Name: Tutto-elettronico nanosecondo-risolto scansione microscopio a effetto tunnel: Agevolare le indagini di drogante singola carica dinamica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: Scopri la microscopia a scansione tunnel time-resolved completamente elettronica per studiare la dinamica dei dopanti singoli nel silicio con risoluzione nanosecondi. Questa tecnica accessibile non richiede integrazione ottica.

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Vorremmo ringraziare Martin Cloutier e Mark Salomons per la loro competenza tecnica. Ringraziamo anche NRC, NSERC e AITF sostegno finanziario.

1. il primo Setup di microscopio e gli esperimenti
<ol><li>Iniziare con un'altissima STM criogenico capace di vuoto e software di controllo associato. Raffreddare la STM a temperature criogeniche. Nota: In questo rapporto, vuoto ultraelevato si riferisce a sistemi che raggiungere < 10 x 10-10 Torr. La STM deve essere raffreddato a temperature criogeniche; Ciò è particolarmente importante quando studia le dinamiche di carica di droganti, che sono attivati termicamente a temperature modeste. Altre camere possono essere a temperatura ambiente.</li>
	<li>Assicurarsi che la punta STM è dotata di cablaggio ad alta frequenza (~ 500 MHz). Nota: Utilizzando impulso plasmare metodi, un enorme aumento del tempo di risposta di un STM con cablaggio coassiale standard temperatura criogenica (~ 20 MHz) è stato segnalato da Grosse et al. 31
</li>
	<li>Collegare un generatore di funzioni arbitrarie con almeno due canali fino alla punta (Figura 2), che verrà utilizzato per preparare i cicli di tensione impulso coppie utilizzate per esperimenti di pompa-sonda.</li>
	<li>Configurare il generatore di funzioni arbitrarie in modo che gli impulsi di tensione pompa e sonda vengono generati in modo indipendente e sommati prima di essere immessa nella punta.</li>
	<li>Applicare la tensione di polarizzazione di CC utilizzata per la spettroscopia imaging e convenzionale per il campione (VDC).</li>
	<li>Collegare due interruttori radio frequenza ai canali di uscita del generatore di funzioni arbitrarie.</li>
	<li>Configurare le opzioni in modo che la punta sarà essere collegate a terra durante spettroscopia convenzionale e di imaging di STM, e la polarizzazione efficace è VDC + Vpunta durante gli esperimenti di pompa-sonda (Figura 4A).</li>
	<li>Raccogliere la corrente per tutte le misurazioni attraverso un preamplificatore collegato al campione di tunneling.</li>
</ol>2. preparazione della ricostruzione H-Si(100)-(2x1)
<ol><li>Fendere un campione da un wafer di Si(100) di 3-4 mΩ·cm n-tipo arsenico drogato con graffi sul retro del wafer con una punta per tracciare in carburo di silicio e agganciando delicatamente il campione fuori la cialda con vetrini.</li>
	<li>Appone il campione ad un titolare di campione STM e introdurlo in una camera a vuoto ultraelevata adiacente alla camera di STM.</li>
	<li>Degassare il campione di riscaldamento resistivo a 600 ° C (un pirometro può essere utilizzato per monitorare la temperatura del campione) e mantenuto a tale temperatura per almeno 6 h nel vuoto ultraelevato. Nota: La pressione inizialmente aumenterà come il campione e il supporto del campione degas, ma si dovrebbe stabilizzare vicino la pressione base (< 10-10 Torr) dopo diverse ore.</li>
	<li>Lasciare raffreddare a temperatura ambiente prima di continuare il campione.</li>
	<li>Degassare un filamento di tungsteno nella stessa camera come l'esempio resistivo riscaldando il filamento a 1800 ° C e in attesa per il sistema di recuperare alla pressione di base. Spegnere il filamento prima di continuare. Nota: Il campione può rimanere in aula durante questo passaggio perché esso è passivato dallo strato di ossido nativo alla sua superficie, e qualsiasi contaminazione della superficie del campione causata da questo passaggio verrà rimosso successivamente. Temperatura del filamento dovrà essere tarato per una specifica corrente/tensione applicata al filamento usando un pirometro.</li>
	<li>Rimuovere l'ossido dalla superficie del campione da lampeggiante il campione a 900 ° C e mantenuto a tale temperatura per 10 s prima raffreddare a temperatura ambiente. Diversi ordini di grandezza dalla base pressione aumenta la pressione durante la procedura di lampeggia. Dopo ciascuno dei flash trovato tutta questa procedura, attendere che il campione raffreddare a temperatura ambiente e il sistema di recuperare alla pressione di base prima di continuare. Nota: Il lampeggio è definito all'interno di questo rapporto come riscaldamento e raffreddamento del campione con tassi di rampa alta, dell'ordine di 100 ° C/s.</li>
	<li>Flash progressivamente il campione a temperature più elevate durante il tentativo di raggiungere un lampo finale di 1250 ° C. Interrompere qualsiasi flash dove la pressione aumenta sopra 9 x 10-10 Torr per evitare che la superficie del campione da sempre contaminato. Registrare la tensione/corrente utilizzata per raggiungere i 1250 ° C flash (la luce emessa dal filamento riscaldato al punto 2.6 impedirà un pirometro dando una lettura precisa della temperatura del campione, e pertanto deve essere utilizzato questo setpoint). Il flash finale, determinare la tensione/corrente necessaria per riscaldare il campione a 330 ° C come il cristallo viene raffreddato, poi lasciare il campione raffreddare alla temperatura ambiente e lasciare che il sistema di recuperare alla pressione di base prima di continuare.</li>
	<li>Una perdita di gas di2 H nella camera ad una pressione di 1 x 10-6 Torr e riscaldare il filamento di tungsteno a 1800 ° C. Nota: Questo ha l'effetto di cracking H2 a atmoic idrogeno32.</li>
	<li>Tenere il campione in queste condizioni per 2 min prima di lampeggiare il campione a 1250 ° C, mantenuto a tale temperatura per 5 s e raffreddamento che a 330 ° C.</li>
	<li>Dopo 1 min di esposizione a 330 ° C, allo stesso tempo chiudere la valvola di fuga2 H, spegnere il filamento di tungsteno e lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente. Nota: Queste alte temperature flash influenzano la distribuzione di droganti nel campione. Riscaldamento a 1250 ° C è stato trovato per indurre una regione di svuotamento ~ 60 nm drogante vicino la superficie del campione30.</li>
	<li>Verificare la qualità del campione prendendo immagini STM della superficie. Nota: Buoni campioni avrà grande (> 30 nm, x 30 nm) terrazze con un tasso di difetto di < 1% (ciondolante molecole adsorbite, adatomi, obbligazioni, ecc.) e dimostrerà il classico Si(100)-(2x1) ricostruzione32, che presenta righe di dimero esecuzione in antiparallelo uno a altro attraverso bordi passo (Figura 3B).</li>
</ol>3. valutazione della qualità degli impulsi Pump-probe al bivio Tunnel
<ol><li>Approccio la punta STM per la superficie del campione impegnandosi controller di feedback corrente con un valore nominale di corrente di 50 pA e un campione parziale di -1,8 V. Nota: In queste condizioni, la punta è stimata per essere < 1 nm dalla superficie del campione. La punta STM utilizzata in questo lavoro è stato prodotto da chimicamente acquaforte policristallino tungsteno. Esso era affilato ulteriormente utilizzando un azoto acquaforte procedura, che è descritto bene in Filippo et al. 33.</li>
	<li>Cercare un'area sulla superficie del campione privo di difetti di superficie grandi prendendo scansioni di grande area (ad es., 50 nm, x 50 nm).</li>
	<li>Posizione del STM punta su un H-Si sulla superficie, che appaiono come le righe di dimero in immagini STM (Figura 3B).</li>
	<li>Spegnere il controller corrente di feedback</li>
	<li>Impostare VDC a -1,0 V, Vpompa a -0.5 V, Vsonda a -0.5 V, la larghezza degli impulsi di pompa e sonda a 200 ns e il tempo di salita/discesa degli impulsi a 2,5 ns (Figura 4A).</li>
	<li>Invia una serie di treni di impulsi di pompa e sonda dove il relativo ritardo della pompa e sonda è spazzato da -900 ns a 900 ns.</li>
	<li>Tracciare la corrente in funzione del ritardo tra la pompa e la sonda di tunneling. Probabilmente dimostrerà forte squilla (oscillazioni nella corrente in funzione del relativo ritardo tra gli impulsi di pompa e sonda, Figura 4Bdi tunneling). Nota: Il software Python e origine sono stati utilizzati per tracciare, analizzare e valutare i dati raccolti per questo manoscritto.</li>
	<li>Ripetere i passaggi da 3.1 – 3.5, ma aumentare i tempi di salita/discesa degli impulsi. Lo squillo diminuirà come sono aumentati i tempi di salita/discesa. Nota: Si è voluta eliminare squilla per fornire i risultati più accurati e spettroscopici, tuttavia, la risoluzione di tempo di queste tecniche è limitata alla larghezza degli impulsi utilizzata. 25 ns tempi di aumento sono stati utilizzati per questo lavoro.</li>
</ol>4. time-Resolved Scanning Tunneling Spectroscopy (TR-STS)
<ol><li>Posizione del STM rovesciarsi un silicio DB, che appaiono come sporgenze luminose alle polarizzazioni di punta-campione negativi (Figura 3B).</li>
	<li>Disattivare il controller di feedback corrente STM.</li>
	<li>
Inviare che un treno composto da solo l'impulso di sonda con un tasso di ripetizione di 25 kHz. Nel corso di una serie di treni di impulsi, spazzare la polarizzazione dell'impulso sonda sopra una gamma di 500 mV dalla polarizzazione di CC di -1,8 V. Nota: Questo semplice esperimento è analogo alla STS convenzionale dove la conduttanza viene campionata sopra una gamma di pregiudizi.<ol>
<li>Configurare la durata di treni di impulsi (ciascuna con un diverso orientamento) in modo tale che gli spettri risultanti hanno un rapporto segnale-rumore > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Inviare un treno composto da pompa impulsi fissato a una polarizzazione fissa (tale che VDC + Vpompa > Vthr) con un tasso di ripetizione di 25 kHz. In questi esperimenti, impostare il VDC, Vpompae Vthr -1,8 V, 500 mV e -2,0 V, rispettivamente. Nota: La pompa impulsi possono avere arbitrariamente lunghe durate (1 µs è in genere sufficiente).</li>
	<li>
Inviare un treno composto degli impulsi di pompa con gli impulsi di sonda seguiti da un ritardo di 10 ns. In questi esperimenti, impostare l'ampiezza dell'impulso pompa come 500 mV e della sonda pulse sweep da 50 a 500 mV. Nota: In questo esperimento, l'impulso di sonda è campionamento dello stato preparato dall'impulso di pompa, piuttosto che lo stato di equilibrio campionate in STS convenzionali.<ol>
<li>Sottrarre il segnale ottenuto quando solo l'impulso di pompa è stato applicato durante la visualizzazione/valutazione del segnale raccolto da questo passaggio.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Confronta solo la sonda e la pompa + sonda segnali tracciando loro nello stesso grafico. Qualsiasi isteresi in due segnali è un'indicazione delle dinamiche che possono essere sondata con tecniche di STM risolta nel tempo. Nota: Mantenendo la gamma dell'impulso sonda fissata e scansione grossolanamente il DC offset (incrementi di 0,25 V, per esempio), uno in modo efficiente possibile mappare la gamma intera energia del campione per identificare le dinamiche accessibili alla tecnica. Durate di impulso possono essere modificate a seconda dell'esperimento. La larghezza dell'impulso pompa deve essere più lungo il tasso a cui il drogante è ionizzato, tale che ionizza costantemente il drogante. In generale, le durate sonda dovrebbero essere dello stesso ordine come il processo dinamico in fase di studio, tale che il segnale massimo può essere misurato senza aver assaggiato una media degli stati due conduttanza. Quando sono alla ricerca di energie alle quali dinamiche presenti, è consigliabile che le durate della sonda sono ridotti al minimo tale che solo uno stato del sistema viene misurato per migliorare isteresi. Come si trovano le costanti di tempo di rilassamento, la durata dell'impulso sonda può essere aumentata per migliorare il rapporto segnale-rumore.</li>
</ol>5. time-resolved STM misure di rilassamento Dynamics
<ol><li>Posizionare la punta STM su un DB di silicio e spegnere il controller di feedback corrente STM.</li>
	<li>Inviare un treno composto da pompa impulsi fissato a una polarizzazione fissa (tale che VDC + Vpompa > Vthr) con un tasso di ripetizione di 25 kHz. In questi esperimenti, impostare il VDC, Vpompae Vthr -1,8 V, 400 mV e -2,0 V, rispettivamente. Nota: La pompa impulsi possono avere arbitrariamente lunghe durate (1 µs è in genere sufficiente).</li>
	<li>Inviare un treno di impulsi di pompa e sonda. Garantire che gli impulsi di sonda hanno un'ampiezza inferiore rispetto alle pompe e paragonabile alla gamma al quale isteresi si verifica (Vsonda < Vpompa, Vsonda + VDC≈ Visteresi).</li>
	<li>Spazzare il ritardo tra l'impulso di pompa e sonda fino a diverse decine di µs.</li>
	<li>Sottrarre il segnale ottenuto quando è stato applicato solo l'impulso di pompa. In questi esperimenti, impostare il VDC, Vpompae Vsonda -1,8 V, 400 mV e 210 mV, rispettivamente. Impostare il ritardo relativo sweep da-5 μs a 35 μs. Nota: Se il segnale ottenuto dal passaggio precedente è ben in forma (R2 > 0.80) da una funzione singola decadimento esponenziale, quindi la durata dello stato transitorio preparato dall'impulso di pompa può essere estratta dal fit.</li>
</ol>6. time-resolved STM misure di eccitazione dinamica
<ol><li>Inviare un treno composto da pompa impulsi fissato a una polarizzazione fissa (tale che maggiore di VDC + Vpompa > Vthr) con un tasso di ripetizione di 25 kHz. In questi esperimenti, impostare la VDC e Vthr -1,8 V e -2,0 V, rispettivamente. Impostare Vpompa tra 220 e 450 mV.</li>
	<li>Spazzare la durata dell'impulso di pompa da nanosecondi diversi a diverse centinaia di nanosecondi.</li>
	<li>Inviare un treno di impulsi di pompa e sonda. Gli impulsi di sonda dovrebbero avere un'ampiezza minore rispetto alle pompe e paragonabile alla gamma al quale isteresi si verifica (Vsonda < Vpompa, Vsonda + VDC≈V isteresi). In questi esperimenti, impostare Vsonda a 210 mV.</li>
	<li>Sottrarre il segnale ottenuto quando è stato applicato solo l'impulso di sonda. Nota: Se il segnale ottenuto è esponenziale, indica che l'impulso di pompa sta preparando lo stato transitorio (ionizzato drogante) ad un tasso che può essere estratta dal fit (R2> 0.80). Il protocollo descritto sopra è specifico per gli esperimenti e le apparecchiature descritte nel presente documento. Ci sono molti potenziali vie per i lettori di personalizzare la propria installazione sperimentale per gli studi di altri sistemi. Ad esempio, le tecniche generali non sono limitate a STMs criogenicamente raffreddato; può essere utilizzato qualsiasi materiale di punta, e non necessitano di acquaforte di azoto. Inoltre, potrebbe essere utilizzato un generatore di funzioni arbitrarie opportunamente programmato per generare forme d'onda doppio impulso, che annullerebbero la necessità di sommare due canali indipendenti. Infine, cablaggio di larghezza di banda inferiore potrebbe essere usato31.</li>
</ol>

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<li>Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1302.6522">Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).</li>
</ol>

Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

La variante del TR-STS in cui non viene applicato l'impulso di pompa è paragonabile a STS convenzionale, ad eccezione del fatto che il sistema viene campionato ad alta frequenza, piuttosto che continuamente. Se le durate degli impulsi di sonda sono appropriate (>ΓLH), il TR-STS segnale acquisito senza l'impulso di pompa può essere moltiplicato per una costante proporzionale al ciclo di dovere dell'esperimento in modo da coincidere esattamente con un convenzionale STS unità di misura. Questo è possibil...

Scansione a effetto tunnel (STM) la microscopia è diventato lo strumento premier in nanoscience per la sua capacità di risolvere su scala atomica topografia e struttura elettronica. Una limitazione di STM convenzionale, tuttavia, è che la risoluzione temporale è limitata alla scala cronologica millisecondo a causa della limitata larghezza di banda del preamplificatore attuale1. E ' stato a lungo un obiettivo di estendere la risoluzione temporale di STM per le scale su cui comunemente si verificano processi atomici. Il pionieristico lavoro in microscopia a scansione (TR-STM) risolto tempo da Freeman et al. 1 utilizzato fotoconduttivi interruttori e linee di trasmissione microstrip modellati sull'esempio di trasmettere impulsi di tensione di picosecondi fino allo svincolo di tunnel. Questa tecnica di giunzione di miscelazione è stata utilizzata per raggiungere risoluzioni simultanee di 1 nm e 20 ps2, ma mai è stato ampiamente adottato a causa della necessità di utilizzare strutture specializzate del campione. Fortunatamente, l'intuizione fondamentale che ha guadagnato da queste opere può essere generalizzata a molte tecniche risolta nel tempo; anche se la larghezza di banda di circuiteria di STM è limitato a parecchi kilohertz, la risposta non-lineare perpendicolarmente in STM permette dinamiche più veloce per essere sondata misurando la corrente di tunnelling medio ottenuto sopra molti cicli di pompa-sonda. Negli anni successivi, molti approcci sono stati esplorati, il più popolare dei quali brevemente sono esaminato qui di seguito.
Scosso-impulso-coppia-eccitato STM (SPPX) sfrutta i progressi nelle tecnologie laser pulsato ultraveloce per ottenere risoluzione sub-picosecondi di illuminare direttamente la giunzione tunnel ed emozionante vettori in esempio3. Luce laser incidente crea elementi portanti liberi che migliorano transitoriamente la conduzione, e modulazione del ritardo tra la pompa e la sonda (td) permette dho/dtd essere misurato con un lock-in amplifier. Poiché il ritardo tra la pompa e la sonda è modulato piuttosto che di intensità del laser, come in molti altri approcci ottici, SPPX-STM evita foto illuminazione-indotta espansione termica della punta3. Le estensioni più recenti di questo approccio hanno esteso le tempistiche sopra cui SPPX-STM può essere utilizzato per studiare la dinamica utilizzando tecniche di impulso-picking per aumentare la portata della pompa-sonda ritardo volte4. D'importanza, questo recente sviluppo fornisce anche la possibilità di misurare le curve ho(td) direttamente anziché tramite integrazione numerica. Recenti applicazioni di SPPX-STM hanno incluso lo studio di ricombinazione di vettore in singolo-(Mn, Fe)/GaAs(110) strutture dinamiche5 e donatore in GaAs6. Applicazioni di SPPX-STM alcune restrizioni. Il segnale CHE SPPX-STM misura dipende da elementi portanti liberi eccitati da impulsi ottici ed è più adatto ai semiconduttori. Inoltre, anche se la corrente di tunneling è localizzato alla punta, perché una grande area è eccitata da impulsi ottici, il segnale è una convoluzione di proprietà locale e trasporto materiale. Infine, il bias al bivio è fissato presso la scala di misurazione cronologica affinché la dinamica in fase di studio deve essere fotoindotti.
Una tecnica più recente ottica, terahertz (THz-STM), STM coppie impulsi THz spazio incentrati sulla diramazione per la punta STM. A differenza di SPPX-STM, gli impulsi accoppiati si comportano come impulsi di tensione veloce che consente per l'indagine di eccitazioni elettronicamente guidati con Sub-picosecondi risoluzione7. È interessante notare che, la corrente raddrizzata generata dagli impulsi THz risultati in densità di corrente di picco estreme non accessibile da convenzionale STM8,9. La tecnica è stata utilizzata recentemente per studiare gli elettroni caldi in Si(111)-(7x7)9 e la vibrazione di una molecola di pentacene singolo10di immagine. THz-impulsi coppia naturalmente alla punta, tuttavia, la necessità di integrare una fonte THz per un esperimento STM è probabile che sia difficile da molti sperimentatori. Questo motiva lo sviluppo di altre tecniche ampiamente applicabile e facilmente attuabile.
Nel 2010, restio et al. 11 sviluppato una tecnica tutto-elettronico cui impulsi di tensione di nanosecondo applicati sopra un offset DC elettronicamente pompa e il sistema11della sonda. L'introduzione di questa tecnica offerto una dimostrazione critica delle applicazioni inequivocabili e pratiche di STM risolta nel tempo per misurare fisica precedentemente inosservata. Anche se non è veloce come giunzione miscelazione STM, che ha preceduto, l'applicazione di impulsi a microonde fino alla punta STM permette arbitrari campioni per essere studiato. Questa tecnica non richiede alcun complicati metodologie ottici o accesso ottico fino al bivio STM. Questo rende la tecnica più semplice adattarsi a bassa temperatura STMs. La prima dimostrazione di queste tecniche è stata applicata allo studio della dinamica di spin dove un STM polarizzata in spin è stato utilizzato per misurare la dinamica di rilassamento degli spin-stati eccitati da impulsi pompa11. Fino a poco tempo, la sua applicazione è rimasta limitata al magnetico tengono sistemi12,13,14 , ma ha poiché stato esteso allo studio della velocità di cattura di vettore da un discreto gap metà stato15 e carica dinamica di droganti singolo arsenico in silicio15,16. Lo studio di quest'ultimo è il focus di questo lavoro.
Studi sulle proprietà delle singole droganti nei semiconduttori recentemente hanno attirato l'attenzione significativa perché dispositivi a semiconduttore (CMOS) ossido di metallo complementare entrano ora il regime cui singole droganti possono influenzare Proprietà dispositivo17 . Inoltre, parecchi studi hanno dimostrato che singole droganti possono servire come componente fondamentale dei futuri dispositivi, ad esempio come qubits per quantum calcolo18 e quantum memoria19e come singolo atomo transistor20 , 15. dispositivi di futuro possono anche includere altri difetti su scala atomica, quali il silicio penzoloni bond (DB) che può essere modellato con precisione atomica con STM Litografia21. A tal fine, DBs sono stati proposti come carica qubits22, punti quantici per quantum automi cellulari architetture23,24e fili atomici25,26 e sono state modellate per creare 27 e28,di molecole artificiali29cancelli logica Hamiltoniana quantistica. Andando avanti, dispositivi possono incorporare sia singole droganti e DBs. Si tratta di un'attraente strategia perché DBs sono difetti superficiali che facilmente possono essere caratterizzati con STM e utilizzati come un handle per la caratterizzazione di dispositivi drogante singolo. Come esempio di questa strategia, DBs sono utilizzati in questo lavoro come sensori di carica per dedurre la carica dinamica di droganti vicino alla superficie. Queste dinamiche vengono acquisite con l'uso di un approccio tutto-elettronico al TR-STM che è adattato dalle tecniche sviluppate da Loth et al. 11
Misurazioni eseguite su DBs selezionato su una superficie di Si(100)-(2x1) di idrogeno è terminato. Una regione di svuotamento di drogante che si estende circa 60 nm sotto la superficie, creato tramite trattamento termico del cristallo30, disaccoppia il DB e i pochi restanti vicino alla superficie droganti dalle bande di massa. Gli studi STM di DBs hanno trovato che loro conduttanza è dipendente da parametri del campione globale, quali la concentrazione di droganti e la temperatura, ma singoli DBs mostrano anche forti variazioni a seconda del loro ambiente locale16. Durante una misurazione di STM nel corso di un singolo DB, il flusso di corrente è regolato dal tasso a cui gli elettroni possono tunnel dalla maggior parte al DB (Γalla rinfusa) e dal DB fino alla punta (puntaΓ) (Figura 1). Tuttavia, poiché la conduzione del DB è sensibile al suo ambiente locale, lo stato di carica della vicinanze droganti influenze Γmassa (Figura 1B), che possono essere dedotte mediante monitoraggio conduttanza del DB. Di conseguenza, la conduttanza di un DB può essere utilizzata per rilevare gli Stati di carica di droganti nelle vicinanze e può essere utilizzata per determinare le tariffe a cui i droganti sono forniti gli elettroni dalla massa (ΓLH) e li perdono fino alla punta STM (ΓHL < / c13 >). Per risolvere queste dinamiche, TR-STS viene eseguita intorno le tensioni di soglia (Vthr) in cui la punta induce la ionizzazione di droganti vicino alla superficie. Il ruolo degli impulsi di pompa e sonda è lo stesso nelle tre tecniche sperimentali risolta in tempo qui presentate. La pompa transitoriamente porta il livello di polarizzazione da sotto a sopra Vthr, che induce la ionizzazione di drogante. Questo aumenta la conduttanza del DB, che è campionata dall'impulso di sonda che segue a una distorsione inferiore.
Le tecniche descritte in questo documento saranno particolarmente coloro che desiderano caratterizzare le dinamiche che si verificano su al millisecondo alla scala cronologica di nanosecondi con STM. Sebbene queste tecniche non sono limitate a studiare carica dinamica, è essenziale che le dinamiche sono manifesta attraverso cambiamenti transitori nella conduttanza degli Stati che possono essere sondati da STM (cioè, stati su o vicino alla superficie). Se la conduttanza degli stati transitori non differisce significativamente dallo stato di equilibrio, tale che moltiplicato per la differenza tra le correnti transitori ed equilibrio il ciclo di dovere di impulso sonda è minore il rumore di fondo di sistemi (in genere 1 pA), il segnale sarà perso nel rumore e non sarà rilevabile da questa tecnica. Perché le modifiche sperimentali dei sistemi STM commercialmente disponibili necessari per eseguire le tecniche descritte in questo documento sono modeste, si prevede che queste tecniche saranno ampiamente accessibili alla comunità.

<table><tbody><tr><td>Microscopio a scansione a effetto tunnel a bassa temperatura</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>Realizzato su misura con cablaggio a larghezza di banda di 500 MHz</td></tr><tr><td>Funzione arbitararia Genorator</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>Splitter / Combinatore di potenza RF</td><td>Mini-circuiti</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr><tr><td>RF Switch</td><td></td><td>X80-DR230-S +</td><td></td></tr><tr><td>Pirometri a infrarossi senza contatto</td><td>Micron Infrarosso</td><td>MI 140</td><td></td></tr></tbody></table>

tutto-elettronico nanosecondo-risolto scansione microscopio a effetto tunnel: agevolare le indagini di drogante singola carica dinamica

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

La miniaturizzazione dei dispositivi a semiconduttore alle scale dove un piccolo numero di droganti possa controllare le proprietà della periferica richiede lo sviluppo di nuove tecniche in grado di caratterizzare la loro dinamica. Indagando su singole droganti richiede risoluzione spaziale sub-nanometrica, che motiva l'uso di microscopia a scansione (STM). Tuttavia, STM convenzionale è limitata alla risoluzione temporale di millisecondo. Diversi metodi sono stati sviluppati per superare questa carenza, tra cui tutto-elettronico STM risolta in tempo, che viene utilizzato in questo studio per esaminare la dinamica di drogante nel silicio con risoluzione nanosecondo. I metodi presentati qui sono ampiamente accessibili e permettono per misura locale di una vasta gamma di dinamica su scala atomica. Un romanzo tempo-risolta scanning tunneling tecnica di spettroscopia è presentato e utilizzato per cercare in modo efficace per dynamics.

I risultati presentati in questa sezione del testo sono stati precedentemente pubblicati15,16. Nella figura 3 viene illustrato il comportamento di un esempio selezionato DB con STM convenzionali. Una misurazione perpendicolarmente convenzionale (Figura 3A) rappresenta chiaramente un brusco cambiamento nella conduttanza del DB a Vthr = -2,0 V. Questo co...

Dimostriamo un metodo tutto-elettronico per osservare le dinamiche di nanosecondo-risolto carica degli atomi di drogante nel silicio con un microscopio a effetto tunnel.

Tutto-elettronico nanosecondo-risolto scansione microscopio a effetto tunnel: Agevolare le indagini di drogante singola carica dinamica

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

L'obiettivo generale della microscopia elettronica a scansione a effetto tunnel risolta nel tempo è quello di studiare i processi dinamici che si verificano su scala atomica. In questi esperimenti, viene studiata la dinamica carica dei droganti nel silicio. Questi metodi possono essere utilizzati per studiare fenomeni interessanti nel campo della nanotecnologia e della fisica, come la velocità con cui i droganti nei semiconduttori vengono riforniti di elettroni o come le correnti di tunneling possono essere utilizzate per guidare la risonanza magnetica dei singoli atomi.Il vantaggio principale di queste tecniche è che la dinamica veloce può essere studiata senza la necessità di integrare l'ottica nella giunzione di tunneling. Queste tecniche non si limitano alle basse temperature o ai microscopi a scansione a effetto tunnel in ultra-alto vuoto. Per iniziare, raffreddare il microscopio a scansione a effetto tunnel in grado di raggiungere temperature da ultra-alto vuoto a criogeniche.Assicurarsi che la punta del microscopio sia dotata di un cablaggio ad alta frequenza in grado di raggiungere circa 500 megahertz. Quindi, collega un generatore di funzioni arbitrarie con almeno due cana

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Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

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Fabbricazione di gate-sintonizzabili dispositivi di grafene per effetto tunnel studi di microscopia con Coulomb impurità

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Tutto-elettronico nanosecondo-risolto scansione microscopio a effetto tunnel: Agevolare le indagini di drogante singola carica dinamica

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