מאמר שיטה

כל-אלקטרונית ננו-נפתרה סריקה מינהור מיקרוסקופיה: הקלת החקירה של דינמיקה תשלום יחיד Dopant

DOI:

10.3791/56861

⸱

19 בינואר 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, University of Alberta, 2National Institute for Nanotechnology, National Research Council of Canada, Edmonton, 3Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, 4Max Planck Institute for Solid State Research, 5Department of Physics and Astronomy, University of Manitoba, 6Joint Attosecond Science Laboratory, University of Ottawa

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

נדגים שיטה כל-אלקטרונית להתבונן תשלום ננו-נפתרה הדינמיקה של dopant אטומי סיליקון עם מיקרוסקופ מינהור סריקה.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המזעור של התקני מוליכים למחצה כדי קני המידה שבה מספר קטן של dopants יכול לשלוט מאפייני התקן דורש פיתוח טכניקות חדשות מסוגל אפיון הדינמיקה שלהם. חוקרים dopants יחיד מחייב רזולוציה מרחבית תת ננומטר, המפעילה את השימוש מינהור מיקרוסקופ מנהור סורק. עם זאת, קונבנציונאלי STM מוגבל רזולוציה טמפורלית אלפיות השנייה. פותחו מספר שיטות להתגבר על זה חסרון, כולל STM זמן לפתור כל-אלקטרונית, אשר משמש במחקר זה לבחון את הדינמיקה dopant של סיליקון עם רזולוציה ננו. השיטות המובאות כאן נגישים נרחב ולאפשר מקומי מידה של מגוון רחב של דינמיקה את המשקל האטומי. רומן זמן לפתור סריקה שיטה ספקטרוסקופית מנהור הציג ואין להשתמש בו כדי לחפש ביעילות דינמיקה.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מיקרוסקופ מנהור סורק הפך הכלי בהננו את יכולתו לפתור אטומי בקנה מידה טופוגרפיה ומבנה אלקטרונית. מגבלה אחת של STM קונבנציונאלי, עם זאת, הוא שלה ברזולוציה הטמפורלית הוא מוגבל ציר הזמן של מילי-שניות בגלל רוחב פס מוגבל של מגבר קדם הנוכחי1. עבר זמן רב מאז מטרה להרחיב רזולוציה טמפורלית של STM הכף שעליו בתהליכים אטומיים להתרחש בדרך כלל. חלוצי לעבוד זמן לפתור סריקה מינהור מיקרוסקופית TR-מאת פרימן. et. al. 1 מנוצל קווי תמסורת microstrip בדוגמת על הדגימה להעברת פולסים מתח בעשירית לצומת המנהרה ובוררים photoconductive. טכניקה זו ללישת צומת שימש כדי להשיג החלטות סימולטני של 1 ננומטר ו 20 ps2, אבל זה אף פעם לא אומצה באופן נרחב עקב הדרישה של שימוש מבנים מיוחדים דגימה. למרבה המזל, התובנה הבסיסית צבר מעבודות אלה ניתן להכליל על טכניקות זמן לפתור רבות; אף-על-פי רוחב הפס של המעגלים של ה-STM מוגבל במספר קילוהרץ, תגובת I(V) שאינו ליניארי ב- STM מאפשר דינמיקה מהירה יותר פתור על ידי מדידת הנוכחי המנהרה הממוצע על מחזורים משאבת-בדיקה רבים. לאחר שנים אלו גישות רבות נחקרו, הפופולרי ביותר אשר נבדקות בקצרה להלן.

STM (SPPX) מנוער-דופק-זוג-מתרגש מנצל החידושים בטכנולוגיות לייזר פעמו מרביים החלטה בעשירית משנה על ידי מאיר ישירות לצומת המנהרה ומעניינים נשאים של מדגם3. אור לייזר האירוע יוצר לחברות חינם transiently לשפר הולכה, ומאפשר אפנון של עיכוב בין המשאבה בדיקה (td) dאני/dtd למדוד עם מגבר הנעילה. בגלל העיכוב בין המשאבה בדיקה הוא מווסת במקום האינטנסיביות של הלייזר, כמו גישות אופטי רבות אחרות, SPPX-STM מונע צילום תאורה-induced הרחבה תרמי של עצה3. הרחבות יותר של גישה זו הרחיבו את צירי הזמן שבו SPPX-STM יכול לשמש כדי לחקור dynamics באמצעות חיטוט הדופק טכניקות כדי להגדיל את הטווח של משאבת-בדיקה עיכוב כפול4. חשוב, זו התפתחות מספק גם את היכולת למדוד עקומות אני(td) ישירות ולא דרך שיטות נומריות. היישומים האחרונים של SPPX-STM כללו את חקר נושא רקומבינציה יחיד-(Mn, Fe)/GaAs(110) מבנים dynamics5 ו התורם GaAs6. יישומים של SPPX-STM להתמודד עם הגבלות מסוימות. האות ש-SPPX-STM מודד תלוי נרגש הפולסים אופטי חינם נשאים, והוא מותאם מוליכים למחצה. בנוסף, למרות מינהור הנוכחי הוא מקומי עד הקצה, כי שטח גדול נרגש הפולסים אופטי, האות היא קונבולוציה של מאפיינים מקומיים, תחבורה גשמי. לבסוף, הטיה בצומת קבוע על ציר הזמן מדידה כך הדינמיקה שנבחנה חייב להיות photoinduced.

טכניקה אופטי עדכני יותר, טרה-הרץ STM (THz-STM), זוגות מקום פנוי THz פולסים התמקדו לצומת לקצה ה-STM. שלא כמו ב SPPX-STM, הפולסים בשילוב מתנהג כמו פולסים מתח מהיר המאפשר חקירת excitations מונחה אלקטרונית עם רזולוציה בעשירית משנה7. מעניין, הזרם לתקן להפיק של הפולסים THz תוצאות בצפיפויות קיצוניות השיא הנוכחי לא נגיש על ידי ה-STM קונבנציונאלי8,9. הטכניקה שימש לאחרונה ללמוד אלקטרונים חם Si(111)-(7x7)9 ואף תמונה את הרטט של מולקולה יחידה pentacene10. פולסים THz הזוג באופן טבעי עד הקצה, עם זאת, הצורך לשלב מקור THz לניסוי STM צפוי להיות מאתגר ניסויים רבים. זה מניע את התפתחות טכניקות אחרות החלים נרחב, implementable בקלות.

בשנת 2010 לנבול בסופו של דבר. et al. 11 פיתח טכניקה כל-אלקטרונית משאבה ואיפה לחקור את המערכת11הננו מתח פולסים מוחל על היסט DC באופן אלקטרוני. המבוא של טכניקה זו מוצעים הפגנה קריטי של יישומים ברורה וחד משמעית ומעשי של STM זמן לפתור כדי למדוד את הפיזיקה בעבר unobserved. למרות שהוא לא מהיר כמו צומת ערבוב STM, אשר שקדם לו, החלת מיקרוגל בפולסים עד הקצה ה-STM היתרי דגימות שרירותי להיחקר. טכניקה זו אינה דורשת כל מסובך מתודולוגיות אופטי או גישה אופטי של הצומת STM. זה הופך את הטכניקה הכי קל להסתגל טמפרטורה נמוכה STMs. ההפגנה הראשונה של טכניקות אלה הוחל במחקר של ספין-דינמיקה איפה STM מקוטב-ספין שימש כדי למדוד את הדינמיקה הרפיה של ספין-הברית נרגש על-ידי פולסים משאבת ה11. עד לאחרונה, היישום שלה מוגבלת נשארו adatom מגנטי מערכות12,13,14 , אבל יש מאז הוארך במחקר של קצב הלכידה המוביל מפרצה אמצע דיסקרטית המדינה15 ולחייב דינמיקה של ארסן יחיד dopants סיליקון15,16. המחקר האחרון הוא המוקד של עבודה זו.

מחקרים על המאפיינים של dopants יחיד בתחום המוליכים למחצה לאחרונה משכו תשומת לב משמעותית בגלל משלימים תחמוצת מתכת מוליכים למחצה (CMOS) התקנים נכנסים למשטר שבו dopants יחיד יכול להשפיע על מאפייני התקן17 . בנוסף, מספר מחקרים הראו כי dopants יחיד יכול לשמש כרכיב מהותי של מכשירים עתידיים, למשל כמו qubits עבור חישוב קוונטי18 וקוונטית זיכרון19ו מאטום בודד טרנזיסטורים20 , 15. העתיד התקני רשאים לשלב גם פגמים אטומי בקנה מידה אחרים, כגון סיליקון משתלשלות בונד (DB) אשר יכול להיות בדוגמת עם דיוק אטומית עם ה-STM ליתוגרפיה21. לשם כך, DBs יש כבר הציע כמו qubits תשלום22, נקודות קוונטיות עבור קוונטית האוטומטים התאיים ארכיטקטורות23,24, ו אטומי חוטים25,26 , יש כבר בדוגמת כדי ליצור קוונטית המילטוניאן לוגיקה שערים27 ו28,מולקולות מלאכותי29. . להתקדם, התקני רשאים לשלב dopants יחיד והן DBs. הסיבה לכך היא אסטרטגיית אטרקטיבי DBs הם פגמים משטח זה יכול בקלות להיות מאופיין עם ה-STM ומשמש נקודת אחיזה לאפיון התקנים dopant יחיד. כדוגמה של אסטרטגיה זו, DBs משמשים בעבודה זו תשלום חיישנים להסיק את הדינמיקה טעינה של dopants ליד משטח. הדינמיקות האלה נלכדים עם השימוש של גישה כל-אלקטרונית TR-STM מותאם מן הטכניקות שפותחו על ידי לנבול בסופו של דבר. et al. 11

המדידות מבוצעות ב- DBs שנבחרו על משטח Si(100)-(2x1) מימן הסתיימה. אזור המחסור dopant הרחבת כ 60 ננומטר מתחת לפני השטח, שנוצרו באמצעות טיפול תרמי של קריסטל30, decouples את DB ואת dopants ליד-פני שנותרו כמה מן הלהקות בצובר. ה-STM מחקרים של DBs מצאו כי מוליכות שלהם תלויה פרמטרים מדגם הכללית, כגון הריכוז של dopants, הטמפרטורה, אבל DBs בודדים גם להראות וריאציות חזקה בהתאם שלהם הסביבה המקומית16. במהלך המדידה STM מעל DB יחיד, הזרם הנוכחי נשלטת על ידי הקצב שבו האלקטרונים יכולים מנהרה מן הנפח DB (Γבצובר) ומן את DB לקצה (Γעצה) (איור 1). עם זאת, כי הולכה של DB רגישה לסביבה המקומית שלה, המדינה תשלום של dopants הסמוך השפעות Γבתפזורת (איור 1B), אשר שניתן להסיק על-ידי ניטור מוליכות של DB. כתוצאה מכך, מוליכות של DB יכול לשמש כדי לחוש את מצבי הטעינה של dopants הסמוך, יכול לשמש כדי לקבוע שיעור שבו הן dopants סיפק אלקטרונים מן הנפח (ΓLH) ואת לאבד אותם לקצה ה-STM (ΓHL < / c13 >). כדי לפתור הדינמיקות האלה, TR-STS מתבצע סביב החשמלי הסף (Vחמישי) שבו הטיפ המניע יינון של dopants ליד משטח. תפקידה של משאבת, בדיקה הפולסים הוא זהה בטכניקות שלושה זמן לפתור ניסיוני המוצג כאן. המשאבה transiently מביא את רמת הסטייה מלמטה מעל Vחמישי, אשר גורם dopant יינון. פעולה זו מגדילה את מוליכות של DB, אשר נדגמים על ידי דופק בדיקה העוקב-דעה קדומה נמוכה יותר.

השיטות המתוארות במאמר זה ייהנו אלה המעוניינים לאפיין את הדינמיקה המתרחשים מהפיצוץ לציר הננו עם ה-STM. טכניקות אלה אינם מוגבלים לומד תשלום dynamics, זה חיוני כי הדינמיקה באים לידי ביטוי דרך ארעי לשינויים מוליכות של מדינות שלא פתור על ידי ה-STM (קרי, הברית על או סמוך לפני השטח). אם מוליכות של הברית ארעי אינו שונה משמעותית ממצב של שיווי משקל, כך ההבדל בין הזרמים ארעי ואיזון מוכפל הדופק מחזור חיים בדיקה הוא קטן יותר מאשר הרצפה רעש מערכות (בדרך כלל 1 הרשות הפלסטינית), האות יאבדו על רעש, לא יהיה ניתן לגילוי על ידי שיטה זו. בגלל השינויים ניסיוני של מערכות ה-STM זמינים מסחרית נדרש לבצע את הטכניקות המתוארות במאמר זה צנוע, הוא צפוי שטכניקות אלו יהיו נגישים נרחב לקהילה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. ההגדרה הראשונית של מיקרוסקופ וניסויים

  1. התחילו על קוליים ואקום קריוגני התומך ב- STM ומקושרת תוכנת שליטה. מגניב את ה-STM כדי לטמפרטורות קריוגניות.
    הערה: בכל דו ח זה, אבק על קוליים מתייחס למערכות להשיג < 10 x 10-10 טנדר של גוה של. ה-STM צריך להיות מקורר לטמפרטורות קריוגני; הדבר חשוב במיוחד כאשר חוקרים את הדינמיקה תשלום של dopants, אשר מופעלים תרמית בטמפרטורות צנוע. חללים נוספים עשויים להיות בטמפרטורת החדר.
  2. ודא כי הטיפ STM מצויד עם חיווט בתדירות גבוהה (~ 500 MHz).
    הערה: באמצעות הדופק בעיצוב שיטות, עלייה גדולה זמן התגובה של ה-STM עם חום קריוגני סטנדרטי קואקסיאלי חיווט (~ 20 MHz) דווחה על-ידי לגרוס. et al. 31
  3. חבר של מחולל שרירותי לפחות שני ערוצי לקצה (איור 2), אשר ישמש כדי להכין את מחזורי של מתח דופק זוגות משמש משאבה-בדיקה ניסויים.
  4. להגדיר את הגנרטור פונקציה שרירותיות כך הפולסים מתח משאבת, בדיקה שנוצר באופן עצמאי, לסכם לפני שמאכילים לתוך הקצה.
  5. להחיל את מתח DC הסטייה המשמש ספקטרוסקופיה הדמיה, המקובלת על המדגם (VDC).
  6. לחבר שני מתגים תדר רדיו ערוצי פלט של הגנרטור פונקציה שרירותיות.
  7. להגדיר את מתגי כך העצה מקורקעת במהלך ה-STM הדמיה, המקובלת ספקטרוסקופיה, הטיה יעיל הוא VDC + Vעצה במהלך הניסויים משאבת-בדיקה (איור 4A).
  8. לאסוף את מינהור הנוכחי עבור כל המדידות דרך מגבר קדם מחובר המדגם.

2. הכנה של השחזור H-Si(100)-(2x1)

  1. קליב מדגם של 3-4 mΩ·cm ארסן מסוג n מסטול Si(100) רקיק ידי גירוד בגב כשהפחד עם גם סיליקון קרביד בעדינות מצלם את הדגימה את כשהפחד עם שקופיות מיקרוסקופ זכוכית.
  2. מוספית לדוגמה כדי בעל מדגם STM, להציג אותו תא ואקום על קוליים הסמוך לתא ה-STM.
  3. דגה המדגם על-ידי resistively חימום זה עד 600 מעלות צלזיוס (pyrometer ניתן להשתמש כדי לפקח על הטמפרטורה של המדגם) ממושכת זה בטמפרטורה הזו במשך לפחות 6-אייץ ' בואקום על קוליים.
    הערה: הלחץ בתחילה יקומו בעל מדגם ולדגום דגה, אך אמור לייצב ליד הלחץ הבסיסי (< 10-10 טנדר של גוה של) לאחר מספר שעות.
  4. לאפשר את הדגימה כדי להתקרר לטמפרטורת החדר לפני שתמשיך.
  5. דגה נימה טונגסטן בבית הבליעה אותה כמו הדגימה על ידי חימום נימה עד 1800 ° C resistively ומחכה מערכת לשחזר ללחץ הבסיס. כבה את הסיב לפני שתמשיך.
    הערה: המדגם יכולים להישאר בתא במהלך שלב זה בגלל זה היא passivated על-ידי השכבה תחמוצת מקורית על פני השטח שלו, כל זיהום של המשטח מדגם גרם מהשלב הזה יוסר לאחר מכן. הטמפרטורה של הלהט יצטרך להיות מכויל כדי ספציפי זרם/מתח חלה על חוט הלהט באמצעות pyrometer.
  6. להסיר את תחמוצת מהמשטח לדוגמה על-ידי הדגימה עד 900 ° C ועריכת החזקתה בטמפרטורה הזו עבור 10 s לפני קירור אותו לטמפרטורת החדר. הלחץ יגדל במספר סדרי גודל של הלחץ הבסיס במהלך הליך מהבהבים. לאחר כל אחד של ההבזקים בכל הליך זה, חכו המדגם להתקרר לטמפרטורת החדר ומערכת לשחזר ללחץ הבסיס לפני שתמשיך.
    הערה: מהבהב מוגדר בתוך דוח זה כמו חימום וקירור המדגם במחירים הרמפה גבוהה, גודל 100 ° C/s.
  7. בהדרגה פלאש המדגם שהטמפרטורות תוך ניסיון להגיע הבזק הסופי של 1250 מעלות צלזיוס. בטל כל פלאש שבו הלחץ עולה מעל 9 x 10-10 טנדר של גוה של כדי למנוע את השטח מדגם מקבל נגוע. להקליט את הזרם/המתח כדי להשיג את 1250 ° C פלאש (האור ניתנה הנחה על ידי חוט הלהט מחומם בשלב 2.6 תמנע pyrometer נותן קריאת מדויקים לטמפרטורה של המדגם, ובכך setpoint הזה אמור לשמש). על הפלאש הסופי, לקבוע את הזרם/המתח הדרוש כדי לחמם את הדגימה עד 330 ° C כמו הקריסטל הוא מקורר ולאחר מכן תן את הדגימה להתקרר לטמפרטורת החדר, ולתת את המערכת לשחזר ללחץ הבסיס לפני שתמשיך.
  8. דליפות גז2 H לתוך החדר, בלחץ של 1 x 10-6 טנדר של גוה של וחום נימה טונגסטן כדי 1800 ° C.
    הערה: לזה האפקט של פיצוח ה H2 מימן atmoic32.
  9. להחזיק את הדגימה בתנאים אלו למשך 2 דקות לפני מהבהבים המדגם 1250 מעלות, מחזיק אותו בטמפרטורה הזו עבור 5 s וקירור זה עד 330 ° C.
  10. לאחר 1 דקות של חשיפה ב 330 ° C, בו זמנית סגור את השסתום הדליפה2 H, כבה נימה טונגסטן, ומצננים את הדגימה לטמפרטורת החדר.
    הערה: טמפרטורות גבוהות אלו פלאש משפיע על חלוקת dopants במדגם. חימום עד 1250 מעלות צלזיוס נמצאה לזירוז אזור המחסור ~ 60 dopant ננומטר ליד משטח הדגימה30.
  11. לאמת האיכות של המדגם על ידי לקיחת ה-STM תמונות של פני השטח.
    הערה: דגימות טוב יהיה גדול (> 30 nm x 30 ננומטר) מרפסות עם קצב פגם של < 1% (משתלשלות חוב, מולקולות הספוחה, adatoms, וכו ') יהיה להדגים את קלאסי Si(100)-(2x1) שחזור32, אשר כולל שורות דימר שלרוחב antiparallel אחד לשני הקצוות שלב (איור 3B).

3. הערכת האיכות של הפולסים משאבת-בדיקה בצומת המנהרה

  1. הגישה בקצה ה-STM השטח מדגם ומרבה הבקר משוב הנוכחי של setpoint הנוכחית של הרשות הפלסטינית 50 ודעה קדומה דגימה של ה-אוקראינים -1.8 V.
    הערה: בתנאים אלה, הטיפ מוערך < 1 ננומטר מהמשטח הדגימה. הקצה ה-STM המשמש בעבודה זו הופק על ידי כימית תצריב polycrystalline טונגסטן. זה היה חידד עוד יותר באמצעות חנקן תצריב בהליך, אשר מתוארת היטב ב. Rezeq et al. 33.
  2. חפשו אזור על פני מדגם נטול פגמים משטח גדול על ידי לקיחת סריקות שטח גדול (לדוגמה, 50 ננומטר x 50 ננומטר).
  3. המיקום ה-STM עצה מעל H-סי על פני השטח, אשר מופיעים כשורות דיימר בתמונות STM (איור 3B).
  4. לבטל את הבקר משוב הנוכחי
  5. הגדר את רוחב הפולסים משאבת, בדיקה ל-200 Vבדיקה ל- 0.5 V, Vמשאבה ל- 0.5 V, VDC ל--1.0 V ns, ואת הזמן עלייה/סתיו הפולסים כדי 2.5 ns (איור 4A).
  6. לשלוח סדרה של רכבות של פולסים משאבת, בדיקה לאן נסחפת העיכוב היחסי של המשאבה, בדיקה מ-900 ns ל 900 ns.
  7. להתוות את מינהור הנוכחי כפונקציה של העיכוב בין המשאבה בדיקה. זה סביר תדגים חזקה מצלצל (תנודות ב מינהור הנוכחי כפונקציה של ההשהיה היחסי בין הפולסים משאבת, בדיקה, איור 4B).
    הערה: התוכנה פיתון ולמקור שימשו כדי להתוות, לנתח, להעריך את הנתונים שנאספו עבור כתב יד זה.
  8. חזור על שלבים 3.1 – 3.5, אבל להגדיל את הזמנים עלייה/סתיו הפולסים. צלצול יקטן כפי הפעמים עלייה/סתיו הוגדלה.
    הערה: זה יש רצוי לסלק לצלצל כדי לספק את התוצאות המדויקות ביותר ספקטרוסקופיות, עם זאת, הזמן-הרזולוציה של טכניקות אלה מוגבלת רוחב הפולסים בשימוש. 25 פעמים עלייה ns שימשו לעבודה זו.

4. זמן לפתור סורק ספקטרוסקופיה (TR-STS)

  1. המיקום ה-STM עצה מעל סיליקון DB, אשר מופיעות בליטות בהיר-טיפ-sample שלילי הטיות (איור 3B).
  2. כבה את בקר ה-STM הנוכחי משוב.
  3. שלח שרכבת המורכבת רק דופק בדיקה עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. על סדרה של הדופק רכבות, לטאטא משוא הפנים של הדופק בדיקה על טווח של 500 mV מ- DC משוא הפנים של ה אוקראינים -1.8 V.
    הערה: ניסוי פשוט זה הוא אנלוגי לאופרטור STS קונבנציונלי שבו מוליכות נדגמים על טווח של הטיות.
    1. להגדיר את משך הזמן של הרכבות הדופק (כל אחד עם דעה קדומה שונים) כגון הספקטרום המתקבל יש אות יחס הרעש > 10.
  4. שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כך VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC Vמשאבות, Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V, 500 mV ו--2.0 V, בהתאמה.
    הערה: משאבות פולסים יכול יש המשכים ארוכים באופן שרירותי (1 µs מספיקה בדרך כלל).
  5. שלח רכבת המורכבת הפולסים משאבה עם הפולסים בדיקה ולאחריה עיכוב של 10 ns. בניסויים אלה, הגדר את משרעת של הדופק משאבה 500 mV של מחוג דופק בדיקה מ-50 500 mV.
    הערה: בניסוי זה, דופק בדיקה היא דגימה המדינה שהוכנו על ידי משאבת הדופק, יותר מאשר מצב שיווי משקל שנדגמו ב- STS קונבנציונלי.
    1. להחסיר את האות המתקבל כאשר רק משאבה הדופק היה מוחל בעת הצגת/הערכת האות שנאסף שלב זה.
  6. להשוות את המכשיר רק למשאבה + בדיקה אותות על ידי התוויית אותם באותו תרשים. כל היסטרזיס בין שני אותות הוא אינדיקציה אשר פתור עם טכניקות ה-STM זמן לפתור.
    הערה: על ידי שמירה על טווח הדופק בדיקה קבועה וסריקת גס ה-DC אחד היסט (בשלבים 0.25 V, למשל), ניתן ביעילות למפות את הטווח כולו אנרגיה לדוגמה כדי לזהות dynamics להנגיש הטכניקה. משכים הדופק ניתן לשנות בהתאם הניסוי. רוחב הדופק המשאבה צריכה להיות יותר מאשר הקצב שבו dopant זה מיונן, כזה כי זה בעקביות ionizes את dopant. באופן כללי, משכי זמן בדיקה צריך להיות של אותו סדר כמו תהליך דינמיות שנבחנה, כזה כי ניתן למדוד את האות המרבי ללא דגימה ממוצע של המדינות שתי מוליכות. כאשר מחפשים אנרגיות אילו דיינמיקס קיימים, מומלץ כי המשכים של המכשיר הן מזעריות כך המצב היחיד של המערכת נמדדת לשיפור היסטרזיס. כפי נמצאו הקבועים בזמן רגיעה, ניתן להגדיל את משך דופק בדיקה כדי לשפר את האות לרעש יחס.

5. זמן לפתור STM מדידות של הרפיה דינמיקה

  1. מקמו את הטיפ STM סיליקון DB וכבה את בקר ה-STM הנוכחי משוב.
  2. שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כך VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC Vמשאבות, Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V, 400 mV ו--2.0 V, בהתאמה.
    הערה: משאבות פולסים יכול יש המשכים ארוכים באופן שרירותי (1 µs מספיקה בדרך כלל).
  3. שלח רכבת של פולסים משאבת, בדיקה. להבטיח הפולסים בדיקה יש של משרעת קטן יותר המשאבות מתרחשת להשוות הטווח ב אילו היסטרזיס (Vבדיקה < Vמשאבות, Vבדיקה + VDC≈ Vhystersis).
  4. לטאטא ההשהיה בין הדופק משאבת, בדיקה עד כמה עשרות µs.
  5. להחסיר את האות המתקבל כאשר רק משאבה הדופק היה מוחל. בניסויים אלה, הגדר את VDC, Vמשאבהו Vגשושית ה אוקראינים -1.8 V, 400 mV ו- 210 mV, בהתאמה. הגדר לטאטא את עיכוב יחסיות מ-5 μs 35 μs.
    הערה: אם האות המתקבל הצעד הקודם הוא בכושר טוב (R2 > 0.80) על-ידי פונקציה אחת דעיכה מעריכית, ואז החיים של המדינה ארעי שהוכנו על ידי משאבת הדופק יכול להיות מופק התאם.

6. זמן לפתור STM מדידות של עירור דינמיקה

  1. שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כזה גדול מ- VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC ו- Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V ו--2.0 V, בהתאמה. הגדר Vמשאבה בין 220 ו- 450 mV.
  2. לטאטא את משך הדופק משאבה של ננו שניות מספר כדי ננו שניות מספר מאות.
  3. שלח רכבת של פולסים משאבת, בדיקה. הפולסים בדיקה צריך של משרעת קטן יותר המשאבות ומתרחשת להשוות הטווח ב אילו היסטרזיס (Vבדיקה < Vמשאבות, Vבדיקה + VDC≈V hystersis). בניסויים אלה, הגדר Vבדיקה 210 mV.
  4. להחסיר את האות המתקבל כאשר הוחל רק דופק בדיקה.
    הערה: האות מתקבל הוא אקספוננציאלי, מציין כי הדופק משאבת נערכת המדינה ארעי (dopant מיונן) בקצב זה יכול להיות מופק התאם (R2> 0.80). פרוטוקול המתואר לעיל הוא ספציפי הניסויים וציוד כפי שיתואר בהמשך. ישנם רבים אפיקים פוטנציאל עבור הקוראים להתאים אישית משלהם הגדרת הניסוי ללימודים של מערכות אחרות. לדוגמה, טכניקות כללי אינם מוגבלים cryogenically מקורר STMs; ניתן להשתמש בחומר של עצה, הם אינם דורשים איכול חנקן. יתר על כן, גנרטור פונקציה שרירותיות מתוכנת כראוי יכול לשמש ליצירת ואת הדופק-כפולה, אשר לשלול את הצורך לסכם בשני ערוצים עצמאיים. לבסוף, כבלים רוחב פס נמוך יכול להיות בשימוש31.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

התוצאות שהוצגו בסעיף זה של הטקסט כבר שפורסמו בעבר15,16. איור 3 מדגימה את אופן הפעולה של דוגמה שנבחרו DB עם ה-STM קונבנציונלי. מידה I(V) קונבנציונלי (איור 3 א) מתאר בבירור שינוי חד מוליכות ב Vחמישי DB =-2.0 V. התנהגות זו נצפית גם ב- STM תמונות שצולמו-2.1 V (איור 3B, פאנל שמאלי),-2.0 V (לוח באמצע) ו ה אוקראינים -1.8 V (לוח נ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הווריאציה של TR-STS שבו אינו מוחל על הדופק משאבת משולה STS קונבנציונאלי, חוץ מזה להיות נדגמים המערכת בתדירות גבוהה יותר מאשר ללא הרף. אם משך הזמן של הפולסים בדיקה מתאימים (>ΓLH), ה-TR-STS אות רכשה ללא יכול להכפיל את הדופק משאבת קבוע פרופורציונליים למחזור חיים של הניסוי חופפים בדיוק STS קונבנציונלי מדידה. זה אפשרי רק כי המדידות נעשות ללא שימוש הנעילה מגבר, אשר אחרת להחליש את החלק לא ידוע של האות עקב נמוך לעבור את הסינון משמש. זה הבדל משמעותי בין השיטות מועסק על ידי לנבול בסופו של דבר. et al. <...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים כי יש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ברצוננו להודות מרטין Cloutier, מארק Salomons. מומחיות טכנית שלהם. אנו מודים גם NRC, NSERC ו- AITF עבור תמיכה כספית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מיקרוסקופ מנהור סריקה בטמפרטורה נמוכהScientaomicronבהתאמה אישית עם חיווט רוחב פס של 500MHz
פונקציה שרירותית מחוללTektronixAFG3252C
RF כוח מפצל / קומבינרמיני מעגליםZFRSC-42-S +
RF מתגמיני מעגליםX80-DR230-S +
פירומטרים אינפרא אדום ללא מגעמיקרון אינפרא אדוםMI 140

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nunes, G., Freeman, M. R. Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), Science. New York, N.Y. 1029-1032 (1993).
  2. Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution. Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).
  3. Takeuchi, O., Morita, R., Yamashita, M., Shigekawa, H. Development of time-resolved scanning tunneling microscopy in femtosecond range. Jpn. J. Appl. Phys. 41 (7 B), 4994-4997 (2002).
  4. Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy. Nat. Photon. 4 (12), 869-874 (2010).
  5. Yoshida, S., Yokota, M., Takeuchi, O., Oigawa, H., Mera, Y., Shigekawa, H. Single-atomic-level probe of transient carrier dynamics by laser-combined scanning tunneling microscopy. Appl. Phys. Express. 6 (3), (2013).
  6. Kloth, P., Wenderoth, M. From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics. Science Ad. 3, (2017).
  7. Cocker, T. L., et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).
  8. Yoshioka, K., et al. Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz electric fields. Nat. Photon. 10 (12), 762-765 (2016).
  9. Jelic, V., et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).
  10. Cocker, T. L., Peller, D., Yu, P., Repp, J., Huber, R. Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging. Nature. 539 (7628), 263-267 (2016).
  11. Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution. Science. 329 (5999), 1628-1630 (2010).
  12. Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science. 335 (6065), (2012).
  13. Baumann, S., Paul, W., Choi, T., Lutz, C. P., Ardavan, A., Heinrich, A. J. Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface. Science. 350 (6259), 417-420 (2015).
  14. Yan, S., Choi, D. -J., Burgess, J. A. J., Rolf-Pissarczyk, S., Loth, S. Control of quantum magnets by atomic exchange bias. Nat. Nano. 10 (1), 40-45 (2014).
  15. Rashidi, M., et al. Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale. Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805(2016).
  16. Rashidi, M., et al. Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon. Nat. Comm. 7, 13258(2016).
  17. Koenraad, P. M., Flatté, M. E. Single dopants in semiconductors. Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).
  18. Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).
  19. Freer, S., et al. A single-atom quantum memory in silicon. Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).
  20. Fuechsle, M., et al. A single-atom transistor. Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).
  21. Lyding, J. W., Shen, T. -c, Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2×1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope. Appl. Phys. Lett. 64 (118), 2010-2012 (1994).
  22. Livadaru, L., et al. Dangling-bond charge qubit on a silicon surface. New J. Phys. 12 (8), 83018(2010).
  23. Haider, M. B., Pitters, J. L., DiLabio, G. A., Livadaru, L., Mutus, J. Y., Wolkow, R. A. Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature. Phys. Rev. Lett. 102 (4), 46805(2009).
  24. Taucer, M., et al. Single-Electron Dynamics of an Atomic Silicon Quantum Dot on the H - Si (100)-(2x1) Surface. Phys. Rev. Lett. 112 (25), 256801(2014).
  25. Engelund, M., Papior, N., Brandimarte, P., Frederiksen, T., Garcia-Lekue, A., Sánchez-Portal, D. Search for a Metallic Dangling-Bond Wire on n -Doped H-Passivated Semiconductor Surfaces. J. Phys. Chem. C. 120 (36), 20303-20309 (2016).
  26. Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires. Nano Lett. 17, 322-327 (2017).
  27. Kolmer, M., Zuzak, R., Dridi, G., Godlewski, S., Joachim, C., Szymonski, M. Realization of a quantum Hamiltonian Boolean logic gate on the Si(001):H surface. Nanoscale. 7, 12325-12330 (2015).
  28. Schofield, S. R., et al. Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds. Nat. Comm. 4, 1649(2013).
  29. Wood, J. A., Rashidi, M., Koleini, M., Pitters, J. L., Wolkow, R. A. Multiple Silicon Atom Artificial Molecules. https://arxiv.org/abs/1607.06050. , (2016).
  30. Pitters, J. L., Piva, P. G., Wolkow, R. A. Dopant depletion in the near surface region of thermally prepared silicon (100) in UHV. J. Vac. Sci. Technol. 30 (2), 21806(2012).
  31. Grosse, C., Etzkorn, M., Kuhnke, K., Loth, S., Kern, K. Quantitative mapping of fast voltage pulses in tunnel junctions by plasmonic luminescence. Appl. Phys. Lett. 103 (18), (2013).
  32. Boland, J. J. Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces. Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).
  33. Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen. J. Chem. Phys. 124, 204716(2006).
  34. Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution. Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

STMPump Probe

מאמרים קשורים