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 uniques dans des systèmes conducteurs à l’échelle nanométrique situés sous des surfaces non conductrices. Ceci est réalisé en chargeant l’échantillon sur un microscope à sonde à balayage cryogénique pour obtenir de basses températures et de faibles niveaux de bruit, permettant l’observation du comportement d’un seul électron. Dans un deuxième temps, utilisez le microscope en mode microscopie à effet tunnel pour amener la pointe à environ un nanomètre de la surface supérieure de l’échantillon, ce qui positionne la pointe dans un endroit approprié pour effectuer les mesures de capacité.

Ensuite, utilisez le microscope en mode capacitance en utilisant le circuit de détection de charge extrêmement sensible pour détecter la charge d’image induite sur la pointe par le mouvement des électrons au niveau du système souterrain. Cela permet de déterminer la structure électronique du système quantique souterrain. On obtient des résultats qui montrent que des électrons individuels s’écoulent à l’intérieur et à l’extérieur de systèmes souterrains à l’échelle nanométrique.

Les crêtes et les courbes de capacité en fonction de la tension marquent les énergies d’addition des électrons. Dans le système quantique, les dispositifs à semi-conducteurs sont de plus en plus petits. Le plus petit dispositif possible est un atome unique ou un atome d’impureté.

De nombreux dispositifs proposés impliquent un petit nombre de points en interaction. Notre méthode peut résoudre la structure électronique de base de ces systèmes minuscules. Cette méthode peut donner un aperçu de la structure électronique des échantillons souterrains, des guides et des échantillons semi-conducteurs qui en sont le cœur.

Il s’agit d’une méthode de capacité, qui peut être étendue à une variété de mesures locales à basse température telles que les propriétés diélectriques de surface et la cartographie de la fonction de travail. Ces expériences sont réalisées sur un microscope à sonde à balayage cryogénique avec son électronique associée. En plus des fils coaxiaux pour la polarisation, la tension et le courant tunnel, assurez-vous qu’au moins deux fils coaxiaux supplémentaires et un fil de terre s’étendent du rack électronique à la zone de la pointe du microscope.

Ceux-ci seront utilisés pour transporter des signaux pour l’amplificateur cryogénique. Ensuite, commencez l’assemblage du circuit d’amplification cryogénique basé sur le chanvre à transistor à haute mobilité électronique. Utilisez une puce pour fendre un éclat d’environ un centimètre sur un centimètre d’une plaquette d’arséniure de gallium.

Ensuite, utilisez le dépôt pour former plusieurs pastilles d’or d’environ un millimètre sur un millimètre sur la surface. Maintenant, préparez une pointe pointue à partir d’un fil métallique noble ici. Les coupeuses diagonales sont utilisées pour couper un fil de platine et d’iridium 80 20 à l’aide d’époxy compatible cryogénique.

Fixez un fil d’or à chacune des pastilles d’or sur la puce d’arsonite 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 frais perdus.

Lorsque vous travaillez avec l’époxy de chanvre, la résistance de polarisation, la pointe et le chanvre sur la puce de fusion d’arséniure de gallium. Une fois que l’époxy a durci correctement, utilisez une soudeuse de fil chargée de fil d’or pour lier le drain source et les éléments de porte du chanvre pour séparer les tampons d’or de la liaison de puce. Des fils temporaires reliant la vanne et la source ou les coussinets de drainage pour s’assurer que la vanne ne se charge pas par rapport au canal de drainage source.

Pour fixer la puce de montage au microscope, mettez d’abord à la terre les fils coaxiaux du microscope auxquels les fils de la puce seront soudés. Fixez ensuite la puce de montage au sommet du tube de pizzo de balayage. Utilisez de la soudure à l’indium pour connecter les fils d’or de la puce aux fils coaxiaux appropriés.

Après le test, l’intégrité du chanvre monte l’échantillon. Cet échantillon est monté sur des rampes de style baka qui lui permettent d’entrer et de sortir en réponse aux tensions appliquées aux tubes piézoélectriques de support. Avec le microscope et le mode STM, déplacez l’échantillon dans la portée pour vous assurer que l’échantillon et la pointe peuvent s’approcher l’un de l’autre avec succès.

Une fois le test réussi, éloignez l’échantillon de la portée pour protéger la pointe lors de la manipulation du microscope. Pour vous préparer à un fonctionnement à basse température, transférez le microscope de la paillasse de laboratoire au cryostat. Le cryostat doit être capable d’atteindre la température de base souhaitée du microscope : 4,2 kelvins ou moins.

Après avoir pompé le microscope à un vide de quelques microtours, abaissez un pouce ou deux du microscope dans le cryostat et attendez que la température s’équilibre. Cela peut prendre jusqu’à des dizaines de minutes. Répétez l’abaissement d’un pouce ou deux à la fois jusqu’à ce que le microscope soit en place.

Le processus d’immersion complet peut prendre près d’une journée. Le microscope doit ensuite être laissé à l’équilibre thermique. Enfin, isolez l’ensemble cryostat et microscope des vibrations.

Un système de suspension à cordon élastique attaché au cryostat est utilisé dans cette expérience. Utilisez le système de suspension pour soulever l’ensemble à quelques centimètres du sol et le maintenir à cette hauteur. Surveillez la hauteur pour savoir si le cryostat coule et doit être suspendu.

Après avoir effectué des balayages STM, démarrez les mesures en mode capacitance en désactivant la boucle de rétroaction dans le contrôleur STM avec la pointe rétractée. Quelques dizaines de nanomètres de sa position STM décalent la position latérale de la pointe vers une zone de l’échantillon, qui n’a pas été récemment scannée. Pour passer la configuration du câblage en mode capacitance, protégez d’abord les chanvres en mettant à la terre tous les fils coaxiaux.

La terminaison des fils avec des connecteurs en T permet aux fils de rester mis à la terre pendant que d’autres connexions sont effectuées. Ensuite, connectez les fils coaxiaux aux sources de tension et aux résistances pertinentes, au verrou et à l’amplificateur et au générateur de fonctions. Réglez toutes les sources de tension à zéro et allumez-les.

Déterrez les fils coaxiaux en prenant soin de déterrer le fil de la grille. Enfin, pour protéger le chanvre, augmentez les sources de tension aux niveaux souhaités. Ajustez le chanvre et verrouillez un amplificateur pour des performances optimales.

Attendez ensuite que le chanvre se stabilise. À ce stade, il est possible d’effectuer un balayage, une imagerie d’accumulation de charge et une spectroscopie de tension de capacité. Voici un exemple d’image d’accumulation de charges.

L’échantillon a été dopé au silicone avec des accepteurs de bore d’une densité aérienne de 1,7 fois 10 à 15e par mètre carré dans une couche de dope delta à 15 nanomètres sous la surface à 4,2 kelvin. Comme l’indique l’échelle, les couleurs plus vives indiquent une charge accrue. Les points lumineux sont interprétés comme marquant l’emplacement d’atomes de bore individuels sous la surface.

Le point bleu indique un point lumineux particulier où la spectroscopie point C par rapport à V a été effectuée. Le pic le plus élevé dans les données C par rapport à V est interprété comme étant dû à la charge entrant dans le doin directement en dessous de la pointe. Les pics à proximité sont dus à des points à proximité. Leurs centres sont décalés en amplitudes diminuées par rapport au pic principal.

En raison de l’augmentation de la distance des 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 développé, comme l’indique l’accord de la courbe du modèle avec les données. Les données de spectroscopie C en fonction de V présentées ici concernent l’arséniure de gallium delta dope avec une couche de donneurs de silicone de densité aérienne, 1,25 fois 10 puissance 16 par mètre carré, situé à 60 nanomètres sous la surface à 300 millikelvins.

Il montre également une série de pics de charge, dont la plupart sont cohérents avec des groupes de nombreux électrons entrant et sortant de l’eau. Les données de droite proviennent de mesures répétées du pic indiqué par la flèche rouge sur le graphique de gauche. Lorsque la moyenne des données est calculée, un ajustement est effectué et indiqué ici en vert.

Cette courbe d’ajustement est cohérente avec la forme attendue pour un pic d’électron unique dans les conditions expérimentales. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension des aspects pratiques de l’exécution de mesures de capacité d’électrons uniques à balayage lors de la tentative de cette procédure. Il est important de se rappeler d’éviter de détruire le chanvre sensible en prenant des mesures de précaution pour éviter l’accumulation d’électricité statique entre la vanne et le canal de drainage de la source.