Sonda de barrido de un solo electrón espectroscopia de capacitancia

El objetivo general del siguiente experimento consiste en observar y resolver espacialmente la carga y descarga de electrones individuales en sistemas conductores a escala nanométrica ubicados debajo de superficies no conductoras. Esto se logra cargando la muestra en un microscopio de sonda con criógeno para alcanzar bajas temperaturas y bajos niveles de ruido, lo que permite observar el comportamiento de electrones individuales. Como segundo paso, se utiliza el microscopio en modo de microscopía de túnel de barrido para acercar la punta a aproximadamente un nanómetro de la superficie superior de la muestra, lo que posiciona la punta en un lugar adecuado para realizar mediciones de capacitancia.

A continuación, utilice el microscopio en modo de capacitancia aprovechando la circuitería extremadamente sensible de detección de carga para detectar la carga de imagen inducida en la punta por el movimiento de electrones en el sistema subsuperficial. Esto permite determinar la estructura electrónica del sistema cuántico subsuperficial. Se obtienen resultados que muestran electrones individuales que atraviesan por efecto túnel hacia adentro y hacia afuera de sistemas subsuperficiales a escala nanométrica.

Los picos y las curvas de capacitancia frente a voltaje indican las energías de adición de electrones. En el sistema cuántico, los dispositivos semiconductores son cada vez más pequeños. El dispositivo más pequeño posible es un único átomo o un átomo de impureza.

Muchos dispositivos propuestos implican pequeños números de puntos interactivos. Nuestro método puede resolver la estructura electrónica básica de estos sistemas minúsculos. Este método puede proporcionar información sobre la estructura electrónica de muestras subsuperficiales, docentes y semiconductoras en su esencia.

Este es un método de capacitancia, que puede ampliarse a una variedad de mediciones locales a baja temperatura, como las propiedades dieléctricas superficiales y la cartografía de la función de trabajo. Estos experimentos se realizan en un microscopio de sonda con capacidad criogénica, junto con su electrónica asociada. Además de los cables coaxiales para el sesgo, el voltaje y la corriente de túnel, asegúrese de que al menos dos cables coaxiales adicionales y un cable de tierra se extiendan desde el bastidor electrónico hasta la zona de la punta del microscopio.

Estos se utilizarán para transportar señales hacia el amplificador criogénico. A continuación, inicie el ensamblaje del circuito del amplificador criogénico basado en el transistor de alta movilidad electrónica hemp. Utilice un punzón para dividir un chip de aproximadamente un centímetro por un centímetro a partir de una oblea de arseniuro de galio.

Luego, utilice la deposición para formar varias almohadillas de oro de aproximadamente un milímetro por un milímetro sobre la superficie. Ahora, prepare una punta afilada a partir de un alambre de metal noble aquí. Se utilizan cortadores diagonales para cortar un alambre de platino-iridio 80-20 mediante epoxi compatible con criogenia.

Conecte un alambre de oro a cada una de las almohadillas de oro en el chip de arsenito de galio. Se han agregado alambres adicionales en este chip. Pueden eliminarse fácilmente si no son necesarios en este momento; tome precauciones para evitar la introducción de cargas parásitas.

Al trabajar con el epoxi de cáñamo, coloque la resistencia de polarización, la punta y el cáñamo sobre el chip de fusión de arseniuro de galio. Una vez que el epoxi haya curado adecuadamente, utilice un aparato de unión por alambre cargado con alambre de oro para unir los elementos de drenaje, fuente y compuerta del cáñamo a las almohadillas de oro separadas del chip. Conecte alambres temporales entre la compuerta y las almohadillas de fuente o drenaje para asegurar que la compuerta no se cargue con respecto al canal de fuente-drenaje.

Para fijar el chip de montaje al microscopio, primero conecte a tierra los cables coaxiales del microscopio a los cuales se soldarán los cables del chip. Luego, sujete el chip de montaje encima del tubo piezoeléctrico de escaneo. Utilice soldadura de indio para conectar los cables de oro del chip a los cables coaxiales correspondientes.

Después de la prueba, la integridad del soporte de cáñamo monta la muestra. Esta muestra se monta sobre rampas de estilo baka que permiten moverse hacia adentro y hacia afuera en respuesta a voltajes aplicados a los tubos piezoeléctricos de soporte. Con el microscopio y el modo STM, mueva la muestra al rango adecuado para asegurar que la muestra y la punta puedan acercarse entre sí con éxito.

Después de una prueba exitosa, retire la muestra lejos del rango para proteger la punta durante el manejo del microscopio. Para prepararse para la operación a temperaturas más bajas, transfiera el microscopio desde la mesa del laboratorio al criostato. El criostato debe ser capaz de alcanzar la temperatura base deseada del microscopio de 4,2 kelvin o inferior.

Después de bombear el microscopio hasta alcanzar un vacío de unas pocas micras de mercurio, baje una o dos pulgadas el microscopio dentro del criostato y espere a que la temperatura se equilibre. Esto puede tardar hasta varias decenas de minutos. Repita el descenso de una o dos pulgadas a la vez hasta que el microscopio esté en su posición.

El proceso completo de inmersión puede tardar casi un día. A continuación, se debe dejar que el microscopio alcance el equilibrio térmico. Finalmente, aísle el conjunto del criostato y el microscopio de las vibraciones.

Se utiliza un sistema de suspensión con cuerda elástica conectado al criostato en este experimento. Use el sistema de suspensión para elevar el conjunto unos pocos centímetros del suelo y mantenerlo a esa altura. Controle la altura para saber si el criostato se hunde y necesita ser suspendido nuevamente.

Después de realizar escaneos de microscopía de túnel, inicie las mediciones en modo de capacitancia desactivando el lazo de retroalimentación en el controlador del STM con la punta retraída. A unos pocos decenas de nanómetros de su posición en STM, desplace lateralmente la posición de la punta hacia un área de la muestra que no haya sido escaneada recientemente. Para cambiar la configuración de cableado al modo de capacitancia, primero proteja los hemps poniendo a tierra todos los cables coaxiales.

Terminar los cables con conectores T permite que los cables permanezcan conectados a tierra mientras se realizan otras conexiones. A continuación, conecte los cables coaxiales a las fuentes de voltaje y resistencias pertinentes, al bloque y amplificador, y al generador de funciones. Establezca todas las fuentes de voltaje en cero y enciéndalas.

Desconecte a tierra los cables coaxiales teniendo cuidado de desconectar a tierra el cable de la compuerta. Por último, para proteger el cáñamo, aumente las fuentes de voltaje a los niveles deseados. Ajuste el cáñamo y bloquee un amplificador para obtener un rendimiento óptimo.

Luego espere a que el cáñamo se estabilice. En este punto, es posible realizar escaneo, imágenes de acumulación de carga y espectroscopía de capacitancia-voltaje. Este es un ejemplo de una imagen de acumulación de carga.

La muestra fue de silicio dopada con aceptores de boro con una densidad areal de 1,7 veces 10 a la 15 por metro cuadrado en una capa de dopaje delta a 15 nanómetros por debajo de la superficie a 4,2 kelvin. Como indica la escala, los colores más brillantes indican un aumento en la carga. Se interpreta que los puntos brillantes marcan la ubicación de átomos individuales de boro subsuperficiales.

El punto azul indica un punto brillante específico donde se realizó la espectroscopía de C frente a V. El pico más grande en los datos de C frente a V se interpreta como carga que entra en el pozo directamente debajo de la punta. Los picos cercanos se deben a puntos cercanos. Sus centros están desplazados y sus amplitudes disminuidas con respecto al pico principal.

Debido al aumento de la distancia entre los pines DO. Los picos se ensanchan a lo largo del eje de voltaje por efectos considerados en el modelo que ha sido desarrollado, como lo indica la concordancia entre la curva del modelo y los datos. Los datos espectroscópicos de C frente a V mostrados aquí corresponden al arseniuro de galio con dopado delta, con una capa de donadores de silicio de densidad superficial, 1,25 veces 10 a la 16 por metro cuadrado, ubicada a 60 nanómetros por debajo de la superficie a 300 milikelvin.

También muestra una serie de picos de carga, la mayoría de los cuales son consistentes con grupos de múltiples electrones entrando y saliendo del punto cuántico; un único pico de electrón se indica con la flecha roja. Los datos de la derecha provienen de mediciones repetidas del pico indicado por la flecha roja en la gráfica de la izquierda. Cuando se promedian los datos, se realiza un ajuste que se muestra aquí en verde.

Esta curva de ajuste es coherente con la forma esperada para un pico de un solo electrón bajo las condiciones experimentales. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de los aspectos prácticos de la realización de mediciones de capacitancia de barrido de un solo electrón. Al intentar este procedimiento, es importante recordar evitar la destrucción del dispositivo sensible tomando medidas preventivas para impedir la acumulación de carga estática entre la compuerta y el canal fuente-drenaje.