Sonde à balayage spectroscopie de capacité unique électron

L'objectif général de l'expérience suivante est d'observer et de résoudre spatialement la charge et la décharge d'électrons individuels dans des systèmes conducteurs à l'échelle nanométrique situés sous des surfaces non conductrices. Cela est réalisé en plaçant l'échantillon sur un microscope à sonde locale cryogénique afin d'atteindre des températures basses et des niveaux de bruit faibles, permettant ainsi l'observation du comportement d'électrons individuels. Dans une deuxième étape, utiliser le microscope en mode microscope à effet tunnel pour approcher la pointe à environ un nanomètre de la surface supérieure de l'échantillon, ce qui positionne la pointe dans un emplacement approprié pour effectuer les mesures de capacité.

Ensuite, utilisez le microscope en mode capacité en exploitant un circuit de détection de charge extrêmement sensible pour détecter la charge d'image induite sur la pointe par le mouvement des électrons dans le système sous-jacent. Cela permet de déterminer la structure électronique du système quantique sous-jacent. Les résultats obtenus montrent des électrons individuels qui tunnelisent vers ou depuis des systèmes sous-jacents de taille nanométrique.

Les pics et les courbes de capacité en fonction de la tension indiquent les énergies d'ajout des électrons. Dans le système quantique, les dispositifs semiconducteurs deviennent de plus en plus petits. Le dispositif le plus petit possible est un seul atome ou un atome d'impureté.

De nombreux dispositifs proposés impliquent un petit nombre de points quantiques en interaction. Notre méthode permet de résoudre la structure électronique fondamentale de ces systèmes minuscules. Cette méthode peut fournir des informations sur la structure électronique d'échantillons situés sous la surface, de docents et d'échantillons semi-conducteurs au cœur du dispositif.

Il s'agit d'une méthode de mesure de la capacitance, qui peut être étendue à diverses mesures locales à basse température, telles que les propriétés diélectriques de surface et la cartographie de la fonction de travail. Ces expériences sont réalisées à l'aide d'un microscope à sonde locale compatible avec la cryogénie et de son électronique associée. En plus des câbles coaxiaux destinés à la polarisation, à la tension et au courant de tunnel, assurez-vous que deux câbles coaxiaux supplémentaires ainsi qu'un fil de masse relient le bâti électronique à la zone de la pointe du microscope.

Elles serviront à transmettre les signaux destinés à l'amplificateur cryogénique. Ensuite, commencez l'assemblage du circuit de l'amplificateur cryogénique basé sur le transistor à haute mobilité électronique hemp. Utilisez un stylet pour cliver une puce d'environ un centimètre sur un centimètre à partir d'une plaquette d'arséniure de gallium.

Ensuite, utiliser le dépôt pour former plusieurs pastilles d'or d'environ un millimètre sur un millimètre à la surface. Préparez maintenant une pointe fine à partir d'un fil de métal noble ici. Des pinces diagonales sont utilisées pour couper un fil de platine-iridium 80 20 à l'aide d'une colle époxy compatible avec les températures cryogéniques.

Fixer un fil en or sur chaque pastille en or de la puce en arsénite de gallium. Des fils supplémentaires ont été ajoutés sur cette puce. Ils peuvent être facilement retirés s'ils ne sont pas nécessaires à ce stade ; prenez des précautions pour éviter d'introduire des charges parasites.

Lorsque vous travaillez avec l'époxy de chanvre, appliquez la résistance de polarisation, la pointe et le chanvre sur la puce de fusion en arséniure de gallium. Une fois que l'époxy est complètement polymérisé, utilisez un lieur de fils chargé avec du fil d'or pour relier les éléments source, drain et grille du chanvre à des plots d'or distincts de la puce. Placez temporairement des fils reliant la grille aux plots de source ou de drain afin de s'assurer que la grille ne se charge pas par rapport au canal source-drain.

Pour fixer la puce de montage sur le microscope, commencez par relier à la masse les fils coaxiaux du microscope auxquels seront soudés les fils provenant de la puce. Ensuite, fixez la puce de montage sur le dessus du tube piézo-scannant. Utilisez de l'étain à l'indium pour relier les fils en or présents sur la puce aux fils coaxiaux appropriés.

Après le test, l'intégrité du support en chanvre monte l'échantillon. Cet échantillon est fixé sur des rampes de type baka qui lui permettent de se déplacer entrant et sortant en réponse aux tensions appliquées aux tubes piézoélectriques porteurs. Avec le microscope et le mode STM, déplacez l'échantillon à portée afin de garantir que l'échantillon et la pointe peuvent s'approcher correctement.

Après un test réussi, éloignez l'échantillon au-delà de la portée pour protéger la pointe pendant la manipulation du microscope. Pour préparer le fonctionnement à basse température, transférez le microscope de la paillasse du laboratoire vers le cryostat. Le cryostat doit être capable d'atteindre la température de base souhaitée du microscope, soit 4,2 kelvin ou moins.

Après avoir fait le vide dans le microscope jusqu'à atteindre quelques micro-torr, abaissez d'un ou deux pouces le microscope dans le cryostat et attendez que la température s'équilibre. Cela peut prendre jusqu'à plusieurs dizaines de minutes. Répétez l'abaissement par paliers d'un ou deux pouces jusqu'à ce que le microscope soit en position.

Le processus complet d'immersion peut prendre près d'une journée. Il faut ensuite laisser le microscope atteindre l'équilibre thermique. Enfin, isolez l'ensemble cryostat-microscope des vibrations.

Un système de suspension constitué d'un cordon élastique fixé au cryostat est utilisé dans cette expérience. Utilisez le système de suspension pour soulever l'ensemble de quelques pouces au-dessus du sol et le maintenir à cette hauteur. Surveillez la hauteur afin de détecter si le cryostat s'enfonce et nécessite une nouvelle suspension.

Après avoir effectué les balayages STM, commencez les mesures en mode capacité en désactivant la boucle de rétroaction du contrôleur STM avec la pointe rétractée. Déplacez latéralement la pointe d'une dizaine de nanomètres par rapport à sa position STM, vers une zone de l'échantillon qui n'a pas été récemment balayée. Pour modifier la configuration de câblage en vue du mode capacité, commencez par protéger les amplificateurs en reliant à la masse tous les câbles coaxiaux.

La terminaison des câbles avec des connecteurs en T permet de maintenir la mise à la masse des câbles pendant que d'autres connexions sont effectuées. Ensuite, reliez les câbles coaxiaux aux sources de tension et aux résistances appropriées, au dispositif de verrouillage et à l'amplificateur ainsi qu'au générateur de fonctions. Réglez toutes les sources de tension à zéro, puis mettez-les sous tension.

Déconnectez la mise à la terre des câbles coaxiaux en prenant soin de déconnecter la mise à la terre du fil de grille. Enfin, pour protéger le chanvre, augmentez les sources de tension aux niveaux souhaités. Réglez le chanvre et verrouillez un amplificateur pour un rendement optimal.

Ensuite, attendez que le chanvre se stabilise. À ce stade, il est possible d'effectuer des analyses par balayage, des images d'accumulation de charge et une spectroscopie de capacité-tension. Voici un exemple d'image d'accumulation de charge.

L'échantillon était constitué de silicium dopé avec des accepteurs de bore, ayant une densité surfacique de 1,7 fois 10 à la puissance 15 par mètre carré, dans une couche de dopage delta située à 15 nanomètres sous la surface, à 4,2 kelvins. Comme l'indique l'échelle, les couleurs plus claires indiquent une charge accrue. Les taches lumineuses sont interprétées comme marquant l'emplacement d'atomes individuels de bore situés sous la surface.

Le point bleu indique un point lumineux particulier où une spectroscopie C en fonction de V a été réalisée. Le pic le plus élevé dans les données de C en fonction de V est interprété comme provenant de la charge pénétrant la zone directement sous la pointe. Les pics voisins sont dus à des points proches. Leurs centres sont décalés et leurs amplitudes réduites par rapport au pic principal.

En raison de l'augmentation de la distance entre les broches DO. Les pics sont élargis le long de l'axe de tension par des effets pris en compte dans le modèle qui a été élaboré, comme l'indique l'accord entre la courbe du modèle et les données. Les données spectroscopiques C en fonction de V présentées ici concernent un dopage delta en arséniure de gallium avec une couche de donneurs en silicium ayant une densité surfacique de 1,25 × 10¹⁶ par mètre carré, située à 60 nanomètres sous la surface à 300 millikelvins.

On observe également une série de pics de charge, dont la plupart correspondent à des groupes comportant de nombreux électrons entrant et quittant la structure ; un pic unique d'électron est indiqué par la flèche rouge. Les données situées à droite proviennent de mesures répétées du pic indiqué par la flèche rouge sur le graphique de gauche. Lorsque les données sont moyennées, un ajustement est effectué et représenté ici en vert.

Cette courbe d'ajustement est conforme à la forme attendue pour un pic d'électron unique dans les conditions expérimentales. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre les aspects pratiques de la réalisation de mesures de capacité par balayage d'électrons uniques lors de l'exécution de cette procédure. Il est important de ne pas endommager le composant sensible en prenant des mesures préventives pour éviter l'accumulation d'électricité statique entre la grille et le canal drain-source.