Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

L'obiettivo generale del seguente esperimento è osservare e risolvere spazialmente il carico e lo scarico di singoli elettroni in sistemi conduttivi su scala nanometrica situati al di sotto di superfici non conduttive. Questo risultato si ottiene caricando il campione su un microscopio a sonda criogenico per raggiungere basse temperature e livelli di rumore ridotti, consentendo l'osservazione del comportamento di singoli elettroni. Come secondo passo, si utilizza il microscopio in modalità microscopia a scansione tunnel per avvicinare la punta a circa un nanometro dalla superficie superiore del campione, posizionando così la punta in una posizione adatta per effettuare misurazioni di capacità.

Successivamente, utilizzare il microscopio in modalità capacità sfruttando un circuito di rilevamento della carica estremamente sensibile per rilevare la carica d'immagine indotta sulla punta dal movimento degli elettroni nel sistema sottostante. Questo consente di determinare la struttura elettronica del sistema quantistico sottostante. I risultati ottenuti mostrano singoli elettroni che effettuano tunneling verso e dal sistema sottostante su scala nanometrica.

I picchi e le curve della capacità rispetto alla tensione indicano le energie di aggiunta degli elettroni. Nel sistema quantistico, i dispositivi semiconduttori stanno diventando sempre più piccoli. Il dispositivo più piccolo possibile è un singolo atomo o un atomo di impurezza.

Molti dispositivi proposti coinvolgono piccoli numeri di punti interagenti. Il nostro metodo può risolvere la struttura elettronica di base di questi sistemi minuscoli. Questo metodo può fornire informazioni sulla struttura elettronica di campioni sotterranei, docenti e semiconduttori al suo centro.

Questo è un metodo basato sulla capacità, che può essere esteso a diverse misurazioni locali a bassa temperatura, come le proprietà dielettriche superficiali e la mappatura della funzione lavoro. Questi esperimenti vengono effettuati mediante un microscopio a sonda scansione dotato di capacità criogeniche e della relativa strumentazione elettronica. Oltre ai cavi coassiali per la polarizzazione, la tensione e la corrente di tunneling, assicurarsi che almeno due cavi coassiali aggiuntivi e un cavo di massa siano collegati dal rack elettronico fino alla zona della punta del microscopio.

Questi verranno utilizzati per trasmettere i segnali all'amplificatore criogenico. Successivamente, iniziare il montaggio del circuito dell'amplificatore criogenico basato sul transistor a elevata mobilità degli elettroni hemp. Utilizzare uno strumento di incisione per staccare un chip di circa un centimetro per un centimetro da una pastiglia di arseniuro di gallio.

Quindi, utilizzare la deposizione per formare diversi pad d'oro di circa un millimetro per un millimetro sulla superficie. Ora, preparare una punta appuntita a partire da un filo di metallo nobile. Tronchesi diagonali vengono utilizzati per tagliare un filo di platino-iridio 80 20 mediante una resina epossidica compatibile con temperature criogeniche.

Collegare un filo d'oro a ciascuno dei pad d'oro sul chip di arsenito di gallio. Sono stati aggiunti fili supplementari su questo chip. Possono essere facilmente rimossi se non sono necessari in questa fase; prendere precauzioni per evitare l'introduzione di cariche parassite.

Quando si lavora con l'epossidico al canapa, posizionare la resistenza di polarizzazione, la punta e il canapa sul chip di arseniuro di gallio per la fusione. Una volta che l'epossidico si è indurito correttamente, utilizzare un wire bonder caricato con filo d'oro per collegare gli elementi di source, drain e gate del canapa a pad d'oro separati del chip. Collegare temporaneamente con fili il gate e i pad di source o drain per assicurarsi che il gate non si carichi rispetto al canale source-drain.

Per fissare il chip di montaggio al microscopio, innanzitutto collegare a massa i cavi coassiali del microscopio ai quali verranno saldati i cavi provenienti dal chip. Quindi fissare il chip di montaggio sulla sommità del tubo piezoelettrico di scansione. Utilizzare saldatura in indio per collegare i fili d'oro presenti sul chip ai cavi coassiali corrispondenti.

Dopo il test, l'integrità della montatura in canapa sostiene il campione. Questo campione è montato su rampe di tipo baka che gli permettono di muoversi avanti e indietro in risposta a tensioni applicate ai tubi piezoelettrici di supporto. Con il microscopio e in modalità STM, spostare il campione entro la portata per assicurare che campione e punta possano avvicinarsi con successo.

Dopo un test riuscito, allontanare notevolmente il campione per proteggere la punta durante la manipolazione del microscopio. Per prepararsi al funzionamento a temperature più basse, trasferire il microscopio dal banco del laboratorio al criostato. Il criostato deve essere in grado di raggiungere la temperatura di base desiderata del microscopio, pari a 4,2 kelvin o inferiore.

Dopo aver pompato il microscopio fino a raggiungere un vuoto di pochi microtorr, abbassare di uno o due pollici il microscopio all'interno del criostato e attendere che la temperatura si stabilizzi. Questo processo può richiedere fino a decine di minuti. Ripetere l'abbassamento di uno o due pollici alla volta finché il microscopio non è in posizione.

L'intero processo di immersione può richiedere quasi un giorno. Successivamente, il microscopio deve essere lasciato stabilizzare termicamente. Infine, isolare l'assieme criostato e microscopio dalle vibrazioni.

Un sistema di sospensione con corda elastica collegato al criostato viene utilizzato in questo esperimento. Utilizzare il sistema di sospensione per sollevare l'insieme di alcuni centimetri da terra e mantenerlo a tale altezza. Monitorare l'altezza per verificare se il criostato affonda e necessita di essere riappeso.

Dopo aver eseguito le scansioni STM, iniziare le misurazioni in modalità capacità disattivando il loop di retroazione nel controller STM con la punta ritratta. Spostare la posizione laterale della punta di alcuni decine di nanometri rispetto alla sua posizione STM, in un'area del campione che non è stata recentemente scansionata. Per passare alla configurazione di cablaggio in modalità capacità, innanzitutto proteggere i cavi coassiali collegandoli a massa.

La terminazione dei cavi con connettori a T consente ai cavi di rimanere a massa mentre vengono effettuati altri collegamenti. Successivamente, collegare i cavi coassiali alle rispettive sorgenti di tensione e alle resistenze, al blocco e all'amplificatore e al generatore di funzioni. Impostare tutte le sorgenti di tensione a zero e accenderle.

Scollegare i cavi coassiali avendo cura di togliere la messa a terra del cavo della griglia. Infine, per proteggere la canapa, aumentare le sorgenti di tensione ai livelli desiderati. Regolare la canapa e bloccare un amplificatore per ottenere prestazioni ottimali.

Quindi attendere che la canapa si stabilizzi. A questo punto, è possibile eseguire la scansione, l'imaging dell'accumulo di carica e la spettroscopia di capacità-tensione. Questo è un esempio di un'immagine di accumulo di carica.

Il campione era un silicone drogato con accettori di boro con una densità superficiale di 1,7 volte 10 alla 15 per metro quadrato in un strato di drogaggio delta posto a 15 nanometri sotto la superficie a 4,2 kelvin. Come indicato dalla scala, colori più chiari indicano un aumento della carica. I punti luminosi sono interpretati come marcatori della posizione di singoli atomi di boro sottostanti.

Il punto blu indica un particolare punto luminoso in cui è stata eseguita la spettroscopia di C rispetto a V. Il picco più alto nei dati di C rispetto a V è interpretato come carica che entra nel dot direttamente al di sotto della punta. Picchi vicini sono dovuti a punti vicini. I loro centri sono spostati e le ampiezze diminuite rispetto al picco principale.

A causa dell'aumento della distanza tra i pin DO. I picchi si allargano lungo l'asse della tensione a causa di effetti considerati nel modello sviluppato, come indicato dall'accordo tra la curva del modello e i dati. I dati spettroscopici di C rispetto a V mostrati qui si riferiscono ad un drogaggio delta di arseniuro di gallio con uno strato di donatori di silicio a una densità superficiale di 1,25 × 10¹⁶ per metro quadrato, posizionato a 60 nanometri sotto la superficie a 300 millikelvin.

Mostra inoltre una serie di picchi di carica, la maggior parte dei quali è compatibile con gruppi di molti elettroni che entrano ed escono dal punto quantico; un singolo picco elettronico è indicato con la freccia rossa. I dati a destra provengono da misurazioni ripetute del picco indicato dalla freccia rossa nel grafico a sinistra. Quando i dati vengono mediati, viene effettuato un adattamento mostrato qui in verde.

Questa curva di adattamento è coerente con la forma prevista per un picco di singolo elettrone nelle condizioni sperimentali. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione degli aspetti pratici della realizzazione di misurazioni capacitivo-scansionarie a singolo elettrone. È importante ricordare di evitare di danneggiare il sensibile dispositivo evitando l'accumulo di cariche elettrostatiche tra il gate e il canale sorgente-drain, adottando misure precauzionali adeguate.