Sonda de barrido de un solo electrón espectroscopia de capacitancia

El objetivo general del siguiente experimento es observar y resolver espacialmente la carga y descarga de electrones individuales en sistemas conductores a nanoescala ubicados debajo de superficies no conductoras. Esto se logra cargando la muestra en un microscopio de sonda de barrido criogénico para lograr bajas temperaturas y bajos niveles de ruido, lo que permite observar el comportamiento de un solo electrón. Como segundo paso, utilice el microscopio en el modo de microscopía de efecto túnel para llevar la punta a una distancia aproximada de un nanómetro de la superficie superior de la muestra, lo que coloca la punta en un lugar adecuado para realizar las mediciones de capacitancia.

A continuación, use el microscopio en modo de capacitancia utilizando los circuitos de detección de carga extremadamente sensibles para detectar la carga de la imagen inducida en la punta por el movimiento de electrones en el sistema subterráneo. Esto permite determinar la estructura electrónica del sistema cuántico del subsuelo. Se obtienen resultados que muestran electrones individuales haciendo túneles dentro y fuera de los sistemas del subsuelo a nanoescala.

Los picos y las curvas de capacitancia frente a voltaje marcan 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 solo átomo o un átomo de impureza.

Muchos dispositivos propuestos involucran un pequeño número de puntos que interactúan. Nuestro método puede resolver la estructura electrónica básica de estos sistemas diminutos. Este método puede proporcionar información sobre la estructura electrónica de las muestras del subsuelo, las docentes y las semiconductoras en su núcleo.

Este es un método de capacitancia, que se puede extender a una variedad de mediciones locales a baja temperatura, como las propiedades dieléctricas de la superficie y el mapeo de funciones de trabajo. Estos experimentos se realizan en un microscopio de sonda de barrido con capacidad criogénica y su electrónica asociada. Además de los cables coaxiales para polarización, voltaje y corriente de tunelización, asegúrese de que al menos dos cables coaxiales adicionales y un cable de tierra se extiendan desde el bastidor de dispositivos electrónicos hasta el área de la punta del microscopio.

Estos se utilizarán para transportar señales para el amplificador criogénico. A continuación, comience el ensamblaje del circuito amplificador criogénico basado en el transistor de alta movilidad electrónica cáñamo. Use un rayador para cortar una astilla de aproximadamente un centímetro por un centímetro de una oblea de arseniuro de galio.

Luego use la deposición para formar varias almohadillas de oro de aproximadamente un milímetro por un milímetro en la superficie. Ahora, prepare una punta afilada con un alambre de metal noble aquí. Los cortadores diagonales se utilizan para cortar un alambre de iridio de platino 80 20 utilizando epoxi compatible con criogénico.

Conecte un cable de oro a cada una de las almohadillas de oro en el chip de arsonita de galio. Se han añadido cables adicionales en este chip. Se pueden quitar fácilmente si no son necesarios en este punto, tome precauciones para evitar introducir cargas perdidas.

Cuando se trabaja con el epoxi de cáñamo, la resistencia de polarización, la punta y el cáñamo sobre el chip de fusión de arseniuro de galio. Una vez que el epoxi se haya curado correctamente, use un adhesivo de alambre cargado con alambre de oro para unir el drenaje de la fuente y los elementos de la puerta del cáñamo para separar las almohadillas de oro de la unión de virutas. Cables temporales que conectan la compuerta y la fuente o las almohadillas de drenaje para garantizar que la compuerta no se cargue con respecto al canal de drenaje de la fuente.

Para conectar el chip de montaje al microscopio, primero conecte a tierra los cables coaxiales del microscopio a los que se soldarán los cables del chip. A continuación, coloque el chip de montaje en la parte superior del tubo de pizzo de escaneo. Utilice soldadura de indio para conectar los cables de oro del chip a los cables coaxiales adecuados.

Después de la prueba, la integridad del cáñamo monta la muestra. Esta muestra está montada en rampas estilo baka que le permiten entrar y salir en respuesta a los voltajes aplicados a los tubos piezoeléctricos de soporte. Con el microscopio y el modo STM, mueva la muestra al rango para asegurarse de que la muestra y la punta puedan acercarse con éxito.

Después de una prueba exitosa, camine la muestra lejos del alcance para proteger la punta durante la manipulación del microscopio. Para prepararse para el funcionamiento a temperaturas más bajas, transfiera el microscopio de la mesa de laboratorio al criostato. El criostato debe ser capaz de alcanzar la temperatura base deseada del microscopio de 4,2 kelvin o menos.

Después de bombear el microscopio al vacío de unos pocos micro tours, baje una pulgada o dos del microscopio en el criostato y espere a que la temperatura se equilibre. Esto puede tardar hasta decenas de minutos. Repita bajando una pulgada o dos a la vez hasta que el microscopio esté en su lugar.

El proceso de inmersión completa puede durar casi un día. A continuación, se debe dejar que el microscopio se equilibre térmicamente. Por último, aísle el criostato y el conjunto del microscopio de las vibraciones.

En este experimento se utiliza un sistema de suspensión de cuerda elástica unido al criostato. Utilice el sistema de suspensión para levantar el conjunto a unos centímetros del suelo y mantenerlo a esa altura. Controle la altura para saber si el criostato se hunde y necesita ser suspendido.

Después de realizar escaneos STM, inicie las mediciones del modo de capacitancia desactivando el bucle de retroalimentación en el controlador STM con la punta retraída. Unas pocas decenas de nanómetros desde su posición STM desplazan la posición lateral de la punta a un área de la muestra, que no ha sido escaneada recientemente. Para cambiar la configuración del cableado al modo de capacitancia, primero, proteja los cáñamos conectando a tierra todos los cables coaxiales.

La terminación de los cables con conectores en 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 relevantes, el bloqueo y el amplificador y el generador de funciones. Ponga todas las fuentes de voltaje a cero y enciéndalas.

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

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

La muestra fue dopada con silicona con aceptores de boro con una densidad aérea de 1,7 veces 10 a 15 por metro cuadrado en una capa de droga delta a 15 nanómetros por debajo de la superficie a 4,2 kelvin. Como indica la escala, los colores más brillantes indican una mayor carga. Los puntos brillantes se interpretan como marcando la ubicación de los átomos de boro individuales del subsuelo.

El punto azul indica un punto brillante particular donde se realizó la espectroscopia del punto C frente a V. Se interpreta que el pico más grande en los datos de C versus V es de la carga que ingresa al doin directamente debajo de la punta Los picos cercanos se deben a puntos cercanos. Sus centros se desplazan en amplitudes disminuidas con respecto al pico principal.

Debido al aumento de la distancia de los pines DO. Los picos se ensanchan a lo largo del eje de voltaje por los efectos tenidos en cuenta en el modelo que se ha desarrollado, como lo indica la concordancia de la curva del modelo con los datos. Los datos de espectroscopía C versus V que se muestran aquí son para naropa delta de arseniuro de galio con una capa de donantes de silicona de densidad aérea, 1,25 veces 10 por 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 muchos electrones que entran y salen de la grieta, se abre un solo pico de electrones que se indica con la flecha roja. Los datos de la derecha provienen de mediciones repetidas del pico indicado por la flecha roja en el gráfico de la izquierda. Cuando se promedian los datos, se realiza un ajuste y se muestra aquí en verde.

Esta curva de ajuste es consistente con la forma esperada para un pico de un solo electrón en las condiciones experimentales. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de los aspectos prácticos de la realización de mediciones de capacitancia de un solo electrón de barrido mientras intenta este procedimiento. Es importante recordar que hay que evitar destruir el cáñamo sensible tomando medidas de precaución para evitar la acumulación de estática entre la puerta y el canal de drenaje de la fuente.