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

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 canali alla punta. Preparare i cicli delle coppie di impulsi di tensione utilizzati per gli esperimenti pompa-sonda configurando il generatore di funzioni arbitrarie in modo che gli impulsi di tensione della pompa e della sonda vengano generati in modo indipendente e sommati prima di essere inseriti nella punta.

Quindi, applicare al campione la tensione di polarizzazione CC utilizzata per l'imaging nella spettroscopia convenzionale. Quindi, collegare due interruttori a radiofrequenza ai canali di uscita del generatore di funzioni arbitrarie. Configurare gli interruttori in modo che la punta venga messa a terra durante la scansione, il tunneling, l'imaging e la spettroscopia convenzionale.

Raccogliere la corrente di tunneling per tutte le misure attraverso un preamplificatore collegato al campione. Usando un tracciatore in carburo di silicio, gratta il retro di un wafer di silicio. Quindi, utilizzare un paio di vetrini da microscopio in vetro per staccare delicatamente il campione dal wafer.

Assicurati di utilizzare una pinzetta in ceramica per maneggiare i cristalli di silicio. Fissare il campione a un supporto per microscopio a scansione a effetto tunnel. Una volta fissato nel supporto, introdurlo nella camera ad altissimo vuoto.

Quindi, degassare il campione riscaldandolo resistivamente a 600 gradi Celsius e mantenendolo a quella temperatura per almeno sei ore nel vuoto ultra-alto. Una volta che il campione è stato raffreddato, utilizzare la stessa camera per degassare un filamento di tungsteno riscaldando resistivamente il filamento a 1.800 gradi Celsius e attendendo che il sistema recuperi la pressione di base. Quindi, rimuovere l'ossido dalla superficie del campione facendo lampeggiare il campione a 900 gradi Celsius e mantenendolo a quella temperatura per 10 secondi prima di raffreddarlo di nuovo a temperatura ambiente.

Far lampeggiare progressivamente il campione a temperature più elevate mentre si tenta di raggiungere un lampo finale di 1.250 gradi Celsius. Lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente dopo ogni lampeggio. Per garantire che il campione rimanga pulito, interrompere i flash in cui la pressione sale oltre nove volte 10 fino a 10 Torr negativi.

Quindi, far fuoriuscire l'idrogeno gassoso nella camera a una pressione di una volta 10 rispetto ai sei Torr negativi e riscaldare il filamento di tungsteno a 1.800 gradi Celsius. Questo trasformerà il gas in idrogeno atomico. Tenere il campione in queste condizioni per due minuti prima di riportare il campione a 1.250 gradi Celsius.

Dopo cinque secondi a 1.250 gradi Celsius, raffreddalo di nuovo a 330 gradi Celsius. Mantieni la temperatura a 330 gradi Celsius per un minuto, quindi contemporaneamente chiudi la valvola di perdita di idrogeno e spegni il filamento di tungsteno. Lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente.

Infine, avvicinati alla punta per campionare attivando il controller di retroazione di corrente con una polarizzazione del campione di 1,8 volt negativa, il setpoint di corrente di 50 picoampere e utilizzando la funzione di avvicinamento automatico del software di controllo. Effettuare scansioni dell'area della superficie dell'ordine di 50 per 50 nanometri per verificare la qualità della superficie. Dovrebbero esserci grandi terrazze separate da singoli gradini di atomo in un tasso di difetto inferiore all'1%Le file di dimeri della ricostruzione del silicio uno zero zero due per uno dovrebbero essere chiaramente risolte.

I legami penzolanti appaiono come sporgenze luminose nelle immagini dello stato di campo. Cerca un'area sulla superficie del campione priva di grandi difetti superficiali eseguendo scansioni di grandi aree di 50 nanometri per 50 nanometri. Per caratterizzare il suono elettronico, posizionare la punta su un atomo di idrogeno sulla superficie.

Poiché ogni atomo di silicio superficiale è terminato con un atomo di idrogeno, ciò equivale a posizionare la punta sopra le file di dimeri sulla superficie. Spegnere il controller di retroazione di corrente, quindi impostare la tensione CC su meno 1,0 volt, quindi la tensione della pompa su meno 0,5 volt, la tensione della sonda su meno 0,5 volt, la larghezza della pompa e gli impulsi della sonda a 200 nanosecondi e il tempo di salita e discesa degli impulsi a 2,5 nanosecondi. Quindi, inviare una serie di treni di impulsi di pompa e sonda in cui il ritardo relativo della pompa e della sonda viene spazzato da meno 900 nanosecondi a 900 nanosecondi.

Il ringing si manifesta attraverso oscillazioni di ampiezza più piccole nella corrente di tunneling su entrambi i lati dell'origine. Aumentando i tempi di salita sugli impulsi da 2,5 nanosecondi a 25 nanosecondi, si osserva una forte soppressione del ringing. Elimina il ringing aumentando i tempi di salita e discesa degli impulsi per ottenere i risultati spettroscopici più accurati.

Tuttavia, tieni presente che l'aumento dell'ampiezza dell'impulso diminuirà la risoluzione. Posizionare la punta su un legame penzolante in silicio che appare come sporgenze luminose in corrispondenza di polarizzazioni negative del campione della punta. Spegnere il controllore di retroazione di corrente e inviare un treno composto solo dall'impulso della sonda utilizzato come segnale di riferimento con una frequenza di ripetizione di 25 kilohertz.

Su una serie di treni di impulsi, spazzare la polarizzazione dell'impulso della sonda su un intervallo di 500 millivolt dalla polarizzazione CC di 1,8 volt negativi. Ogni impulso dovrebbe avere una polarizzazione diversa. Questo passaggio è equivalente alla spettroscopia IV standard ma con un ciclo di lavoro ridotto.

Assicurarsi che l'ampiezza degli impulsi sia sufficientemente lunga da ottenere un rapporto segnale/rumore di almeno 10. Inviare un treno composto da impulsi di pompa impostati a una polarizzazione fissa in modo che la tensione CC aggiunta alla tensione di pompa sia maggiore della tensione di soglia con una frequenza di ripetizione di 25 kilohertz. Successivamente, inviare un treno composto dagli impulsi della pompa con gli impulsi della sonda seguiti da un ritardo di 10 nanosecondi.

Confrontare la sonda solo nella pompa e i segnali della sonda tracciandoli nello stesso grafico. Qualsiasi isteresi in piccoli segnali è un'indicazione di dinamiche che possono essere sondate con tecniche STM risolte nel tempo. Per misurare la dinamica di rilassamento, posizionare la punta del microscopio su un legame di silicio penzolante e spegnere il controller di retroazione di corrente.

Quindi, inviare un treno composto da impulsi di pompa impostati a una polarizzazione fissa in modo tale che la tensione CC aggiunta alla tensione di pompa sia maggiore della tensione di soglia con una frequenza di ripetizione di 25 kilohertz. Quindi, inviare un altro treno di impulsi di pompa e sonda. Assicurarsi che gli impulsi della sonda abbiano un'ampiezza inferiore a quella delle pompe e paragonabile all'intervallo in cui si verifica l'isteresi.

Infine, spazzare il ritardo tra la pompa e l'impulso della sonda fino a diverse decine di microsecondi. Per determinare la dinamica di eccitazione, inviare nuovamente un treno composto da impulsi di pompa in modo che la tensione continua aggiunta alla tensione di pompa sia maggiore della tensione di soglia con una frequenza di ripetizione di 25 kilohertz. Sweep la durata dell'impulso della pompa da alcuni nanosecondi a diverse centinaia di nanosecondi.

Quindi, inviare un treno di impulsi di pompa e sonda. Gli impulsi della sonda devono avere un'ampiezza inferiore a quella delle pompe e paragonabile all'intervallo in cui si verifica l'isteresi. Utilizzando la microscopia a effetto tunnel a scansione convenzionale, i legami pendenti del silicio si verificano come sporgenze luminose nelle immagini dello stato di campo con polarizzazione negativa del campione.

In alcuni casi, mostrano un brusco cambiamento nella conduttanza a meno due volt. Per questo specifico legame penzolante, lo mostrano anche le immagini scattate a meno 2,1 volt, meno due volt e meno 1,8 volt. In queste misure risolte nel tempo, un impulso di pompa porta transitoriamente il sistema al di sopra della soglia di tensione e, immediatamente dopo un impulso di sonda, interroga la conduttanza dello stato transitorio.

Per massimizzare la visibilità dell'isteresi, la durata dell'impulso della sonda dovrebbe essere inferiore alla velocità di rilassamento dello stato condotto elevato. Quando si misura la dinamica di rilassamento dei droganti, le sequenze di impulsi variano in ritardo tra la pompa e la sonda. Viene estratto un singolo decadimento esponenziale che si stabilizza con un offset fisso nel tempo.

Per i tempi di eccitazione, l'ampiezza della tensione della pompa della sequenza di impulsi viene modificata. Spazzando la larghezza della pompa, viene mappata la velocità media con cui il drogante viene ionizzato. È importante caratterizzare qualsiasi squillo elettronico nella configurazione del microscopio.

Il ronzio può causare artefatti di segnale e deve essere eliminato. Inoltre, tieni presente che l'eliminazione del ronzio estendendo la lunghezza dell'impulso comporta una perdita di risoluzione temporale e dovrà essere ottimizzata. Sebbene abbiamo dimostrato la microscopia a scansione a effetto tunnel risolta nel tempo per studiare i droganti nel silicio, queste tecniche possono essere applicate a molti altri sistemi fisici.

Il vantaggio principale di queste tecniche è che non è necessario integrare i sistemi ottici con il microscopio. Non dimenticare che lavorare con criogeni e alte tensioni può essere pericoloso. Garantire sempre un ambiente di lavoro sicuro e seguire un protocollo di sicurezza adeguato durante l'installazione e l'utilizzo del microscopio.