Name: 走査プローブ単電子容量分光 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: 学ぶ走査プローブ単電子容量分光法を用いて、非導電性表面下のナノスケール系における単一電子の充放電を観察・空間分解する方法です。低温走査型プローブ顕微鏡と高感度電荷検出回路を活用し、量子デバイス開発に有用な電子構造情報を得られます。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

ここで説明する研究は量子科学ミシガン州立大学研究所と国立科学財団DMR-0305461、DMR-0906939、及びDMR-0605801によってサポートされていました。 KWは教育GAANN学際バイオエレクトロニクストレーニングプログラムのフェローシップの米国務省の支援を認めるものです。

1。 PROTOCOL <ol><li>顕微鏡と電子機器の初期設定<ol><li>関連する制御エレクトロニクスと極低温対応の走査型プローブ顕微鏡で始まる。研究に使用される顕微鏡は、試料に向かって&quot;歩く&quot;する慣性変換を使用して、離れて傾斜路13に沿って先端から（例えば、銅、真鍮、ステンレス鋼等の導電性材料から作られ、それらをにバイアス電圧を伝達することを可能にする、ここで説明図2に概略的に示さBesocke設計STM 14の一部としてサンプル）。 </li><li>バイアス電圧とトンネル電流同軸配線に加えて、敏感な電荷検出用の極低温増幅回路を動作させるために、顕微鏡の先端部付近まで電子機器ラックから延びる少なくとも2つの他の同軸線とアース線を提供する。参考文献5,12、および15に詳細に記載増幅回路の要素を組み立てると、その上には電子収容されているlectronicsラック、これは図2の影付きのボックスの外側回路の一部である。回路のこの部分は、実験を通して室温のままになります。 </li></ol></li><li>チップとHEMT回路（ 図2の斜線ボックス）用のチップ実装を組み立て、HEMT回路が最適なエネルギー分解能を得るために、極低温に下げられます。 <ol><li>クリーブは、正方形のチップは、約1cmのスクライブを使用したGaAsウェハから×1センチの大きさ、センサ回路とチップはこのチップにマウントされます。デポジットHEMTからワイヤには、いくつかの金パッドを形成するためのGaAsチップ上にシャドーマスクを介して層を貼りチタンの上に金を100nm程度、各サイズの約1mm×1 mmとし、抵抗器が結合されるバイアス。パッドの寸法は重要ではない。 </li><li>斜めのカッターを使用してのIrワイヤー：機械的に80:20のPtを切断することによって鋭いSTM探針を準備します。チップはまた、化学エッチング○で調製する​​ことができるR別の方法や、市販で購入することができます。走査型電子顕微鏡を介して、先端の曲率半径を決定し、曲率半径が実験のために必要な空間分解能のオーダーであるべきである。 </li><li>エポキシ極低温に耐えることができる導電性エポキシを使用して、金パッドのそれぞれの上に金線、これらのワイヤは、顕微鏡で同軸線にチップ実装上の回路の要素を接続します。金線を容易にパッド上にそれらが必要とされない場合、次のステップ、エポキシいくつかの冗長金線後に除去することができるからである。エポキシHEMT、バイアス抵抗、およびチップを搭載GaAsの上にSTM探針。その製品情報シートに示されるように、エポキシ樹脂を治す。 （詳細については、以下の材料の表を参照してください。） </li><li>金ワイヤ、ボンドがロードワイヤボンダを使用して、ソース、ドレイン、及​​びGaAsのチップ上に金のパッドを分離するHEMTのゲート素子。ゲートとソースと、oを接続するボンドワイヤを一時的rは、ゲートがソース - ドレインチャネルに対して帯電しないようにパッドを切る。 HEMTを操作中に追加の安全のためにアースストラップを使用して、それはHEMTを破壊する可能性が浮遊静電荷を導入するのを避けるための予防措置を取ることが重要です。 </li><li>ゲートと電気的にHEMTを短絡を避けるために相互に接続HEMTのソース - ドレインチャネルに接続線でプリペアチップ実装に保管してください。前のステップで説明した一時的な線が削除されている場合、優しく一緒にワイヤーをねじる。互いにすべての配線を接続するのが最も簡単である。 </li></ol></li><li>顕微鏡に取り付けチップを取り付けます。 <ol><li>これは、HEMTのゲートとソース·ドレイン間のチャネル間の破壊的な短絡を防ぐためです。ゲートとソース·ドレイン間のチャネルはフローティングされることはありませんことを確認してください。チップからの配線がハンダ付けされますように顕微鏡で同軸線を接地してください。 </li><li>貼りトン頂上にチップ実装図2に示すように、彼は、piezotubeを走査する。 </li><li>はんだチップ実装からインジウム半田を使用して適切な同軸線まで伸びる金線。 </li></ol></li><li>電子機器ラックの同軸配線に接続されているカーブトレーサを用いたHEMTの整合性をチェックします。本質的に、カーブトレーサーは、ソース - ドレイン電流 - 電圧特性を示す。最も一般的な故障モードでは、HEMTゲートとゲート電圧に鈍感であるソース·ドレイン特性をもたらす、そのソース·ドレインチャンネル間の短絡である。 </li><li>サンプルをマウントします。サンプルが正常に先端に近づくことを保証するためにSTMモードで構成され顕微鏡で範囲に入る。 <ol><li>現在の測定値をトンネリングSTMに使用プリアンプにワイヤーTを接続し、ワイヤーBにDCバイアス電圧V DCを添付（すべての接続は電子機器ラックで作られています。） </li><li>サンプルと先端がトンネルの範囲内になるまでの中を歩く。ときRAのNGE、スキャニングpiezotubeはスキャニングpiezotubeを接地すると、先端がその範囲内の拡張子から退避するようになりますようにその平衡位置から少し延長ままにしてください。これは、サンプルが正常に先端に近づくことができるかどうかを確認します。次のアクションの中に先端を保護するために、これをやった後、範囲外歩く。 </li><li>最終的な低温動作のための実験室ベンチからデュワーに顕微鏡を転送します。この時点で、テスト段階が完了し、実験段階で開始することができる。 </li></ol></li><li>少数microtorrの真空顕微鏡を汲み出す。クライオスタットの取扱説明書で説明した手順に従って、最適なエネルギー分解能については、以下の4.2 Kまで顕微鏡を冷却するか、または。 <ol><li>そのベース温度に顕微鏡を冷却した後、顕微鏡十分な時間が熱平衡に達するように、同じ面積の反復、長いスキャンが行われるので、熱ドリフトを最小化することが重要である。 （ドリフトは試料に対する先端の平衡位置のずれ）。 </li><li>できるだけ建物の機械的結合へと真空ポンプ、顕微鏡とデュワーに接続されている他の機器に起因する振動から顕微鏡を分離するためにデュワーを中断します。これは、参考文献15のように、または空気ばね又は類似の方法を用いて、バンジーコードサスペンションシステムを用いて行うことができる。 </li></ol></li><li>顕微鏡を冷却した後、データ収集を行う前に、再度カーブトレーサーを用いたHEMTの整合性を検証する。 </li><li>トンネリング（STM）モードでサンプルをスキャンします。 <ol><li>範囲に入る。破片からの実質的な高さや導電率の変化から自由である試料表面のある領域を見つけ、先端が安定していることを確認してください。 </li><li>サンプルの任意の傾きを補正するため、静電容量のスキャンはフィードバックループを無効にして実行されるので、これは特に重要です、こうして先端が表面にクラッシュする可能性があればscannる面は試料の表面に対して平行ではない。原理的には、一チップを走査しながら一定の容量を維持するようにフィードバックを容量信号を使用することができるが、実際には、信号は、フィードバックが使用される場合、クラッシュを防止するのに十分に頑強ではない。 </li><li>それは先端がオフセット再配置することによって補償することができるように、任意の熱ドリフトを観察します。トンネリングモードの範囲内で、タッチポイントとして、このプロトコルに言及しながら先端の延長量に注意してください。 </li></ol></li><li>サンプルの非摂動面積、STMモードでスキャンされていなかったものに移動します。 <ol><li> STMコントローラ内のフィードバックループを無効にします。フィードバックループが無効になっている場合、先端のマニュアル動きが誤ってクラッシュを引き起こす可能性があることを思い出してください。先端を動かしながら細心の注意は、したがって、注意が必要です。 </li><li>先端のタッチポイントから数十ナノメートルを撤回。 </li><li>サンプルWHIの周辺エリアに先端の横方向の位置をオフセットchが最近STMスキャンの半導体試料をトンネリングできるようにするために必要なバイアス電圧が誘起されている可能性があり（例えば、半導体ドーパント部位の帯電のような）任意の摂動を回避するために、スキャンされていない。 </li><li>平衡延長から先端の変位は、タッチポイントに大きさが近くなるまで慎重に表面に向かって先端を延長する。 </li></ol></li><li>静電容量モードに配線構成を切り替えます。 <ol><li> HEMTを保護するために、すべての同軸線を接地してください。 </li><li> 図2に示すように、該当する電圧源と抵抗およびロックイン増幅器と関数発生器と同軸配線を接続する。 </li><li>すべての電圧源をオンにします。 HEMTに衝撃を与えないようにするには、0での電圧ソース出力で始まるV. </li><li>未粉砕同軸配線、ゲート及びHEMTを保護するために、可能な限り相互に接続HEMTのソース - ドレイン経路を維持するために思い出す。 </li><li> Vを設定分圧器抵抗（線D）のoltageソース。 </li><li> V チューンを調整しながらマルチメータワイヤーLの両端の電圧を監視することによって、その最も敏感な領域にHEMTをチューニングします。その後、ロックインアンプにワイヤーLを取り付けます。 </li><li>ロックインアンプが増える上に、同相信号までV チューンを増やし、高原に始まり、先端に印加される電圧V チューン 、この値を記録します。これはワイヤーL.漏れるのではなく、HEMTに行くために測定値からすべての電荷を可能に</li><li>ロックインアンプのautophase能力とレコード位相値を使用しての内部位相を最適化します。 </li><li>有意な熱の影響（これは多くの場合、最大2時間かかります）がないことを確認するために安定させるためにHEMTのを待ちます。 </li></ol></li><li>唯一の関心の信号はロックインアンプに行くことを保証するために標準のコンデンサに信号を調整することにより、HEMTのバランスをとる。上の信号の調整標準コンデンサはどちらV バランスの振幅またはV バランス V 励起との間の相対的な位相に行うことができます。 HEMTは、バランスを考えた場合に、同相信号ロックインアンプ手順のこの段階で最小化される。 </li><li>スキャニング電荷蓄積イメージングを実行します。 <ol><li>サンプルのDCバイアス電圧V DCを設定します。 </li><li>リファレンスとしてタッチポイントを使用して、表面の内1 nmの先端を拡張します。 </li><li>ロックインデータ収集ソフトウェアを用いて増幅器の出力を記録し、これは、関心のある信号である。 </li><li>サンプルをスキャンします。優れた分解能を得るために、スキャンは、画素ごとに十分な信号平均化を可能にするために、画像の隣接する画素を横切る信号のスミアリングを防ぐために、1回のスキャン数時間の割合で取得する必要があるかもしれない。いくつかの同じ領域にわたってスキャン、および平均これらは信号対雑音比を改善するために一緒にスキャンを行う。 </li></OL&gt; </li><li>前のステップの間に取得された電荷蓄積画像の関心の地下特徴上記静止チップで容量（CV）分光法を実行します。 <ol><li>ランプV DCとロックインデータ収集ソフトウェアを用いて増幅器の出力を記録する。 </li><li>信号対雑音比を向上させるために同じ場所に複数の容量 - 電圧（CV）曲線、一緒に、これらの曲線の平均を取る。一般的に、いくつかの曲線が平均化されています。平均化曲線が原因でスキャン中にドリフト電位の信号対雑音比を改善しながら、連続する走査のほんの一握りを一緒に平均化されるべきである。 </li></ol></li><li>トンネリング（STM）モードに戻ります。 <ol><li>その平衡拡張と再構成STM用電子機器へのヒントを撤回。フィードバック·ループを再度有効にして先端の現在の範囲内の拡張子（タッチポイント）を記録。 </li><li>トップの機能を探すためにトンネリングモードでの領域をスキャン容量イメージングと容量分光法におけるアーティファクトを生成した可能性がありography。 </li></ol></li><li>リファレンス9およびリファレンス1でサポート情報に続いて、データを分析し、解釈する。 </li></ol>

<ol><li>Gasseller, M., DeNinno, M., Loo, R., Harrison, J. F., Caymax, M., Rogge, S., Tessmer, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-Electron+Capacitance+Spectroscopy+of+Individual+Dopants+in+Silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon.</a> Nano Lett. 11, 5208-5212 (2011).</li>
<li>Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A., Tessmer, S. H., Pfeiffer, L. N., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning-probe+spectroscopy+of+semiconductor+donor+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules.</a> Nat. Phys. 4, 227-233 (2008).</li>
<li>Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanometer-scale+capacitance+spectroscopy+of+semiconductor+donor+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+B%22%5BJournal%5D)">Nanometer-scale capacitance spectroscopy of semiconductor donor molecules.</a> Physica B. 403, 3774-3780 (2008).</li>
<li>Yoo, M. J., Fulton, T. A., Hess, H. F., Willett, R. L., Dunkleberger, L. N., Chichester, R. J., Pfeiffer, L. N., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+Single-Electron+Transistor+Microscopy%3A+Imaging+Individual+Charges%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges.</a> Science. 276, 579-582 (1997).</li>
<li>Urazhdin, S., Tessmer, S. H., Ashoori, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simple+low-dissipation+amplifier+for+cryogenic+scanning+tunneling+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy.</a> Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).</li>
<li>Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+capacitance+microscopy+on+a+25+nm+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale.</a> Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).</li>
<li>Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subsurface+charge+accumulation+imaging+of+a+quantum+Hall+liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid.</a> Nature. 392, 51-54 (1998).</li>
<li>Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+single-+and+multiple-electron+resonances+for+electric-field-sensitive+scanning+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes.</a> Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).</li>
<li>Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+electric-field-sensitive+scanning+probe+measurements+for+a+tip+of+arbitrary+shape%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Modeling electric-field-sensitive scanning probe measurements for a tip of arbitrary shape.</a> Ultramicroscopy. 102, 7-12 (2004).</li>
<li>Martin, J., Akerman, N., Ulbricht, G., Lohmann, T., Smet, J. H., von Klitzing, K., Yacoby, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+electron-hole+puddles+in+graphene+using+a+scanning+single-electron+transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor.</a> Nat. Phys. 4, 144-148 (2008).</li>
<li>Ashoori, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrons+in+artificial+atoms%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Electrons in artificial atoms.</a> Nature. 379, 413-419 (1996).</li>
<li>Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-electron+capacitance+spectroscopy+of+a+few+electron+box%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+B%22%5BJournal%5D)">Single-electron capacitance spectroscopy of a few electron box.</a> Physica B. 189, 117-124 (1993).</li>
<li>Frohn, J., Wolf, J. F., Besocke, K., Teske, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coarse+tip+distance+adjustment+and+positioner+for+a+scanning+tunneling+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Coarse tip distance adjustment and positioner for a scanning tunneling microscope.</a> Rev. Sci. Instrum. 60 (6), 1200-1201 (1989).</li>
<li>Besocke, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+easily+operable+scanning+tunneling+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">An easily operable scanning tunneling microscope.</a> Surf. Sci. 181, 145-153 (1987).</li>
<li>Urazhdin, S., Maasilta, I. J., Chakraborty, S., Moraru, I., Tessmer, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-scan-range+cryogenic+scanning+probe+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">High-scan-range cryogenic scanning probe microscope.</a> Rev. Sci. Instrum. 71 (11), 4170-4173 (2000).</li>
<li>Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-electron+capacitance+spectroscopy+of+discrete+quantum+levels%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Single-electron capacitance spectroscopy of discrete quantum levels.</a> Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3088-3091 (1992).</li>
</ol>

著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。

この実験的な方法のための理論的基礎の詳細な説明は参考資料8と9に与えられ、参考2で地下ドーパントのシナリオに関して説明され、ここで紹介する概要は、したがって、簡潔かつ概念的になります。チップは、一コンデンサのプレートと、サンプルが他のプレートを備える基礎となる導電層として扱われる。 DC電圧が印加された場合、そのような電子は、先端に向かって引っ張られ、追加料金を収容できるように下地導電層、チップ間に位置するドーパント原子が存在する場合は、電子はドーパントに入り、従って近づける先端。静電気から、この電子の動きは、先端に反対符号の映像電荷を誘導する必要があります。直流電圧に加算される正弦波励起電圧（V 励起 ） が電子基板層とドーパントとの間に共振するようになります。次に、画像は、wを充電するHEMTを利用して敏感な電荷検出回路によって検出され、さらに、ロックインアンプで増幅された交流信号を与えて、病気にも共振する。この充電信号は、その後、静電容量に変換することができる。 この実験の最も一般的な故障モードでは、敏感な電荷検出を可能にするHEM...

地下電荷蓄積（SCA）イメージングは​​、単電子チャージングイベントを解決することのできる低温法である。半導体中のドーパ​​ント原子の研究に適用された場合、本方法は、これらの微小系の量子井戸構造の特徴付けを可能にして、ドナーまたはアクセプター原子を入力して個々の電子を検出することができる。その中心には、SCAイメージングはローカル容量測定6極低温動作に適しています。静電容量、電界に基づいているので、表面06の下に絶縁帯電解決することができる長距離効果である。低温動作は、単一電子の動きや室温1,2で解決できないだろう量子レベル間隔の調査を可能にします。技術は、埋め込 ​​みインターフェイス7における二次元電子系における充電ダイナミクスを含む、絶縁表面下の電子の運動が重要である任意のシステムに適用することができ、簡潔にするために、<html>ここでの焦点は、半導体ドーパントの研究になります。 現実的な分析は、先端8,9の曲率を考慮して、より詳細な説明を必要とするものの、ほとんどの回路図レベルでは、この技術は、平行平板コンデンサの一方のプレートとして、スキャンしたヒントを扱います。 図1に示すように、このモデルの他のプレートは、下にある導電層のナノスケール領域である。本質的に、電荷が周期的な励起電圧に応答してドーパントに入ると、それは先端に近づくが、この動きは、センサ回路5によって検出されるチップ上に複数の画像電荷を誘導する。同様に、ドーパント充電が終了すると、先端のイメージ電荷は減少する。従って、励起電圧に応答して周期的な充電信号が検出された信号である - 基本的には静電容量であるので、この測定は、しばしば、システムのCV特性を決定することと呼ばれる。 テントは &quot;&gt;静電容量測定時には、唯一のネットトンネリングは、下にある導電層とドーパント層の間にある - 。直接チップ上にチャージ決してトンネル測定中に、または先端からトンネリング直接の欠如は、この重要な違いです。技術とより身近な走査型トンネル顕微鏡、多くのハードウェア、このシステムのためには、走査型トンネル顕微鏡のものと本質的に同一ですが。それはSCAイメージングは​​静電気に直接小文字が区別されないことに注意することも重要です。静電気の調査のためにディストリビューションは、ケルビンプローブ顕微鏡または静電気力顕微鏡が適切であるにも優れた電子及び空間分解能を有する局所的な電子現象が存在する調べるための追加の極低温法;。例えば、単一電子トランジスタの顕微鏡は、充電分を検出することができる別の走査型プローブ法である効果は4,10。SCAイメージングはもともとテスマー、Glicofridis、Ashoori、および共同研究者7によってMITで開発され、また、ここで説明する方法はAshooriおよび共同研究者11によって開発された単電子静電容量分光法の走査プローブ版として考えることができる。測定の重要な要素は、高電子移動度トランジスタ（HEMT）を用いて精巧に敏感な電荷検出回路5,12であり、それは0.01エレクトロン/ Hz程度の低いノイズレベルを達成することができる半 0.3°K、クライオスタットのベース温度リファレンス5インチこのような高感度、地下システムにおける単電子帯電の観察を可能にします。この方法は、平面幾何学2 10 15メートル-2のオーダーで、典型的なドーパント面密度と、半導体中のドーパントの個人や小グループの電子または正孔ダイナミクスの研究に適しています。実験のこのタイプの典型的なサンプルの構成の一例を図1に示す</strong&gt;。ドーパント層は、典型的には、表面下数十ナノメートルに配置され、その下地導電層との間にドーパント層とドーパント層と試料表面との間の正確な距離を知ることが重要である。トンネリングとは対照的に、静電容量が急激に落下しないが、代わりに本質的距離に反比例して減少する。したがって、ドーパントの深さは、原理的には先端に電界ランドのいくつかの合理的な分数限り、表面下数十ナノメートル、よりさらに深くすることができる。ここに記載された技術を含む電子挙動、前述の低温ローカルプローブのすべてのために、空間分解能は、先端の幾何学的サイズによって、関心のある地下特徴と走査プローブ先端間の距離によって制限されます。

<table><tbody><tr><td colspan="4">Equipment</td></tr><tr><td>Besocke-design STM</td><td>カスタム</td><td></td><td>リファレンス 14および15</td></tr><tr><td>STM用制御電子機器</td><td>RHKテクノロジー</td><td>SPM 1000 リビジョン7</td><td></td></tr><tr><td>ロックインアンプ</td><td>スタンフォードリサーチシステム</td>ズ <td>SR830</td><td></td></tr><tr><td>カーブトレーサー</td><td>Tektronix</td><td>Type 576</td><td></td></tr><tr><td>オシロスコープ</td><td>Tektronix</td><td>TDS360</td><td></td></tr><tr><td>Multimeter</td><td>Tektronix</td><td>DMM912</td><td></td></tr><tr><td>ワイヤーボンダー</td><td>WEST&middot;BOND</td><td>7476D</td><td>with K~1200D 温度調節器</td></tr><tr><td>はんだごて</td><td>MPJA</td><td>301-A</td><td></td></tr><tr><td>クライオスタット</td><td>オックスフォード・インスツルメンツ</td><td>Heliox</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Material</strong</td></tr><tr><td>>Pt/Ir wire, 80:20</td><td>nanoScience Instruments</td><td>201100</td><td></td></tr><tr><td>GaAs wafer</td><td>axt</td><td>S-I</td><td>実装チップ用</td></tr><tr><td>99.99% Auワイヤー、2 mil直径</td><td>SPM</td><td></td><td>取り付けチップ用</td></tr><tr><td>99.99% Auワイヤー、1 mil diameter</td><td>K&S</td><td></td><td>ワイヤーボンディング用</td></tr><tr><td>インジウムショット</td><td>Alfa Aesar</td><td>11026</td><td></td></tr><tr><td>シルバーエポキシ</td><td>Epo-Tek</td><td>EJ2189-LV</td><td>低温対応の導電性エポキシであれば何でも可</td></tr><tr><td>HEMT</td><td>富士通</td><td>低騒音 HEMT</td><td></td></tr></tbody></table>

走査プローブ単電子容量分光

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

半導体中の個々の原子ドーパントを含む - 低温走査プローブ技術と単電子容量分光法の統合は、小規模なシステムの電子の量子構造を研究するための強力なツールを表します。ここでは、イメージの個別の原子ドーパントに十分な空間分解能を達成しながら単電子帯電を解消することが可能である地下電荷蓄積（SCA）イメージング、として知られている静電容量ベースの方法を提示。静電容量方式の使用は、半導体材料1,2,3の表面の下に多数のナノメートル埋め込 ​​みドーパントとして地下特徴の観察を可能にする。原則的に、この技術は、絶縁表面直下の動きを解決するために、任意のシステムに適用することができる。 他の電界の影響を受けやすいスキャンしたプローブ技法4に示すように、測定の横方向の空間分解能はcurvaturの半径に部分的に依存するプローブ先端の電子。小さな曲率半径でのヒントを使用すると、数十ナノメートルの空間分解能を有効にすることができます。この細かい空間分解能は地下ドーパント1,2の小さな数の調査を（下1）になります。電荷分解能は電荷検出回路の感度に大きく依存し、低温でそのような回路における高電子移動度トランジスタ（HEMT）を使用して0.3 K 5で約0.01エレクトロン/ Hzの半の感度を可能にする。

成功した測定の主な指標は、多くの他の走査プローブ法のように、再現性である。繰り返し測定は、この理由のために非常に重要である。ポイント静電容量分光法については、同じ場所で連続して多数の測定を行うと、信号対雑音比を増加させ、スプリアス信号を識別するのに役立ちます。 その他の機能は電荷蓄積画像内で識別されており、静電容量分光が行われた後、CVデータの解釈は、電圧レバーアームを決定することから始まる。電圧レバーアームは、印加V DCへのドーパントの位置で実際のポテンシャルを関連スケールファクタです。それは本質的にドーパント層から先端の非ゼロ距離のために、直接、先端直下位置からドーパントのオフセットを任意の横を占めている。電圧レバーアームは、CV分光データ1,8にローレンツ関数をフィッティングにより求められる&lt;/&gt;（商標）。絶対電圧スケールが望まれる場合、接触電位（試料からの電界線が先端で終端しない程度の電圧）はケルビンプローブ測定1,2,3,7を介して決定されるべきである。 <p c...

走査プローブ単電子容量分光法は、ローカライズされた地下の地域での単一電子の運動の研究を促進する。敏感な電荷検出回路は、半導体試料の表面の下にドーパント原子の小規模システムを調査するために極低温走査型プローブ顕微鏡に組み込まれる。

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

本実験の全体的な目的は、非導電性表面の下に位置するナノスケール導電システムにおける単一電子の充放電を観察し、空間的に分解することです。これは、試料を極低温走査型プローブ顕微鏡にロードして低温および低ノイズレベルを実現し、単一電子挙動の観察を可能にすることで達成されます。次のステップとして、顕微鏡を走査型トンネル顕微鏡モードで使用し、チップを試料の最上層表面から約1 nmまで近づけます。これにより、容量測定を行うために適切な位置にチップを配置します。次に、極めて感度の高い電荷検出回路を備えた静電容量モードの顕微鏡を用い、サブサーフェス（表面下）システムにおける電子の移動によってチップに誘導される像電荷を検出します。これにより、サブサーフェス量子システムの電子構造を決定することが可能になります。その結果、個々の電子がナノスケールのサブサーフェスシステムへトンネリングし、またそこから脱出する様子が示されます。ピークおよび電圧に対する容量曲線は、電子の付加エネルギーを示しています。量子システムにおいて、半導体デバイスは小型化が進んでいます。可能な限り最小のデバイスは、単一のドナー原子または不純物原子です。提案されている多くのデバイスでは、少数の相互作用するドットが関与しています。本手法を用いることで、これらの微小な系の基本的な電子構造を解明することが可能です。この手法は、その核心において、表面下、ドーパント、および半導体試料の電子構造に関する知見を提供できます。これは静電容量法であり、表面誘電特性や仕事関数マッピングなどのさまざまな低温局所測定に拡張可能です。これらの実験は、関連する電子回路を備えた極低温対応の走査型プローブ顕微鏡を用いて行われます。バイアス、電圧、およびトンネル電流用の同軸電線に加えて、電子回路ラックから顕微鏡のチップ領域まで、少なくとも2本の追加の同軸電線と1本の接地線が配線されていることを確認してください。これらは極低温アンプの信号伝送に使用されます。次に、高電子移動度トランジスタ（HEMT）に基づいた極低温アンプ回路の組み立てを開始します。スクライバーを使用して、ガリウム砒素ウェハーから約1 cm × 1 cmのチップを切り出します。次に、蒸着を用いて、表面に約1 mm × 1 mmの金パッドを数箇所形成します。ここで、貴金属線を用いて鋭いチップを作製します。極低温対応のエポキシ樹脂を用いて、斜め切りカッターでPt-Ir（白金イリジウム）線（80:20）を切断します。ガリウム砒素チップ上の各金パッドに金線を接続します。このチップには追加の配線がなされています。現時点で不要な場合は簡単に取り除くことができますが、迷走電荷の混入を防ぐために十分な注意を払ってください。ヘンプエポキシを用いて、バイアス抵抗、チップ、およびヘンプをガリウム砒素融解チップ上に固定します。エポキシが適切に硬化した後、金線を装着したワイヤボンダーを使用し、ヘンプのソース、ドレイン、およびゲート素子をチップボンドの個別の金パッドにボンディングします。ゲートがソース・ドレインチャネルに対して帯電しないように、ゲートとソースまたはドレインパッドを接続する一時的なワイヤを設置します。マウンティングチップを顕微鏡に取り付けるには、まずチップからのワイヤをはんだ付けする顕微鏡側の同軸ワイヤを接地します。次に、スキャニングピエゾチューブの上にマウンティングチップを固定します。インジウムはんだを使用して、チップ上の金ワイヤを適切な同軸ワイヤに接続します。試験後、ヘンプマウントに試料を固定します。この試料はバカスタイルのランプに設置されており、支持ピエゾチューブに印加された電圧に応じて、試料を出し入れすることが可能です。顕微鏡およびSTMモードを用いて、試料とチップが正常に接近できるよう、試料を測定範囲内に移動させます。テストが成功した後、顕微鏡の操作中にチップを保護するため、サンプルを測定範囲の外まで遠ざけます。より低温での動作に備え、顕微鏡を研究室のベンチトップからクライオスタットへ移動させます。クライオスタットは、顕微鏡の目標ベース温度である4.2 kelvin以下を達成できるものである必要があります。顕微鏡内を数µTorrの真空まで排気した後、顕微鏡をクライオスタット内に1〜2インチずつ下げ、温度が平衡に達するまで待ちます。これには最大で数十分かかる場合があります。顕微鏡が所定の位置に配置されるまで、一度に1〜2インチずつ下げる操作を繰り返します。完全な浸漬プロセスには、ほぼ1日かかる場合があります。その後、顕微鏡を熱的に平衡状態にするまで放置してください。最後に、クライオスタットと顕微鏡の組み立てユニットを振動から遮断します。本実験では、クライオスタットに取り付けられたバンジーコード懸架システムを使用します。この懸架システムを用いて、アセンブリを地面から数インチ持ち上げ、その高さを維持してください。クライオスタットが沈下し、再懸架が必要かどうかを確認するため、高さを監視してください。STMスキャン後、チップを後退させた状態でSTMコントローラーのフィードバックループを無効にし、キャパシタンスモード測定を開始します。STM測定位置から数十ナノメートル離れた、最近スキャンしていないサンプルの領域にチップの水平位置をオフセットさせます。配線構成をキャパシタンスモードに切り替えるには、まずすべての同軸線を接地してヘンプを保護してください。Tコネクタを用いて配線を終端させることで、他の接続作業中も配線が接地された状態を維持できます。次に、同軸ケーブルを対応する電圧源、抵抗器、ロックインアンプ、およびファンクションジェネレータに接続します。すべての電圧源をゼロに設定し、電源を入れます。ゲート線から確実に接地を解除するように注意しながら、同軸線の接地を解除します。最後にHEMPを保護するため、電圧源を目的のレベルまで上げます。HEMPとアンプを調整し、最適なパフォーマンスが得られるように固定します。その後、ヘンプが安定するまで待ちます。この時点で、スキャニング、電荷蓄積イメージング、および容量電圧分光法を行うことが可能です。これは電荷蓄積イメージの一例です。サンプルは、4.2 kelvinにおいて、表面から15 nanometers下のデルタドープ層に、面密度1.7 × 10¹⁵ per meter squaredのホウ素アクセプタをドープしたシリコンを用いた。スケールで示されている通り、色が明るいほどチャージ量が増加していることを示す。明るいスポットは、個々のサブサーフェスホウ素原子の位置を示していると解釈される。青い点は、点C対V分光法を実施した特定の輝点を表しています。C対Vデータの最大のピークは、チップの直下にあるドットに電荷が流入したことによるものと解釈されます。近傍のピークは、付近にあるドットに起因します。それらの中心はシフトしており、メインピークに比べて振幅が減少しています。DOピンの間隔が広がっているため、電圧軸に沿ってピークが広がっています。これは、モデル曲線とデータの整合性から示される通り、構築されたモデルで考慮された影響によるものです。ここに示したC対V分光データは、表面下60 nmに面密度1.25×10¹⁶/m²のシリコンドナー層を持つガリウム arsenide デルタドープについて、300 mKで測定したものです。また、一連の充電ピークも見られ、そのほとんどは多数の電子がドットに出入りすることに一致しています。赤色の矢印で単一電子ピークが示されています。右側のデータは、左側のプロットで赤色の矢印で示されたピークの繰り返し測定によるものです。データを平均化し、フィッティングを行った結果をここに緑色で示します。このフィッティング曲線は、実験条件下における単一電子ピークに期待される形状と一致しています。このビデオを視聴することで、走査型単一電子容量測定を行う際の実践的な側面について十分に理解できたはずです。この手順を試みる際は、ゲートとソース・ドレインチャネル間の静電蓄積を防ぐための予防措置を講じ、繊細なHEMTを破壊しないように注意することが重要です。

scanning-probe-single-electron-capacitance-spectroscopy

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

III-V/Siヘテロ指数薄膜の欠陥を特徴付けるための走査型電子顕微鏡での電子チャネリングコントラストイメージングの使用が説明されています。この方法は、平面透過型電子顕微鏡と同様の結果をもたらしますが、必要なサンプル調製が不足しているため、大幅に短時間で済みます。...

迅速なIII-Vヘテロ特徴付けのための電子チャネリングコントラストイメージング

半導体材料の転位および粒界の光学的、電気的、構造的特性は、走査型電子顕微鏡で行われる実験によって決定することができます。電子顕微鏡は、陰極発光、電子ビーム誘起電流、および反射電子の回折を調べるために使用されてきました。...

走査型電子顕微鏡による半導体材料における拡張欠陥の総合的な特性評価

ここでは、組織のアンビエント質量分析イメージング(MSI)と、MS分析用の小型多機能デバイスであるシングルプローブを使用したin-situライブシングルセルMS(SCMS)分析の両方を実行するためのプロトコルを紹介します。...

シングルプローブの応用：周囲条件下での質量分析イメージングと単一細胞解析

この論文は、ナノ測定と分子動力学シミュレーションによって検査および検証されたフラーレンSi基板のナノ材料製造を報告します。...

Cプロービング<sub&gt; 84</sub&gt;走査型プローブ顕微鏡および分子動力学を用いたSi基板を-embedded

詳細な手順と機械的性質および原子間力顕微鏡を用いた単一タンパク質分子のアンフォールディング経路を機械的に測定するための戦略について述べる。また選択と良い単一蛋白質分子の録音の正当化のための参照として代表的な結果を述べる.

原子間力顕微鏡を用いた単一タンパク質分子の力分光法

走査型トンネル顕微鏡を用いたシリコン中のドーパント原子のナノ秒分解電荷ダイナミクスを観察するすべての電子方法を示す.

すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

原子間力顕微鏡(AFM)とスキャン電気化学顕微鏡(SECM)、すなわちAFM-SECMを組み合わせることで、ナノスケールで材料表面の高解像度の地形情報や電気化学的情報を同時に取得することができます。このような情報は、ナノ材料、電極、生体材料の局所的な表面上の異種特性(反応性、欠陥、反応部位など)を理解するために重要です。...

ハイブリッド原子間力顕微鏡走査型電気化学顕微鏡(AFM-SECM)を用いたナノ材料の表面電気化学的活性の調査

ナノスケールの分解能による大規模なサンプル検査は、特にナノ加工された半導体ウェーハにおいて、幅広い用途があります。原子間力顕微鏡は、この目的のための優れたツールとなり得ますが、イメージング速度によって制限されます。本研究では、AFMに並列アクティブカンチレバーアレイを採用し、ハイスループットかつ大規模な検査を可能にしています。...

クワトロパラレルカンチレバーアレイを用いたアクティブプローブ原子間力顕微鏡によるハイスループット大規模サンプル検査(英語)

この方法の全体的な目標は、放射光を用いた角度分解光電子分光を用いた超低温で固体の低エネルギーの電子構造を決定することです。...

超低温での角度分解光電子分光

私たちは、光パラメトリック発振器により放出された非古典光で動作条件調製方法を使用して、単一光子状態とコヒーレント状態の重ね合わせなどの光学分野を、走行非ガウス状態の信頼性の生成を説明します。タイプIとタイプIIの位相整合発振器を考慮し、このような必要な周波数フィルタリングまたはホモダイニングによる高効率量子状態の特性評価などの一般的な手順は、詳述されている。...

連続波光パラメトリック発振器の光の量子状態エンジニアリング

学ぶ走査プローブ単電子容量分光法を用いて、非導電性表面下のナノスケール系における単一電子の充放電を観察・空間分解する方法です。低温走査型プローブ顕微鏡と高感度電荷検出回路を活用し、量子デバイス開発に有用な電子構造情報を得られます。

走査プローブ単電子容量分光

さらに動画を探す