ספקטרוסקופיה קיבוליות חד אלקטרונים סורקות-בדיקה

המטרה הכללית של הניסוי הבא היא לצפות ולפתור מרחבית את הטעינה והפריקה של אלקטרונים בודדים במערכות מוליכות בננו-קנה מידה הממוקמות מתחת למשטחים לא מוליכים. דבר זה מושג על ידי העמסת הדגימה על מיקרוסקופ סריקה עם מחט (SPM) קריוגני להשגת טמפרטורות נמוכות ורמות רעש נמוכות, המאפשרות תצפית על התנהגות של אלקטרון בודד. כשלב שני, השתמש במיקרוסקופ במצב של מיקרוסקופיה מנהורית סורקת (STM) כדי לקרב את החוד למרחק של כ-1 nm מהמשטח העליון של הדגימה, מה שמיקם את החוד במיקום מתאים לביצוע מדידות קיבול.

בשלב הבא, השתמשו במיקרוסקופ במצב קיבול (capacitance mode), תוך שימוש במעגלי זיהוי מטען רגישים במיוחד, כדי לזהות את מטען התמונה המושרה על הקצה על ידי תנועת אלקטרונים במערכת התת-שטחית. דבר זה מאפשר קביעה של המבנה האלקטרוני של מערכת הקוונטים התת-שטחית. התוצאות המתקבלות מראות אלקטרונים בודדים המבצעים מנהור אל תוך מערכות תת-שטחיות בננו-קנה מידה ומחוצה להן.

פיקים ועקומות קיבול מול מתח מסמנים את אנרגיות ההוספה של אלקטרונים. במערכת הקוונטית, התקני מוליכים למחצה הופכים לקטנים יותר ויותר. ההתקן הקטן ביותר האפשרי הוא אטום בודד או אטום זיהום.

מכשירים מוצעים רבים כוללים מספרים קטנים של נקודות בעלות אינטראקציה. השיטה שלנו יכולה לפתור את המבנה האלקטרוני הבסיסי של מערכות זעירות אלו. שיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי המבנה האלקטרוני של דגימות תת-קרקעיות, דוצנטים (docents) ודגימות מוליכות למחצה שבמרכזן.

זוהי שיטת קיבול, שניתן להרחיבה למגוון של מדידות מקומיות בטמפרטורה נמוכה, כגון תכונות דיאלקטריות של פני השטח ומיפוי פונקציית העבודה. ניסויים אלו מבוצעים באמצעות מיקרוסקופ סריקה ב probes בעל יכולת קריוגנית עם האלקטרוניקה הנלווית לו. בנוסף לחוטים הקואקסיאליים עבור מתח ממתח (bias), מתח וזרם מנהרה, ודאו שלפחות שני חוטים קואקסיאליים נוספים וחוט הארקה נמתחים מארון האלקטרוניקה לאזור החוד של המיקרוסקופ.

אלה ישמשו להעברת אותות עבור המגבר הקריוגני. לאחר מכן, התחילו בהרכבת מעגל המגבר הקריוגני המבוסס על טרנזיסטור בעל ניידות אלקטרונים גבוהה (HEMT). השתמשו בסכירה כדי לשבור שבב של כסנטימטר על סנטימטר מתוך פרוסת גליום ארסניד.

לאחר מכן, השתמש בשיטת שיקוע כדי ליצור מספר מגעים של זהב בגודל של כ-1 millimeter על 1 millimeter על פני השטח. כעת, הכן חוד חד מחוט של מתכת אצילה. השתמש בחותכים אלכסוניים כדי לגזור חוט platinum iridium 80/20 באמצעות אפוקסי תואם לתנאי קריוגניקה.

חברו חוט זהב לכל אחת מרפידות הזהב שבשבב הגליום ארסוניט. חוטי זהב נוספים הוספו לשבב זה. ניתן להסירם בקלות אם אינם נחוצים בשלב זה; יש לנקוט באמצעי זהירות כדי למנוע חדירת מטענים סטטיים.

בעת העבודה עם אפוקסי הקנבס, נגד ההטיה, הקצה והקנבס על שבב ההמסה מגרסום ארסניד (gallium arsenide). לאחר שהאפוקסי התקשח כראוי, השתמשו במכונת הלחמה חוטית (wire bonder) טעונה בחוט זהב כדי להלחים את רכיבי המקור (source), הניקוז (drain) והשער (gate) של הקנבס לפדים של זהב נפרדים על קשרי השבב. חוטים זמניים המחברים את פדי השער והמקור או הניקוז יבטיחו שהשער לא יטען ביחס לערוץ המקור-ניקוז.

כדי לחבר את שבב ההרכבה למיקרוסקופ, ראשית יש להביא את הכבלים הקואקסיאליים במיקרוסקופ, אליהם יולחמו הכבלים מהשבב, למצב של הארקה. לאחר מכן, הצמד את שבב ההרכבה על גבי צינור הפיזו (pizzo) לסריקה. השתמש בהלחמה מאינדיום כדי לחבר את חוטי הזהב שבשבב לכבלים הקואקסיאליים המתאימים.

לאחר הבדיקה, נבדק התקינות של תושבת hemp המעגנת את הדגימה. דגימה זו מעוגנת על גבי רמפות מסוג baka המאפשרות לה לנוע פנימה והחוצה בתגובה למתחים המופעלים על צינורות ה-piezo התומכים. במצב מיקרוסקופ ו-STM, הזז את הדגימה לטווח הרלוונטי כדי להבטיח שהדגימה והחוד יוכלו להתקרב זה לזה בהצלחה.

לאחר בדיקה מוצלחת, הרחק את הדגימה אל מחוץ לטווח כדי להגן על הקצה במהלך הטיפול במיקרוסקופ. כדי להיערך להפעלה בטמפרטורה נמוכה יותר, העבר את המיקרוסקופ מספסול המעבדה לקריוסטט. על הקריוסטט להיות מסוגל להגיע לטמפרטורת הבסיס הרצויה של המיקרוסקופ, 4.2 kelvin או פחות.

לאחר שאיבת המיקרוסקופ לוואקום של כמה מיקרון, הנמיכו את המיקרוסקופ בתוך הקריוסטט בשיעור של אינץ' או שניים והמתינו להשתווות הטמפרטורה. תהליך זה עשוי להימשך עד עשרות דקות. חזרו על ההנמכה בשיעור של אינץ' או שניים בכל פעם, עד שהמיקרוסקופ יגיע למיקומו.

תהליך הטבילה המלא עשוי להימשך כמעט יום שלם. לאחר מכן, יש להשאיר את המיקרוסקופ כדי שיגיע לשיווי משקל תרמי. לבסוף, יש לבודד את מכלול הקריוסטט והמיקרוסקופ מרעידות.

בניסוי זה נעשה שימוש במערכת תליה של חבלי גומי (bungee cord) המחוברת לקריוסטט. השתמשו במערכת התליה כדי להרים את המכלול מספר אינצ'ים מעל הקרקע ולשמור אותו בגובה זה. עקבו אחר הגובה כדי לדעת אם הקריוסטט שוקע ויש לתלות אותו מחדש.

לאחר ביצוע סריקות STM, התחילו במדידות במצב קיבוליות על ידי נטרול לולאת המשוב בבקר ה-STM כאשר הקצה נסוג. הזיזו את המיקום הלטרלי של הקצה, במרחק של כמה עשרות ננומטרים ממיקומו ב-STM, לאזור בדגימה שלא נסרק לאחרונה. כדי להעביר את תצורת החיווט למצב קיבוליות, ראשית, הגנו על ה-hemps על ידי הארקת כל הכבלים הקואקסיאליים.

סיום החיווט באמצעות מחברי T מאפשר לחוטים להישאר מוארקים בזמן ביצוע חיבורים אחרים. לאחר מכן, חבר את הכבלים הקואקסיאליים למקורות המתח והנגדים הרלוונטיים, ל-lock-in amplifier ולמחולל הפונקציות. הגדר את כל מקורות המתח לאפס והפעל אותם.

נתקו את ההארקה מהחוטים הקואקסיאליים, תוך הקפדה על ניתוק ההארקה של חוט השער. לבסוף, כדי להגן על ה-hemp, העלו את מקורות המתח לרמות הרצויות. כווננו את ה-hemp ונעלו את המגבר לביצועים אופטימליים.

לאחר מכן המתן להתייצבות הדגימה. בשלב זה, ניתן לבצע סריקה, דימות צבירת מטען וספקטרוסקופיית קיבול-מתח. זוהי דוגמה לתמונת צבירת מטען.

הדגימה הייתה סיליקון שעבר סימום במקבלים של בורון עם צפיפות שטחית של 1.7 times 10 to the 15th למטר רבוע בשכבת סימום דלתא (delta dope) במרחק של 15 nanometers מתחת לפני השטח בטמפרטורה של 4.2 kelvin. כפי שמעיד קנה המידה, צבעים בהירים יותר מצביעים על טעינה מוגברת. הנקודות הבהירות מפורשות כסימון של מיקומם של אטומי בורון בודדים מתחת לפני השטח.

הנקודה הכחולה מציינת נקודה בהירה ספציפית שבה בוצע ספקטרוסקופיה של C לעומת V. הפיסגה הגבוהה ביותר בנתוני C לעומת V מפורשת כנובעת ממטען הנכנס לנקודה (dot) ישירות מתחת לקצה. פיסגות סמוכות נובעות מנקודות סמוכות. מרכזיהן מוסט ואמפליטודתן מופחתת ביחס לפיסגה הראשית.

בשל המרחק המוגבר של פיני ה-DO. הפיקים רחבים יותר לאורך ציר המתח עקב השפעות שנלקחו בחשבון במודל שפותח, כפי שמעידה ההתאמה של עקומת המודל לנתונים. נתוני הספקטרוסקופיית C לעומת V המוצגים כאן הם עבור gallium arsenide עם delta dope של שכבת תורמי סיליקון בצפיפות שטחית של 1.25 times 10 to the 16th למטר רבוע, הממוקמת 60 nanometers מתחת לפני השטח בטמפרטורה של 300 millikelvin.

הוא מראה גם סדרה של שיאי טעינה, שרובם עקביים עם קבוצות של אלקטרונים רבים הנכנסים ועוזבים את ה-do, כאשר שיא של אלקטרון בודד מסומן בחץ האדום. הנתונים מימין הם ממדידות חוזרות של השיא המסומן בחץ האדום בגרף משמאל. כאשר הנתונים ממוצעים, מבוצע התאמה (fit) המוצגת כאן בירוק.

עקומת התאמה זו עקבית עם הצורה הצפויה עבור שיאו של אלקטרון בודד תחת התנאים הניסיוניים. לאחר צפייה בסרטון זה, צריכה להיות לכם הבנה טובה של ההיבטים המעשיים של ביצוע מדידות קיבול של אלקטרון בודד בסריקה. בעת ניסיון לבצע הליך זה, חשוב לזכור להימנע מהרס הדגימה הרגישה על ידי נקיטת אמצעי זהירות למניעת הצטברות מטען סטטי בין השער (gate) לבין תעלת המקור-ניקוז (source drain channel).