Name: Vollelektronische Nanosekunde gelöst Scanning Tunneling Microscopy: Erleichterung der Untersuchung der einzelnen Dotierstoff kostenlos Dynamik (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: Erfahren Sie die vollelektronische zeitaufgelöste Rastertunnelmikroskopie zur Untersuchung der Ladungsdynamik einzelner Dotierstoffe in Silizium mit Nanosekunden-Auflösung. Diese optikfreie Methode ermöglicht präzise atomare Messungen.

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

1. die Ersteinrichtung des Mikroskops und Experimente
<ol><li>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.</li>
	<li>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
</li>
	<li>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.</li>
	<li>Konfigurieren Sie die willkürliche Funktionsgenerator so, dass die Pumpe und Sonde Spannungsimpulse unabhängig erzeugt und fasste vor gefüttert in der Spitze.</li>
	<li>Gelten Sie die DC-Bias-Spannung für Bildgebung und konventionellen Spektroskopie zur Probe (VDC) verwendet.</li>
	<li>Schließen Sie zwei Hochfrequenz-Schalter an der willkürlichen Funktionsgenerator Ausgabekanäle.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Sammeln der Tunnelstrom für alle Messungen durch einen Vorverstärker verbunden zur Probe.</li>
</ol>2. Vorbereitung der H-Si(100)-(2x1) Rekonstruktion
<ol><li>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.</li>
	<li>Befestigen Sie die Probe auf eine STM-Probenhalter und eine höchste Vakuumkammer angrenzend an die STM-Kammer vorzustellen.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen, bevor Sie fortfahren.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
</ol>3. die Beurteilung der Qualität der Pumpe-Sonde Impulse an der Tunnel-Kreuzung
<ol><li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Position der STM Umkippen eines H-Si auf der Oberfläche, die erscheinen als Dimer Zeilen in STM Bilder (Abb. 3 b).</li>
	<li>Schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>(4) zeitaufgelöste Scanning Tunneling Spectroscopy (TR-STS)
<ol><li>Position der STM Umkippen einer Silizium DB, die erscheinen als helle Vorsprünge an negativen Spitze-Probe-Vorurteile (Abb. 3 b).</li>
	<li>Schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler STM.</li>
	<li>
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.<ol>
<li>Die Dauer der Impulsfolgen (jeweils mit einem anderen Bias) so konfigurieren, dass die resultierenden Spektren ein Signal Rauschabstand haben > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>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).</li>
	<li>
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.<ol>
<li>Subtrahieren Sie das Signal erhält man, wenn nur die Pump-Puls angewendet wurde, wenn das Signal von diesem Schritt gesammelt anzeigen/auswerten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>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.</li>
</ol>(5) zeitaufgelöste STM-Messungen der Entspannung Dynamik
<ol><li>Positionieren Sie die STM-Tipp über ein Silizium DB und schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler STM.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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).</li>
	<li>Fegen Sie die Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde Puls bis zu mehreren Dutzend µs.</li>
	<li>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.</li>
</ol>(6) zeitaufgelöste STM-Messungen der Erregung Dynamik
<ol><li>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.</li>
	<li>Fegen Sie die Pumpe Impulsdauer von mehreren Nanosekunden bis mehrere hundert Nanosekunden.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

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<li>Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1302.6522">Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).</li>
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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Niedertemperatur-Rastertunnelmikroskop</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>Sonderanfertigung mit 500 MHz Bandbreitenverdrahtung</td></tr><tr><td>Arbitaritätsfunktion Genorator</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>HF-Leistungsteiler / Combiner</td><td>Mini-Schaltkreise</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr><tr><td>HF-Schalter-Minischaltungen</td><td></td><td>X80-DR230-S +</td><td></td></tr><tr><td>berührungslose Infrarot-Pyrometer</td><td>Mikron Infrarot</td><td>MI 140</td><td></td></tr></tbody></table>

vollelektronische nanosekunde gelöst scanning tunneling microscopy: erleichterung der untersuchung der einzelnen dotierstoff kostenlos dynamik

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

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.

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...

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

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

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

Das übergeordnete Ziel der elektronischen zeitaufgelösten Rastertunnelmikroskopie ist es, dynamische Prozesse auf atomarer Skala zu untersuchen. In diesen Experimenten wird die geladene Dynamik von Dotierstoffen in Silizium untersucht. Mit diesen Methoden lassen sich interessante Phänomene aus der Nanotechnologie und Physik untersuchen, etwa mit welcher Geschwindigkeit Dotierstoffe in Halbleitern mit Elektronen versorgt werden oder wie sich Tunnelströme nutzen lassen, um die magnetische Resonanz einzelner Atome anzutreiben.Der Hauptvorteil dieser Techniken besteht darin, dass die schnelle Dynamik untersucht werden kann, ohne dass eine Optik in den Tunnelübergang integriert werden muss. Diese Techniken sind nicht auf niedrige Temperaturen oder Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskope beschränkt. Kühlen Sie zunächst das Rastertunnelmikroskop, das Ultrahochvakuum verarbeiten kann, auf kryogene Temperaturen.Stellen Sie sicher, dass die Spitze des Mikroskops mit einer Hochfrequenzverkabelung von etwa 500 Megahertz ausgestattet ist. Schließen Sie dann einen beliebigen Funktionsgenerator mit mindestens zwei Kanälen an die Spitze an. Bereiten Sie die Zyklen von Spannungsimpulspaaren vor, die für Pump-Probe-Experimente verwendet werden, indem Sie den Arbiträrfunktionsgenerator so konfigurieren, dass die Pump- und Sondenspannungsimpulse unabhängig voneinander erzeugt und summiert werden, bevor sie in die Spitze eingespeist werden.Legen Sie anschließend die DC-Bias-Spannung, die für die Bildgebung in der konventionellen Spektroskopie verwendet wird, an die Probe an. Schließen Sie dann zwei Radiofrequenzschalter an die Ausgangskanäle des Arbiträrfunktionsgenerators an. Konfigurieren Sie die Schalter so, dass die Spitze während des Scannens, Tunnelns, der Bildgebung und der konventionellen Spektroskopie geerdet wird.Sammeln Sie den Tunnelstrom für alle Messungen über einen Vorverstärker, der mit der Probe verbunden ist. Kratzen Sie mit einem Siliziumkarbid-Anreißer die Rückseite eines Siliziumwafers ab. Verwenden Sie dann ein Paar Objektträger aus Glas, um die Probe vorsichtig vom Wafer abzubrechen.Achten Sie darauf, eine Keramikpinzette zu verwenden, um Siliziumkristalle zu handhaben. Befestigen Sie die Probe an einer Halterung für ein Raster- und Tunnelmikroskop. Sobald es in der Halterung befestigt ist, führen Sie es in die Ultrahochvakuumkammer ein.Entgasen Sie dann die Probe, indem Sie sie resistiv auf 600 Grad Celsius erhitzen und mindestens sechs Stunden lang im Ultrahochvakuum auf dieser Temperatur halten. Sobald die Probe abgekühlt ist, verwenden Sie dieselbe Kammer, um ein Wolframfilament zu entgasen, indem Sie das Filament resistiv auf 1.800 Grad Celsius erhitzen und warten, bis das System wieder auf Basisdruck zurückkehrt. Entfernen Sie dann das Oxid von der Probenoberfläche, indem Sie die Probe auf 900 Grad Celsius flashen und 10 Sekunden lang auf dieser Temperatur halten, bevor Sie sie wieder auf Raumtemperatur abkühlen.Beschleunigen Sie die Probe schrittweise auf höhere Temperaturen, während Sie versuchen, einen abschließenden Blitz von 1.250 Grad Celsius zu erreichen. Lassen Sie die Probe nach jedem Blitz auf Raumtemperatur abkühlen. Um sicherzustellen, dass die Probe sauber bleibt, werden Abbruchblitze durchgeführt, bei denen der Druck über neunmal 10 auf minus 10 Torr ansteigt.Lassen Sie dann Wasserstoffgas mit einem Druck von eins mal 10 auf minus sechs Torr in die Kammer aus und erhitzen Sie das Wolframfilament auf 1.800 Grad Celsius. Dadurch wird das Gas in atomaren Wasserstoff zerkleinert. Halten Sie die Probe zwei Minuten lang unter diesen Bedingungen, bevor Sie die Probe wieder auf 1.250 Grad Celsius flashen.Nach fünf Sekunden bei 1.250 Grad Celsius kühlen Sie es wieder auf 330 Grad Celsius ab. Halten Sie die Temperatur eine Minute lang bei 330 Grad Celsius und schließen Sie dann gleichzeitig das Wasserstoff-Leckventil und schalten Sie das Wolframfilament aus. Lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen.Annähern Sie sich schließlich der Spitze zur Abtastung, indem Sie den Stromrückkopplungsregler mit einer Abtastvorspannung von minus 1,8 Volt, dem aktuellen Sollwert von 50 Pikoampere und der Auto-Approach-Funktion der Steuerungssoftware aktivieren. Machen Sie Flächenscans der Oberfläche in der Größenordnung von 50 x 50 Nanometern, um die Qualität der Oberfläche zu überprüfen. Es sollten große Terrassen vorhanden sein, die durch einzelne Atomschritte in einer Defektrate von weniger als 1% getrennt sind. Die Dimerreihen des Siliziums sollten eine Null Null zwei mal eine Rekonstruktion aufweisen.Hängende Bindungen erscheinen als helle Vorsprünge in Feldzustandsbildern. Suchen Sie nach einem Bereich auf der Probenoberfläche, der frei von großen Oberflächendefekten ist, indem Sie großflächige Scans von 50 Nanometern x 50 Nanometern durchführen. Um das elektronische Klingeln zu charakterisieren, positionieren Sie die Spitze über einem Wasserstoffatom auf der Oberfläche.Da jedes Oberflächensiliziumatom mit einem Wasserstoffatom abgeschlossen ist, entspricht dies der Positionierung der Spitze über den Dimerreihen auf der Oberfläche. Schalten Sie den Stromrückkopplungsregler aus und stellen Sie dann die Gleichspannung auf minus 1,0 Volt, dann die Pumpspannung auf minus 0,5 Volt, die Sondenspannung auf minus 0,5 Volt, die Breite der Pump- und Sondenimpulse auf 200 Nanosekunden und die Anstiegs- und Abfallzeit der Impulse auf 2,5 Nanosekunden ein. Senden Sie dann eine Reihe von Pump- und Sondenimpulsen, bei denen die relative Verzögerung von Pumpe und Sonde von minus 900 Nanosekunden auf 900 Nanosekunden verschoben wird.Das Ringen manifestiert sich durch kleinere Amplitudenschwingungen im Tunnelstrom auf beiden Seiten des Ursprungs. Durch die Erhöhung der Anstiegszeiten an den Pulsen von 2,5 Nanosekunden auf 25 Nanosekunden wird eine starke Unterdrückung des Ringings beobachtet. Eliminieren Sie Ringing, indem Sie die Anstiegs- und Abfallzeiten der Pulse erhöhen, um die genauesten spektroskopischen Ergebnisse zu erhalten.Beachten Sie jedoch, dass durch Vergrößern der Breite des Impulses die Auflösung verringert wird. Positionieren Sie die Spitze über einer baumelnden Siliziumbindung, die bei Probenbias mit negativer Spitze als helle Vorsprünge erscheinen. Schalten Sie den Stromrückkopplungsregler aus und senden Sie einen Zug, der nur aus dem Sondenimpuls besteht, der als Referenzsignal mit einer Wiederholrate von 25 Kilohertz verwendet wird.Sweepen Sie über eine Reihe von Impulsfolgen die Vorspannung des Sondenimpulses über einen Bereich von 500 Millivolt von der DC-Vorspannung von minus 1,8 Volt. Jeder Impuls sollte eine andere Vorspannung haben. Dieser Schritt entspricht der Standard-IV-Spektroskopie, jedoch mit reduziertem Tastverhältnis.Stellen Sie sicher, dass die Breite der Impulse lang genug ist, um ein Signal-Rausch-Verhältnis von mindestens 10 zu erhalten. Senden Sie einen Zug, der aus Pumpimpulsen besteht, die auf eine feste Vorspannung eingestellt sind, so dass die zur Pumpenspannung addierte Gleichspannung mit einer Wiederholrate von 25 Kilohertz größer ist als die Schwellenspannung. Senden Sie als Nächstes einen Zug, der aus den Pumppulsen mit den Sondenpulsen besteht, gefolgt von einer Verzögerung von 10 Nanosekunden.Vergleichen Sie die Sonde nur in den Pumpen- und Sondensignalen, indem Sie sie in derselben Grafik darstellen. Jede Hysterese in kleinen Signalen ist ein Hinweis auf eine Dynamik, die mit zeitaufgelösten STM-Techniken untersucht werden kann. Um die Relaxationsdynamik zu messen, positionieren Sie die Spitze des Mikroskops über einer Silizium-Schlenkerbindung und schalten Sie den Stromrückkopplungsregler aus.Senden Sie dann einen Zug, der aus Pumpimpulsen besteht, die auf eine feste Vorspannung eingestellt sind, so dass die zur Pumpenspannung addierte Gleichspannung größer ist als die Schwellenspannung mit einer Wiederholrate von 25 Kilohertz. Senden Sie als Nächstes einen weiteren Zug von Pump- und Sondenimpulsen. Stellen Sie sicher, dass die Sondenimpulse eine Amplitude haben, die kleiner als die der Pumpen und vergleichbar mit dem Bereich ist, in dem die Hysterese auftritt.Verschieben Sie schließlich die Verzögerung zwischen Pumpe und Sondenimpuls auf bis zu mehreren Dutzend Mikrosekunden. Zur Bestimmung der Erregerdynamik wird wiederum ein Zug aus Pumpimpulsen gesendet, so dass die zur Pumpenspannung addierte Gleichspannung größer ist als die Schwellenspannung mit einer Wiederholrate von 25 Kilohertz. Sweepen Sie die Dauer des Pumpimpulses von einigen Nanosekunden bis zu mehreren hundert Nanosekunden.Senden Sie dann einen Zug von Pump- und Sondenimpulsen. Die Sondenimpulse sollten eine Amplitude haben, die kleiner ist als die der Pumpen und vergleichbar mit dem Bereich, in dem die Hysterese auftritt. Mit der herkömmlichen Rastertunnelmikroskopie treten Silizium-Schlenkerbindungen als helle Vorsprünge in Feldzustandsbildern mit negativer Probenverzerrung auf.In einigen Fällen zeigen sie eine starke Änderung des Leitwerts bei minus zwei Volt. Für diese spezielle baumelnde Bindung zeigen dies auch Bilder, die bei minus 2,1 Volt, minus zwei Volt und minus 1,8 Volt aufgenommen wurden. Bei diesen zeitaufgelösten Messungen bringt ein Pumpimpuls das System transient über die Spannungsschwelle und fragt unmittelbar nach einem Sondenimpuls die Leitfähigkeit des transienten Zustands ab.Um die Sichtbarkeit der Hysterese zu maximieren, sollte die Dauer des Sondenimpulses kürzer sein als die Relaxationsrate des hochgeleiteten Zustands. Bei der Messung der Dynamik der Dotierrelaxation variieren die Pulssequenzen in der Verzögerung zwischen Pumpe und Sonde. Es wird ein einzelner exponentieller Zerfall extrahiert, der sich mit der Zeit auf einen festen Versatz einpendelt.Für die Anregungszeiten wird die Spannungsbreite der Impulsfolgepumpe geändert. Durch das Streichen der Breite der Pumpe wird die durchschnittliche Rate, mit der das Dotierungsmittel ionisiert wird, abgebildet. Es ist wichtig, dass Sie jedes elektronische Klingeln in Ihrem Mikroskop-Setup charakterisieren.Klingeln kann zu Signalartefakten führen und muss beseitigt werden. Beachten Sie auch, dass die Beseitigung des Klingelns durch Verlängerung der Impulslänge zu einem Verlust der Zeitauflösung führt und optimiert werden muss. Während wir die zeitaufgelöste Rastertunnelmikroskopie zur Untersuchung von Dotierstoffen in Silizium demonstriert haben, können diese Techniken auf viele andere physikalische Systeme angewendet werden.Der Hauptvorteil dieser Techniken besteht darin, dass keine optischen Systeme in Ihr Mikroskop integriert werden müssen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Kryogenen und hohen Spannungen gefährlich sein kann. Sorgen Sie immer für eine sichere Arbeitsumgebung und befolgen Sie die richtigen Sicherheitsprotokolle, wenn Sie Ihr Mikroskop aufstellen und verwenden.

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Research

Forschung

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