.

Der blaue Punkt markiert eine bestimmte helle Stelle, an der die C-V-Spektroskopie durchgeführt wurde. Der größte Peak in den C-V-Daten wird auf Ladung zurückgeführt, die direkt unterhalb der Spitze in den Dot eintritt. Nahegelegene Peaks entstehen durch benachbarte Dots. Ihre Zentren sind verschoben, und ihre Amplituden sind im Vergleich zum Hauptpeak verringert.

Aufgrund des vergrößerten Abstands der DO-Pins werden die Peaks entlang der Spannungsachse durch Effekte verbreitert, die im entwickelten Modell berücksichtigt sind, wie die Übereinstimmung der Modellkurve mit den Daten zeigt. Die hier gezeigten C-gegen-V-Spektroskopiedaten betreffen Galliumarsenid mit Delta-Dotierung, wobei eine Schicht aus Silicium-Donatoren mit einer Flächendichte von 1,25 × 10¹⁶ pro m² sich 60 Nanometer unterhalb der Oberfläche bei 300 Millikelvin befindet.

Es zeigt außerdem eine Reihe von Lade-Peaks, von denen die meisten mit Gruppen vieler Elektronen übereinstimmen, die in die Dots ein- und austreten. Ein einzelner Elektronen-Peak ist mit dem roten Pfeil markiert. Die Daten auf der rechten Seite stammen aus wiederholten Messungen des Peaks, der im linken Diagramm durch den roten Pfeil angezeigt wird. Nach dem Mitteln der Daten wird eine Anpassung durchgeführt, die hier grün dargestellt ist.

Diese angepasste Kurve stimmt mit der erwarteten Form eines Einzelelektronen-Peaks unter den experimentellen Bedingungen überein. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis für die praktischen Aspekte von Scanning-Einzelelektronen-Kapazitätsmessungen haben. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, darauf zu achten, die empfindliche Hemmung nicht durch vorbeugende Maßnahmen zur Vermeidung von statischer Aufladung zwischen Gate und Source-Drain-Kanal zu zerstören.