Entièrement électronique résolue en nanosecondes Tunneling microscope à balayage : Faciliter l’Investigation de la dynamique de Charge unique de Dopant

L’objectif global de la microscopie à effet tunnel à balayage électronique résolue dans le temps est d’étudier les processus dynamiques qui se produisent à l’échelle atomique. Dans ces expériences, la dynamique chargée des dopants dans le silicium est étudiée. Ces méthodes peuvent être utilisées pour étudier des phénomènes intéressants dans le domaine de la nanotechnologie et de la physique, tels que la vitesse à laquelle les dopants des semi-conducteurs sont alimentés en électrons ou comment les courants à effet tunnel peuvent être utilisés pour entraîner la résonance magnétique d’atomes individuels.

Le principal avantage de ces techniques est qu’il est possible d’étudier la dynamique rapide sans qu’il soit nécessaire d’intégrer l’optique dans la jonction à effet tunnel. Ces techniques ne se limitent pas aux microscopes à effet tunnel à basse température ou à ultra-vide poussé. Pour commencer, refroidissez le microscope à effet tunnel capable d’ultra-vide à des températures cryogéniques.

Assurez-vous que la pointe du microscope est équipée d’un câblage haute fréquence capable d’environ 500 mégahertz. Ensuite, connectez un générateur de fonctions arbitraires avec au moins deux canaux à la pointe. Préparez les cycles des paires d’impulsions de tension utilisées pour les expériences pompe-sonde en configurant le générateur de fonctions arbitraires de sorte que les impulsions de tension de la pompe et de la sonde soient générées indépendamment et additionnées avant d’être introduites dans la pointe.

Ensuite, appliquez à l’échantillon la tension de polarisation CC utilisée pour l’imagerie en spectroscopie conventionnelle. Ensuite, connectez deux commutateurs de fréquence radio aux canaux de sortie du générateur de fonctions arbitraires. Configurez les commutateurs de manière à ce que l’embout soit mis à la terre pendant le balayage, l’effet tunnel, l’imagerie et la spectroscopie conventionnelle.

Collecter le courant tunnel pour toutes les mesures grâce à un préamplificateur connecté à l’échantillon. À l’aide d’un traceur en carbure de silicium, grattez le dos d’une plaquette de silicium. Ensuite, utilisez une paire de lames de microscope en verre pour détacher doucement l’échantillon de la plaquette.

Assurez-vous d’utiliser une pince à épiler en céramique pour manipuler les cristaux de silicium. Fixez l’échantillon sur un support de microscope à effet tunnel. Une fois fixé dans le support, introduisez-le dans la chambre à ultra-vide poussé.

Ensuite, dégazez l’échantillon en le chauffant résistivement à 600 degrés Celsius et en le maintenant à cette température pendant au moins six heures dans l’ultravide. Une fois l’échantillon refroidi, utilisez la même chambre pour dégazer un filament de tungstène en chauffant résistivement le filament à 1 800 degrés Celsius et en attendant que le système revienne à la pression de base. Ensuite, retirez l’oxyde de la surface de l’échantillon en faisant clignoter l’échantillon à 900 degrés Celsius et en le maintenant à cette température pendant 10 secondes avant de le refroidir à température ambiante.

Faites clignoter progressivement l’échantillon à des températures plus élevées tout en essayant d’atteindre un flash final de 1 250 degrés Celsius. Laissez l’échantillon refroidir à température ambiante après chaque flash. Pour s’assurer que l’échantillon reste propre, l’interruption clignote lorsque la pression dépasse neuf fois 10 jusqu’à moins 10 Torr.

Ensuite, laissez échapper de l’hydrogène gazeux dans la chambre à une pression de un fois 10 puissance moins six Torr et chauffez le filament de tungstène à 1 800 degrés Celsius. Cela permettra de craquer le gaz en hydrogène atomique. Maintenez l’échantillon dans ces conditions pendant deux minutes avant de le ramener à 1 250 degrés Celsius.

Après cinq secondes à 1 250 degrés Celsius, refroidissez-le à 330 degrés Celsius. Maintenez la température à 330 degrés Celsius pendant une minute, puis fermez simultanément la soupape de fuite d’hydrogène et éteignez le filament de tungstène. Laissez l’échantillon refroidir à température ambiante.

Enfin, approchez-vous de la pointe à échantillonner en engageant le contrôleur de retour de courant avec une polarisation d’échantillonnage de moins 1,8 volts, le point de consigne actuel de 50 picoampères et en utilisant la fonction d’approche automatique du logiciel de contrôle. Prenez des balayages de surface de l’ordre de 50 par 50 nanomètres pour vérifier la qualité de la surface. Il devrait y avoir de grandes terrasses séparées par des pas d’un seul atome dans un taux de défaut inférieur à 1 %Les rangées de dimères de la reconstruction du silicium un zéro zéro deux par un devraient être clairement résolues.

Les liaisons pendantes apparaissent sous forme de protubérances brillantes dans les images d’état de champ. Recherchez une zone sur la surface de l’échantillon exempte de défauts de surface importants en prenant des balayages de grandes surfaces de 50 nanomètres sur 50 nanomètres. Pour caractériser la résonance électronique, positionnez la pointe sur un atome d’hydrogène à la surface.

Étant donné que chaque atome de silicium de surface est terminé par un atome d’hydrogène, cela équivaut à positionner la pointe sur les rangées de dimères à la surface. Éteignez le contrôleur de retour de courant, puis réglez la tension CC à moins 1,0 volts, puis la tension de la pompe à moins 0,5 volts, la tension de la sonde à moins 0,5 volts, la largeur des impulsions de la pompe et de la sonde à 200 nanosecondes et le temps de montée et de descente des impulsions à 2,5 nanosecondes. Ensuite, envoyez une série de trains d’impulsions de pompe et de sonde où le retard relatif de la pompe et de la sonde est balayé de moins 900 nanosecondes à 900 nanosecondes.

La résonance se manifeste par des oscillations de plus petite amplitude dans le courant à effet tunnel des deux côtés de l’origine. En augmentant les temps de montée sur les impulsions de 2,5 nanosecondes à 25 nanosecondes, une forte suppression de la résonance est observée. Éliminez les bourdonnements en augmentant les temps de montée et de descente des impulsions pour obtenir les résultats spectroscopiques les plus précis.

Cependant, sachez que l’augmentation de la largeur de l’impulsion diminuera la résolution. Positionnez l’extrémité sur une liaison pendante en silicium qui apparaît comme des protubérances brillantes à des biais d’échantillon de pointe négatifs. Éteignez le contrôleur de retour de courant et envoyez un train composé uniquement de l’impulsion de la sonde utilisée comme signal de référence avec un taux de répétition de 25 kilohertz.

Sur une série de trains d’impulsions, balayez la polarisation de l’impulsion de la sonde sur une plage de 500 millivolts à partir de la polarisation CC de moins 1,8 volts. Chaque impulsion doit avoir un biais différent. Cette étape est équivalente à la spectroscopie IV standard, mais avec un rapport cyclique réduit.

Assurez-vous que la largeur des impulsions est suffisamment longue pour obtenir un rapport signal/bruit d’au moins 10. Envoyer un train composé d’impulsions de pompe réglées à une polarisation fixe de sorte que la tension continue ajoutée à la tension de pompe soit supérieure à la tension de seuil avec un taux de répétition de 25 kilohertz. Ensuite, envoyez un train composé des impulsions de la pompe avec les impulsions de la sonde suivies d’un retard de 10 nanosecondes.

Comparez la sonde uniquement dans la pompe et les signaux de la sonde en les traçant sur le même graphique. Toute hystérésis dans de petits signaux est une indication de la dynamique qui peut être sondée avec des techniques STM résolues en temps. Pour mesurer la dynamique de relaxation, placez la pointe du microscope sur une liaison pendante en silicium et éteignez le contrôleur de rétroaction de courant.

Ensuite, envoyez un train composé d’impulsions de pompe réglées à un biais fixe de telle sorte que la tension continue ajoutée à la tension de pompe soit supérieure à la tension de seuil avec un taux de répétition de 25 kilohertz. Ensuite, envoyez un autre train d’impulsions de pompe et de sonde. Assurez-vous que les impulsions de la sonde ont une amplitude inférieure à celle des pompes et comparable à la plage à laquelle l’hystérésis se produit.

Enfin, balayez le délai entre la pompe et l’impulsion de la sonde jusqu’à plusieurs dizaines de microsecondes. Pour déterminer la dynamique d’excitation, envoyez à nouveau un train composé d’impulsions de pompe de sorte que la tension continue ajoutée à la tension de la pompe soit supérieure à la tension de seuil avec un taux de répétition de 25 kilohertz. Balayez la durée de l’impulsion de la pompe de quelques nanosecondes à plusieurs centaines de nanosecondes.

Ensuite, envoyez un train d’impulsions de pompe et de sonde. Les impulsions de la sonde doivent avoir une amplitude inférieure à celle des pompes et comparable à la plage à laquelle l’hystérésis se produit. En utilisant la microscopie à effet tunnel conventionnelle, les liaisons pendantes en silicium se produisent sous forme de protubérances lumineuses dans les images d’état de champ, biais d’échantillonnage négatif.

Dans certains cas, ils présentent un changement brusque de la conductance à moins deux volts. Pour cette liaison pendante spécifique, des images prises à moins 2,1 volts, moins deux volts et moins 1,8 volts le montrent également. Dans ces mesures résolues en temps, une impulsion-pompe amène transitoirement le système au-dessus du seuil de tension et, immédiatement après une impulsion de sonde, interroge la conductance de l’état transitoire.

Pour maximiser la visibilité de l’hystérésis, la durée de l’impulsion de la sonde doit être plus courte que le taux de relaxation de l’état conduit élevé. Lors de la mesure de la dynamique de relaxation dopante, les séquences d’impulsions varient en retard entre la pompe et la sonde. Une seule décroissance exponentielle est extraite qui s’installe à un décalage fixe avec le temps.

Pour les temps d’excitation, la largeur de tension de la pompe à séquence d’impulsions est modifiée. En balayant la largeur de la pompe, le taux moyen d’ionisation du dopant est cartographié. Il est important que vous caractérisiez toute bague électronique dans la configuration de votre microscope.

La sonnerie peut entraîner des artefacts de signal et doit être éliminée. Sachez également que l’élimination de la résonance en allongeant la longueur d’impulsion entraîne une perte de résolution temporelle et devra être optimisée. Bien que nous ayons démontré que la microscopie à effet tunnel à balayage résolu dans le temps permet d’étudier les dopants dans le silicium, ces techniques peuvent être appliquées à de nombreux autres systèmes physiques.

Le principal avantage de ces techniques est qu’il n’est pas nécessaire d’intégrer des systèmes optiques à votre microscope. N’oubliez pas que travailler avec des cryogènes et des tensions élevées peut être dangereux. Assurez-vous toujours d’un environnement de travail sûr et suivez le protocole de sécurité approprié lors de l’installation et de l’utilisation de votre microscope.