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

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

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.