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

המטרה הכוללת של מיקרוסקופ מנהור סריקה אלקטרוני שנפתר בזמן היא לחקור תהליכים דינמיים המתרחשים בקנה מידה אטומי. בניסויים אלה נחקרת הדינמיקה הטעונה של סמים בסיליקון. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לחקור תופעות מעניינות בתחום הננוטכנולוגיה והפיזיקה כגון הקצב שבו סמים במוליכים למחצה מסופקים עם אלקטרונים או כיצד ניתן להשתמש בזרמי מנהור כדי להניע את התהודה המגנטית של אטומים בודדים.

היתרון העיקרי של טכניקות אלו הוא שניתן ללמוד דינמיקה מהירה ללא צורך בשילוב אופטיקה בצומת המנהור. טכניקות אלו אינן מוגבלות לטמפרטורות נמוכות או מיקרוסקופי מנהור סריקת ואקום גבוהים במיוחד. כדי להתחיל, יש לקרר את מיקרוסקופ המנהור הסורק המסוגל לוואקום גבוה במיוחד לטמפרטורות קריוגניות.

ודא שקצה המיקרוסקופ מצויד בחיווט בתדר גבוה המסוגל לכ-500 מגה-הרץ. לאחר מכן, חבר מחולל פונקציות שרירותיות עם שני ערוצים לפחות לקצה. הכן את המחזורים של זוגות דופק מתח המשמשים לניסויי משאבה-בדיקה על ידי הגדרת מחולל הפונקציות השרירותיות כך שפולסי מתח המשאבה והבדיקה ייווצרו באופן עצמאי ויסוכמו לפני שהם מוזנים לקצה.

לאחר מכן, החל את מתח ההטיה DC המשמש להדמיה בספקטרוסקופיה קונבנציונלית על הדגימה. לאחר מכן, חבר שני מתגי תדר רדיו לערוצי הפלט של מחולל הפונקציות השרירותיות. הגדר את המתגים כך שהקצה יהיה מוארק במהלך סריקה, מנהור, הדמיה וספקטרוסקופיה קונבנציונלית.

אסוף את זרם המנהור עבור כל המדידות באמצעות קדם מגבר המחובר לדגימה. בעזרת כותב סיליקון קרביד, מגרדים את החלק האחורי של פרוסת סיליקון. לאחר מכן, השתמש בזוג שקופיות מיקרוסקופ זכוכית כדי להצמיד בעדינות את הדגימה מהרקיק.

הקפד להשתמש בפינצטה קרמית לטיפול בגבישי סיליקון. הצמד את הדגימה למחזיק מיקרוסקופ סורק, מנהור. לאחר האבטחה במחזיק, הכנס אותו לתא הוואקום הגבוה במיוחד.

לאחר מכן, הסר את הדגימה על ידי חימום התנגדות ל-600 מעלות צלזיוס והחזקתה בטמפרטורה זו למשך שש שעות לפחות בוואקום הגבוה במיוחד. לאחר קירור הדגימה, השתמש באותו תא כדי לנקות חוט טונגסטן על ידי חימום התנגדות של החוט ל-1,800 מעלות צלזיוס והמתנה עד שהמערכת תתאושש ללחץ הבסיס. לאחר מכן, הסר את התחמוצת משטח הדגימה על ידי הבהוב הדגימה ל-900 מעלות צלזיוס והחזקתה בטמפרטורה זו למשך 10 שניות לפני קירורו בחזרה לטמפרטורת החדר.

הבזק את הדגימה בהדרגה לטמפרטורות גבוהות יותר תוך ניסיון להגיע להבזק סופי של 1,250 מעלות צלזיוס. הניחו לדגימה להתקרר לטמפרטורת החדר לאחר כל הבזק. כדי להבטיח שהדגימה תישאר נקייה, הבזקי ביטול כאשר הלחץ עולה מעל תשע פעמים 10 ל-10 Torr שלילי.

לאחר מכן, דלפו גז מימן לתוך התא בלחץ של 1 פעמים 10 ל-6 Torr שלילי וחממו את חוט הטונגסטן ל-1,800 מעלות צלזיוס. זה יפצח את הגז למימן אטומי. החזק את הדגימה בתנאים אלה למשך שתי דקות לפני הבזק הדגימה בחזרה ל-1, 250 מעלות צלזיוס.

לאחר חמש שניות ב-1, 250 מעלות צלזיוס, יש לקרר אותו בחזרה ל-330 מעלות צלזיוס. החזק את הטמפרטורה על 330 מעלות צלזיוס למשך דקה אחת ולאחר מכן סגור בו זמנית את שסתום דליפת המימן וכבה את חוט הטונגסטן. תנו לדגימה להתקרר לטמפרטורת החדר.

לבסוף, התקרב לקצה לדגימה על ידי חיבור בקר משוב הזרם עם ממתח דגימה של 1.8 וולט שלילי, נקודת ההגדרה הנוכחית של 50 פיקו-אמפר, ושימוש בפונקציית הגישה האוטומטית של תוכנת הבקרה. בצע סריקות שטח של המשטח בסדר גודל של 50 על 50 ננומטר כדי לוודא את איכות המשטח. צריכות להיות טרסות גדולות המופרדות על ידי מדרגות אטום בודדות בשיעור פגמים של פחות מ-1%יש לפתור בבירור את שורות הדימר של הסיליקון אחד אפס אפס שניים על אחד.

קשרים משתלשלים מופיעים כבליטות בהירות בתמונות מצב שדה. חפש אזור על משטח הדגימה נקי מפגמים גדולים במשטח על ידי ביצוע סריקות שטח גדול בגודל 50 ננומטר על 50 ננומטר. כדי לאפיין את הצלצול האלקטרוני, מקם את הקצה מעל אטום מימן על פני השטח.

מכיוון שכל אטום סיליקון פני השטח מסתיים באטום מימן, זה שווה ערך למיקום הקצה מעל שורות הדימר על פני השטח. כבה את בקר המשוב הנוכחי ולאחר מכן הגדר את מתח ה-DC למינוס 1.0 וולט, ולאחר מכן מתח המשאבה למינוס 0.5 וולט, מתח הבדיקה למינוס 0.5 וולט, רוחב המשאבה ופולסי הבדיקה ל-200 ננו-שניות, וזמן העלייה והירידה של הפולסים ל-2.5 ננו-שניות. לאחר מכן, שלח סדרה של רכבות של פולסים של משאבה ובדיקה כאשר העיכוב היחסי של המשאבה והגשושית נסחף ממינוס 900 ננו-שניות ל-900 ננו-שניות.

הצלצול מתבטא בתנודות משרעת קטנות יותר בזרם המנהור משני צידי המקור. על ידי הגדלת זמני העלייה על הפולסים מ-2.5 ננו-שניות ל-25 ננו-שניות, נצפה דיכוי חזק של הצלצול. בטל צלצול על ידי הגדלת זמני העלייה והירידה של הפולסים כדי להשיג את התוצאות הספקטרוסקופיות המדויקות ביותר.

עם זאת, שים לב שהגדלת רוחב הדופק תפחית את הרזולוציה. מקם את הקצה מעל קשר משתלשל מסיליקון המופיע כבליטות בהירות בהטיות מדגם קצה שליליות. כבה את בקר המשוב הנוכחי ושלח רכבת המורכבת רק מדופק הבדיקה המשמש כאות ייחוס עם קצב חזרה של 25 קילו-הרץ.

על פני סדרה של רכבות פולסים, סחוף את ההטיה של פולס הבדיקה על פני טווח של 500 מילי-וולט מממתח DC של 1.8 וולט שלילי. לכל פולס צריכה להיות הטיה שונה. שלב זה שווה ערך לספקטרוסקופיה IV סטנדרטית אך עם מחזור עבודה מופחת.

ודא שרוחב הפולסים ארוך מספיק כדי לקבל יחס אות לרעש של לפחות 10. שלח רכבת המורכבת מפולסי משאבה המוגדרים בהטיה קבועה כך שמתח ה-DC שנוסף למתח המשאבה גדול ממתח הסף עם קצב חזרה של 25 קילו-הרץ. לאחר מכן, שלח רכבת המורכבת מפולסי המשאבה עם פעימות הגשושית ואחריה עיכוב של 10 ננו-שניות.

השווה את הגשושית רק באותות המשאבה והבדיקה על ידי שרטוט אותם באותו גרף. כל היסטרזיס באותות קטנים הוא אינדיקציה לדינמיקה שניתן לחקור באמצעות טכניקות STM שנפתרו בזמן. כדי למדוד דינמיקת הרפיה, מקם את קצה המיקרוסקופ מעל קשר משתלשל מסיליקון וכבה את בקר המשוב הנוכחי.

לאחר מכן, שלח רכבת המורכבת מפולסי משאבה המוגדרים בהטיה קבועה כך שמתח ה-DC שנוסף למתח המשאבה גדול ממתח הסף עם קצב חזרה של 25 קילו-הרץ. לאחר מכן, שלח רכבת נוספת של פולסים של משאבה ובדיקה. ודא שלפולסי הבדיקה יש משרעת קטנה יותר מהמשאבות ודומה לטווח שבו מתרחשת היסטריה.

לבסוף, טאטא את העיכוב בין המשאבה לדופק הבדיקה עד כמה עשרות מיקרו-שניות. לקביעת דינמיקת העירור, שלח שוב רכבת המורכבת מפולסי משאבה כך שמתח DC שנוסף למתח המשאבה גדול ממתח הסף עם קצב חזרה של 25 קילו-הרץ. העבר את משך פעימת המשאבה מכמה ננו-שניות לכמה מאות ננו-שניות.

לאחר מכן, שלח רכבת של פולסים של משאבה ובדיקה. פולסי הבדיקה צריכים להיות בעלי משרעת קטנה יותר מהמשאבות וניתנת להשוואה לטווח בו מתרחשת היסטריה. באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה קונבנציונלי, קשרים משתלשלים מסיליקון מתרחשים כבליטות בהירות בתמונות מצב שדה הטיית דגימה שלילית.

במקרים מסוימים הם מציגים שינוי חד במוליכות במינוס שני וולט. עבור קשר משתלשל ספציפי זה, תמונות שצולמו במינוס 2.1 וולט, מינוס שני וולט ומינוס 1.8 וולט מראות זאת גם כן. במדידות אלה שנפתרו בזמן, דופק משאבה מביא את המערכת באופן זמני מעל סף המתח ומיד לאחר דופק בדיקה, חוקר את המוליכות של המצב החולף.

כדי למקסם את הנראות של ההיסטריה, משך דופק הבדיקה צריך להיות קצר יותר מקצב ההרפיה של המצב המוליך הגבוה. בעת מדידת דינמיקת הרפיית דופנט, רצפי הדופק משתנים בעיכוב בין המשאבה לבדיקה. נוצר דעיכה מעריכית אחת שמתייצבת להיסט קבוע עם הזמן.

עבור זמני עירור, רוחב מתח משאבת רצף הדופק משתנה. על ידי טאטוא רוחב המשאבה, ממפה את הקצב הממוצע בו מיינן הסם. חשוב שתאפיין כל צלצול אלקטרוני במערך המיקרוסקופ שלך.

צלצול יכול לגרום לחפצי אות ויש לחסל אותו. כמו כן, שים לב שביטול הצלצול על ידי הארכת אורך הדופק מביא לאובדן רזולוציית זמן ויהיה צורך לייעל אותו. בעוד שהדגמנו מיקרוסקופ מנהור סריקה שנפתר בזמן כדי לחקור סמים בסיליקון, ניתן ליישם טכניקות אלה על מערכות פיזיקליות רבות אחרות.

היתרון העיקרי של טכניקות אלה הוא שאין צורך לשלב מערכות אופטיות עם המיקרוסקופ שלך. אל תשכח שעבודה עם קריוגנים ומתחים גבוהים עלולה להיות מסוכנת. הקפידו תמיד על סביבת עבודה בטוחה ופעל לפי פרוטוקול בטיחות מתאים בעת הגדרה ושימוש במיקרוסקופ שלכם.