Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di osservare e risolvere spazialmente la carica e la scarica di singoli elettroni in sistemi conduttori su scala nanometrica situati sotto superfici non conduttive. Ciò si ottiene caricando il campione su un microscopio criogenico a scansione a scansione per ottenere basse temperature e bassi livelli di rumore, consentendo l'osservazione del comportamento di un singolo elettrone. Come secondo passo, utilizzare il microscopio in modalità di microscopia a scansione a effetto tunnel per portare la punta a circa un nanometro di distanza dalla superficie superiore del campione, posizionando la punta in una posizione adatta per eseguire le misure di capacità.

Successivamente, utilizzare il microscopio in modalità capacitiva utilizzando il circuito di rilevamento della carica estremamente sensibile per rilevare la carica dell'immagine indotta sulla punta dal movimento degli elettroni nel sistema sotterraneo. Ciò consente di determinare la struttura elettronica del sistema quantistico sotterraneo. Si ottengono risultati che mostrano che i singoli elettroni entrano ed escono dai sistemi sotterranei su scala nanometrica.

I picchi e le curve di capacità in funzione della tensione segnano le energie di addizione degli elettroni. Nel sistema quantistico, i dispositivi a semiconduttore stanno diventando sempre più piccoli. Il dispositivo più piccolo possibile è un singolo do in atomo o un atomo di impurità.

Molti dispositivi proposti coinvolgono un piccolo numero di punti interagenti. Il nostro metodo può risolvere la struttura elettronica di base di questi sistemi minuti. Questo metodo può fornire informazioni sulla struttura elettronica del sottosuolo, dei docenti e dei campioni semiconduttori al suo interno.

Si tratta di un metodo di capacità, che può essere esteso a una varietà di misure locali a bassa temperatura, come le proprietà dielettriche della superficie e la mappatura delle funzioni di lavoro. Questi esperimenti vengono eseguiti su un microscopio a scansione a scansione criogenico con l'elettronica associata. Oltre ai fili coassiali per la polarizzazione, la tensione e la corrente di tunneling, assicurarsi che almeno due fili coassiali aggiuntivi e un filo di terra si estendano dal rack dell'elettronica all'area della punta del microscopio.

Questi saranno utilizzati per trasportare i segnali per l'amplificatore criogenico. Successivamente, inizia l'assemblaggio del circuito dell'amplificatore criogenico basato sulla canapa del transistor ad alta mobilità elettronica. Usa uno scriba per tagliare un chip di circa un centimetro per un centimetro da un wafer di arseniuro di gallio.

Quindi utilizzare la deposizione per formare diversi cuscinetti d'oro di circa un millimetro per un millimetro sulla superficie. Ora, prepara qui una punta affilata da un filo di metallo nobile. I tronchesi diagonali vengono utilizzati per tagliare un filo di platino-iridio 80 20 utilizzando resina epossidica compatibile criogenica.

Attacca un filo d'oro a ciascuno dei cuscinetti d'oro sul chip di arsonite di gallio. Su questo chip sono stati aggiunti altri cavi. Possono essere facilmente rimossi se non sono necessari a questo punto, prendere precauzioni per evitare di introdurre cariche vaganti.

Quando si lavora con la resina epossidica di canapa, il resistore di polarizzazione, la punta e la canapa sul chip di fusione dell'arseniuro di gallio. Una volta che la resina epossidica si è indurita correttamente, utilizzare un wire bonder caricato con filo d'oro per collegare gli elementi di scarico e cancello della canapa per separare i cuscinetti d'oro del chip bond. Cavi temporanei che collegano il cancello e la sorgente o i cuscinetti di scarico per garantire che il cancello non si carichi rispetto al canale di scarico della sorgente.

Per collegare il chip di montaggio al microscopio, mettere a terra prima i fili coassiali sul microscopio a cui verranno saldati i fili del chip. Quindi fissare il chip di montaggio sopra il tubo di pizzo di scansione. Utilizzare la saldatura all'indio per collegare i fili d'oro sul chip ai fili coassiali appropriati.

Dopo il test, l'integrità della canapa monta il campione. Questo campione è montato su rampe in stile baka che gli consentono di entrare e uscire in risposta alle tensioni applicate ai tubi piezoelettrici di supporto. Con il microscopio e la modalità STM, spostare il campione nel raggio d'azione per garantire che il campione e la punta possano avvicinarsi correttamente.

Dopo aver superato con successo il test, portare il campione lontano dal raggio d'azione per proteggere la punta durante la manipolazione del microscopio. Per prepararsi al funzionamento a temperature più basse, trasferire il microscopio dal banco di lavoro al criostato. Il criostato dovrebbe essere in grado di raggiungere la temperatura di base desiderata del microscopio di 4,2 kelvin o inferiore.

Dopo aver pompato il microscopio a un vuoto di pochi micro giri, abbassare uno o due pollici del microscopio nel criostato e attendere che la temperatura si equilibri. Questa operazione può richiedere fino a decine di minuti. Ripetere l'abbassamento di uno o due pollici alla volta finché il microscopio non è in posizione.

Il processo di immersione completo può richiedere quasi un giorno. Il microscopio deve quindi essere lasciato in equilibrio termico. Infine, isolare il criostato e il gruppo microscopio dalle vibrazioni.

In questo esperimento viene utilizzato un sistema di sospensione con corda elastica collegato al criostato. Utilizzare il sistema di sospensione per sollevare il gruppo di pochi centimetri da terra e mantenerlo a quell'altezza. Monitora l'altezza per sapere se il criostato affonda e deve essere sospeso.

Dopo aver eseguito le scansioni STM, avviare le misurazioni in modalità capacitiva disabilitando l'anello di retroazione nel controller STM con la punta retratta. Poche decine di nanometri dalla sua posizione STM sfalsano la posizione laterale della punta in un'area del campione, che non è stata scansionata di recente. Per passare la configurazione del cablaggio alla modalità capacitiva, in primo luogo, proteggere le canapa mettendo a terra tutti i fili coassiali.

La terminazione dei fili con connettori a T consente ai fili di rimanere collegati a terra mentre vengono effettuati altri collegamenti. Quindi, collegare i fili coassiali alle relative sorgenti di tensione e resistori, al blocco e all'amplificatore e al generatore di funzioni. Impostare tutte le fonti di tensione su zero e accenderle.

Smettere a terra i fili coassiali facendo attenzione a smettere a terra il filo del cancello. Infine per proteggere la canapa, aumentare le fonti di tensione ai livelli desiderati. Regola la canapa e blocca un amplificatore per prestazioni ottimali.

Quindi attendi che la canapa si stabilizzi. A questo punto, è possibile eseguire scanning, imaging ad accumulo di carica e spettroscopia di tensione capacitiva. Questo è un esempio di immagine di accumulo di carica.

Il campione è stato drogato con accettori di boro con una densità aerea da 1,7 volte 10 a 15 per metro quadrato in uno strato di droga delta a 15 nanometri sotto la superficie a 4,2 kelvin. Come indicato dalla scala, i colori più luminosi indicano una maggiore carica. I punti luminosi sono interpretati come segni della posizione dei singoli atomi di boro sotto la superficie.

Il punto blu indica un particolare punto luminoso in cui è stata eseguita la spettroscopia del punto C rispetto a V. Il picco più grande nei dati C rispetto a V è interpretato come proveniente dalla carica che entra nel doin direttamente sotto la punta. I loro centri sono spostati in ampiezze diminuite rispetto al picco principale.

A causa della maggiore distanza dei perni DO. I picchi sono allargati lungo l'asse della tensione dagli effetti presi in considerazione nel modello che è stato sviluppato, come indicato dall'accordo della curva del modello con i dati. I dati della spettroscopia C versus V mostrati qui sono per il dope delta di arseniuro di gallio con uno strato di donatori di silicone di densità aerea, da 1,25 volte 10 a 16 per metro quadrato, situati a 60 nanometri sotto la superficie a 300 millikelvin.

Mostra anche una serie di picchi di carica, la maggior parte dei quali sono coerenti con gruppi di molti elettroni che entrano ed escono dall'apre: un singolo picco di elettroni è indicato con la freccia rossa. I dati a destra provengono da misurazioni ripetute del picco indicato dalla freccia rossa sul grafico a sinistra. Quando si calcola la media dei dati, viene effettuato un adattamento e mostrato qui in verde.

Questa curva di adattamento è coerente con la forma attesa per un singolo picco di elettroni nelle condizioni sperimentali. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione degli aspetti pratici dell'esecuzione di misurazioni della capacità di un singolo elettrone durante il tentativo di questa procedura. È importante ricordare di evitare di distruggere la canapa sensibile adottando misure precauzionali per prevenire l'accumulo di elettricità statica tra il cancello e il canale di scarico della sorgente.