Totalmente electrónico resuelto nanosegundo túnel microscopía: Facilitar la investigación de Dopant solo carga dinámica

El objetivo general de la microscopía electrónica de efecto túnel de barrido resuelta en el tiempo es estudiar los procesos dinámicos que ocurren a escala atómica. En estos experimentos, se estudia la dinámica cargada de los dopantes en silicio. Estos métodos se pueden utilizar para investigar fenómenos interesantes en el campo de la nanotecnología y la física, como la velocidad a la que los dopantes de los semiconductores reciben electrones o cómo se pueden utilizar las corrientes de efecto túnel para impulsar la resonancia magnética de átomos individuales.

La principal ventaja de estas técnicas es que se puede estudiar la dinámica rápida sin necesidad de integrar la óptica en la unión de tunelización. Estas técnicas no se limitan a las bajas temperaturas o a los microscopios tunelización de barrido de ultra alto vacío. Para comenzar, enfríe el microscopio de efecto túnel de barrido capaz de alcanzar temperaturas de vacío ultra alto a temperaturas criogénicas.

Asegúrese de que la punta del microscopio esté equipada con un cableado de alta frecuencia capaz de unos 500 megahercios. A continuación, conecte un generador de funciones arbitrarias con al menos dos canales a la punta. Prepare los ciclos de los pares de pulsos de voltaje utilizados para los experimentos de bomba-sonda configurando el generador de funciones arbitrarias para que los pulsos de voltaje de la bomba y la sonda se generen de forma independiente y se sumen antes de ser alimentados a la punta.

A continuación, aplique a la muestra el voltaje de polarización de CC utilizado para la obtención de imágenes en espectroscopia convencional. A continuación, conecte dos interruptores de radiofrecuencia a los canales de salida del generador de funciones arbitrarias. Configure los interruptores para que la punta esté conectada a tierra durante el escaneo, la tunelización, la obtención de imágenes y la espectroscopia convencional.

Recoja la corriente de tunelización para todas las mediciones a través de un preamplificador conectado a la muestra. Con un trazador de carburo de silicio, rasque la parte posterior de una oblea de silicio. Luego, use un par de portaobjetos de microscopio de vidrio para separar suavemente la muestra de la oblea.

Asegúrate de usar pinzas de cerámica para manipular los cristales de silicona. Fije la muestra a un soporte de microscopio de exploración y tunelización. Una vez asegurado en el soporte, introdúzcalo en la cámara de ultra alto vacío.

Luego, desgasifique la muestra calentándola resistivamente a 600 grados Celsius y manteniéndola a esa temperatura durante al menos seis horas en el vacío ultra alto. Una vez que la muestra se ha enfriado, use la misma cámara para desgasificar un filamento de tungsteno calentando resistivamente el filamento a 1.800 grados Celsius y esperando que el sistema se recupere a la presión base. Luego, retire el óxido de la superficie de la muestra haciendo parpadear la muestra a 900 grados Celsius y manteniéndola a esa temperatura durante 10 segundos antes de enfriarla nuevamente a temperatura ambiente.

Flashear progresivamente la muestra a temperaturas más altas mientras se intenta alcanzar un destello final de 1.250 grados Celsius. Deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente después de cada destello. Para asegurarse de que la muestra permanezca limpia, aborte los destellos en los que la presión se eleva por encima de nueve veces 10 hasta el Torr negativo 10.

Luego, filtre gas hidrógeno en la cámara a una presión de uno por 10 por el Torr de menos seis y caliente el filamento de tungsteno a 1.800 grados Celsius. Esto convertirá el gas en hidrógeno atómico. Mantenga la muestra en estas condiciones durante dos minutos antes de volver a colocar la muestra a 1.250 grados Celsius.

Después de cinco segundos a 1.250 grados centígrados, enfríelo de nuevo a 330 grados centígrados. Mantenga la temperatura a 330 grados centígrados durante un minuto y luego cierre simultáneamente la válvula de fuga de hidrógeno y apague el filamento de tungsteno. Deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente.

Finalmente, acérquese a la punta para muestrear activando el controlador de retroalimentación de corriente con un sesgo de muestra de menos 1,8 voltios, el punto de ajuste actual de 50 picoamperios y utilizando la función de enfoque automático del software de control. Tome escaneos de área de la superficie del orden de 50 por 50 nanómetros para verificar la calidad de la superficie. Debe haber grandes terrazas separadas por pasos de un solo átomo en una tasa de defectos de menos del 1%Las filas de dímeros de la reconstrucción de silicio uno cero cero dos por uno deben resolverse claramente.

Los enlaces colgantes aparecen como protuberancias brillantes en las imágenes de estado de campo. Busque un área en la superficie de la muestra libre de grandes defectos superficiales tomando escaneos de área grande de 50 nanómetros por 50 nanómetros. Para caracterizar el timbre electrónico, coloque la punta sobre un átomo de hidrógeno en la superficie.

Debido a que cada átomo de silicio de la superficie termina con un átomo de hidrógeno, esto es equivalente a colocar la punta sobre las filas de dímeros en la superficie. Apague el controlador de retroalimentación de corriente y luego configure el voltaje de CC a menos 1.0 voltios, luego el voltaje de la bomba a menos 0.5 voltios, el voltaje de la sonda a menos 0.5 voltios, el ancho de los pulsos de la bomba y la sonda a 200 nanosegundos y el tiempo de subida y bajada de los pulsos a 2.5 nanosegundos. A continuación, envíe una serie de trenes de pulsos de bomba y sonda en los que el retraso relativo de la bomba y la sonda se barre de menos 900 nanosegundos a 900 nanosegundos.

El timbre se manifiesta a través de oscilaciones de amplitud más pequeñas en la corriente de túnel a ambos lados del origen. Al aumentar los tiempos de subida de los pulsos de 2,5 nanosegundos a 25 nanosegundos, se observa una fuerte supresión del zumbido. Elimine el anillamiento aumentando los tiempos de subida y bajada de los pulsos para obtener los resultados espectroscópicos más precisos.

Sin embargo, tenga en cuenta que aumentar el ancho del pulso disminuirá la resolución. Coloque la punta sobre un enlace colgante de silicona que aparece como protuberancias brillantes en los sesgos negativos de la muestra de la punta. Apague el controlador de retroalimentación de corriente y envíe un tren compuesto solo por el pulso de la sonda utilizado como señal de referencia con una tasa de repetición de 25 kilohercios.

A lo largo de una serie de trenes de pulsos, barre la polarización del pulso de la sonda en un rango de 500 milivoltios desde la polarización de CC de menos 1,8 voltios. Cada pulso debe tener un sesgo diferente. Este paso es equivalente a la espectroscopia IV estándar, pero con un ciclo de trabajo reducido.

Asegúrese de que el ancho de los pulsos sea lo suficientemente largo como para obtener una relación señal/ruido de al menos 10. Envíe un tren compuesto por impulsos de bomba configurados en un sesgo fijo de modo que el voltaje de CC agregado al voltaje de la bomba sea mayor que el voltaje umbral con una tasa de repetición de 25 kilohercios. A continuación, envíe un tren compuesto por los pulsos de la bomba con los pulsos de la sonda seguidos de un retraso de 10 nanosegundos.

Compare la sonda solo en la bomba y las señales de la sonda trazándolas en el mismo gráfico. Cualquier histéresis en pequeñas señales es una indicación de la dinámica que puede ser sondeada con técnicas STM resueltas en el tiempo. Para medir la dinámica de relajación, coloque la punta del microscopio sobre un enlace colgante de silicio y apague el controlador de retroalimentación actual.

Luego, envíe un tren compuesto por pulsos de bomba configurados a una polarización fija tal que el voltaje de CC agregado al voltaje de la bomba sea mayor que el voltaje umbral con una tasa de repetición de 25 kilohercios. A continuación, envíe otro tren de pulsos de bomba y sonda. Asegúrese de que los impulsos de la sonda tengan una amplitud menor que la de las bombas y comparable al rango en el que se produce la histéresis.

Finalmente, barra el retardo entre la bomba y el pulso de la sonda hasta varias decenas de microsegundos. Para determinar la dinámica de excitación, vuelva a enviar un tren compuesto por pulsos de bomba de modo que el voltaje de CC agregado al voltaje de la bomba sea mayor que el voltaje umbral con una tasa de repetición de 25 kilohercios. Barre la duración del pulso de la bomba de varios nanosegundos a varios cientos de nanosegundos.

Luego, envíe un tren de pulsos de bomba y sonda. Los impulsos de la sonda deben tener una amplitud menor que la de las bombas y comparable al rango en el que se produce la histéresis. Utilizando la microscopía de túnel de barrido convencional, los enlaces colgantes de silicio se producen como protuberancias brillantes en las imágenes de estado de campo, sesgo negativo de la muestra.

En algunos casos, muestran un cambio brusco en la conductancia a menos dos voltios. Para este enlace colgante específico, las imágenes tomadas a menos 2,1 voltios, menos dos voltios y menos 1,8 voltios también lo muestran. En estas mediciones resueltas en el tiempo, un pulso de bomba lleva transitoriamente el sistema por encima del umbral de voltaje e inmediatamente después de un pulso de sonda, interroga la conductancia del estado transitorio.

Para maximizar la visibilidad de la histéresis, la duración del pulso de la sonda debe ser más corta que la tasa de relajación del estado conducido alto. Al medir la dinámica de relajación dopante, las secuencias de pulso varían en retraso entre la bomba y la sonda. Se extrae un único decaimiento exponencial que se establece en un desplazamiento fijo con el tiempo.

Para los tiempos de excitación, se cambia el ancho de voltaje de la bomba de secuencia de pulsos. Al barrer el ancho de la bomba, se mapea la velocidad promedio a la que se ioniza el dopante. Es importante que caracterice cualquier timbre electrónico en la configuración de su microscopio.

El timbre puede dar lugar a artefactos de señal y debe eliminarse. Además, tenga en cuenta que la eliminación del timbre mediante la extensión de la longitud del pulso da como resultado una pérdida de resolución de tiempo y deberá optimizarse. Si bien hemos demostrado la microscopía de efecto túnel de barrido resuelta en el tiempo para estudiar dopantes en silicio, estas técnicas se pueden aplicar a muchos otros sistemas físicos.

La principal ventaja de estas técnicas es que no es necesario integrar ningún sistema óptico con el microscopio. No olvide que trabajar con criógenos y altos voltajes puede ser peligroso. Garantice siempre un entorno de trabajo seguro y siga el protocolo de seguridad adecuado al configurar y utilizar su microscopio.