모든 전자 나노초 해결 주사 터널링 현미경: 촉진 단일 불순물 충전 역학 조사

전자 시간 분해 주사 터널링 현미경의 전반적인 목표는 원자 규모에서 발생하는 동적 프로세스를 연구하는 것입니다. 이 실험에서는 실리콘에서 도펀트의 하전 역학을 연구합니다. 이러한 방법은 반도체의 도펀트에 전자가 공급되는 속도 또는 터널링 전류를 사용하여 개별 원자의 자기 공명을 구동하는 방법과 같은 나노 기술 및 물리학 분야의 흥미로운 현상을 조사하는 데 사용할 수 있습니다.

이러한 기술의 주요 장점은 광학 장치를 터널링 접합부에 통합할 필요 없이 빠른 역학을 연구할 수 있다는 것입니다. 이러한 기술은 저온 또는 초고진공 주사 터널링 현미경에만 국한되지 않습니다. 먼저 초고진공이 가능한 주사 터널링 현미경을 극저온으로 냉각합니다.

현미경의 팁에 약 500메가헤르츠를 견딜 수 있는 고주파 배선이 장착되어 있는지 확인하십시오. 그런 다음 채널이 두 개 이상인 임의의 함수 생성기를 팁에 연결합니다. 펌프와 프로브 전압 펄스가 팁에 공급되기 전에 독립적으로 생성되고 합산되도록 임의의 함수 발생기를 구성하여 펌프-프로브 실험에 사용되는 전압 펄스 쌍의 사이클을 준비합니다.

다음으로, 기존 분광법에서 이미징에 사용되는 DC 바이어스 전압을 샘플에 적용합니다. 그런 다음 두 개의 무선 주파수 스위치를 임의 함수 발생기의 출력 채널에 연결합니다. 스캐닝, 터널링, 이미징 및 기존 분광학 중에 팁이 접지되도록 스위치를 구성합니다.

샘플에 연결된 프리앰프를 통해 모든 측정을 위한 터널링 전류를 수집합니다. 실리콘 카바이드 스크라이버를 사용하여 실리콘 웨이퍼의 뒷면을 긁습니다. 그런 다음 한 쌍의 유리 현미경 슬라이드를 사용하여 웨이퍼에서 샘플을 부드럽게 떼어냅니다.

실리콘 결정을 다루기 위해 세라믹 핀셋을 사용하십시오. 샘플을 스캐닝, 터널링 현미경 홀더에 부착합니다. 홀더에 고정되면 초고진공 챔버에 넣습니다.

그런 다음 샘플을 섭씨 600도까지 저항 저항으로 가열하고 초고진공 상태에서 최소 6시간 동안 해당 온도로 유지하여 가스를 제거합니다. 샘플이 냉각되면 동일한 챔버를 사용하여 필라멘트를 섭씨 1, 800도까지 저항적으로 가열하고 시스템이 기본 압력으로 회복될 때까지 기다려 텅스텐 필라멘트의 가스를 제거합니다. 그런 다음 샘플을 섭씨 900도까지 번쩍이고 해당 온도를 10초 동안 유지한 후 실온으로 다시 냉각하여 샘플 표면에서 산화물을 제거합니다.

샘플을 점진적으로 더 높은 온도로 플래시하면서 섭씨 1, 250도의 최종 플래시에 도달하려고 시도합니다. 샘플을 시키십시오amp각 플래시 후 실온으로 식히십시오. 샘플이 깨끗하게 유지되도록 하기 위해 압력이 9 곱하기 10 이상으로 음의 10 Torr로 상승할 때 중단이 깜박입니다.

그런 다음 수소 가스를 1 곱하기 10에서 음의 6 Torr의 압력으로 챔버로 누출하고 텅스텐 필라멘트를 섭씨 1, 800도까지 가열합니다. 이것은 가스를 원자 수소로 분해합니다. 샘플을 섭씨 1, 250도로 다시 번쩍이기 전에 이러한 조건에서 샘플을 2분 동안 유지합니다.

섭씨 1, 250도에서 5초 후 다시 섭씨 330도로 식힙니다. 온도를 섭씨 330도로 1분간 유지한 후 수소 누출 밸브를 닫고 텅스텐 필라멘트를 끕니다. 샘플을 실온으로 식히십시오.

마지막으로, 음의 1.8볼트의 샘플 바이어스, 50피코암페어의 전류 설정값으로 전류 피드백 컨트롤러를 연결하고 제어 소프트웨어의 자동 접근 기능을 사용하여 샘플에 팁에 접근합니다. 50 x 50 나노미터 정도로 표면의 면적을 스캔하여 표면의 품질을 확인합니다. 결함률이 1% 미만인 단일 원자 단계로 분리된 큰 테라스가 있어야 합니다.실리콘의 이량체 열은 1, 0, 0, 2, 1, 재구성이 명확하게 해결되어야 합니다.

매달린 결합은 필드 상태 이미지에서 밝은 돌출부로 나타납니다. 50 나노미터 x 50 나노미터의 넓은 면적 스캔을 수행하여 샘플 표면에서 큰 표면 결함이 없는 영역을 찾습니다. 전자 울림을 특성화하려면 팁을 표면의 수소 원자 위에 놓습니다.

각 표면 실리콘 원자는 수소 원자로 종단되기 때문에 이는 표면의 이량체 열 위에 팁을 배치하는 것과 같습니다. 전류 피드백 컨트롤러를 끈 다음 DC 전압을 -1.0V로 설정한 다음 펌프 전압을 -0.5V로, 프로브 전압을 -0.5V로, 펌프 및 프로브 펄스의 너비를 200나노초로, 펄스의 상승 및 하강 시간을 2.5나노초로 설정합니다. 그런 다음 펌프와 프로브의 상대적 지연이 마이너스 900나노초에서 900나노초로 스윕되는 일련의 펌프 및 프로브 펄스 트레인을 보냅니다.

링잉(ringing)은 원점의 양쪽에 있는 터널링 전류에서 더 작은 진폭 진동을 통해 나타납니다. 펄스의 상승 시간을 2.5나노초에서 25나노초로 증가시킴으로써, 링잉(ringing)의 강력한 억제가 관찰됩니다. 가장 정확한 분광 결과를 얻기 위해 펄스의 상승 및 하강 시간을 늘려 링잉을 제거합니다.

그러나 펄스의 너비를 늘리면 해상도가 감소한다는 점에 유의하십시오. 네거티브 팁 샘플 바이어스에서 밝은 돌출부로 나타나는 실리콘 매달린 본드 위에 팁을 배치합니다. 전류 피드백 컨트롤러를 끄고 기준 신호로 사용되는 프로브 펄스로만 구성된 트레인을 25kW의 반복률로 보냅니다.

일련의 펄스 트레인을 통해 음의 1.8볼트의 DC 바이어스에서 500밀리볼트 범위에 걸쳐 프로브 펄스의 바이어스를 스윕합니다. 각 펄스는 다른 바이어스를 가져야 합니다. 이 단계는 표준 IV 분광법과 동일하지만 듀티 사이클이 단축됩니다.

펄스의 너비가 신호 대 잡음비가 10 이상이 될 수 있을 만큼 충분히 긴지 확인합니다. 펌프 전압에 추가된 DC 전압이 25kHz의 반복률로 임계값 전압보다 크도록 고정 바이어스로 설정된 펌프 펄스로 구성된 트레인을 보냅니다. 다음으로, 프로브 펄스와 함께 펌프 펄스로 구성된 트레인을 보내고 10나노초의 지연을 보냅니다.

펌프의 프로브와 프로브 신호를 동일한 그래프에 플로팅하여 프로브를 비교합니다. 작은 신호의 모든 히스테리시스는 시간 분해 STM 기술로 프로브할 수 있는 역학을 나타냅니다. 이완 역학을 측정하려면 현미경의 끝을 실리콘 매달려 있는 본드 위에 놓고 전류 피드백 컨트롤러를 끕니다.

그런 다음 펌프 전압에 추가된 DC 전압이 25kHz의 반복률로 임계값 전압보다 크도록 고정 바이어스로 설정된 펌프 펄스로 구성된 트레인을 보냅니다. 다음으로, 또 다른 펌프 및 프로브 펄스 트레인을 보냅니다. 프로브 펄스의 진폭이 펌프보다 작고 히스테리시스가 발생하는 범위와 비슷한지 확인하십시오.

마지막으로, 펌프와 프로브 펄스 사이의 지연을 최대 수십 마이크로초까지 스윕합니다. 여기 역학을 결정하기 위해 펌프 펄스로 구성된 트레인을 다시 보내 펌프 전압에 추가된 DC 전압이 25kHz의 반복률로 임계값 전압보다 크도록 합니다. 펌프 펄스의 지속 시간을 몇 나노초에서 수백 나노초로 스윕합니다.

그런 다음 펌프 및 프로브 펄스 열을 보냅니다. 프로브 펄스는 펌프보다 진폭이 작아야 하며 히스테리시스가 발생하는 범위와 비슷해야 합니다. 기존의 스캐닝 터널링 현미경을 사용하면 필드 상태 이미지의 밝은 돌출부가 네거티브 샘플 바이어스로 실리콘 매달려 결합이 발생합니다.

어떤 경우에는 마이너스 2볼트에서 컨덕턴스의 급격한 변화를 나타냅니다. 이 특정 매달려 있는 결합의 경우 영하 2.1볼트, 마이너스 2볼트 및 마이너스 1.8볼트에서 촬영한 이미지도 이를 보여줍니다. 이러한 시간 분해 측정에서 펌프 펄스는 일시적으로 시스템을 전압 임계값 위로 끌어올리고 프로브 펄스 직후에 과도 상태의 전도도를 조사합니다.

히스테리시스의 가시성을 최대화하려면 프로브 펄스의 지속 시간이 높은 전도 상태의 이완 속도보다 짧아야 합니다. dopant relaxation dynamics를 측정할 때 pulse sequences는 pump와 probe 사이의 지연에 따라 다릅니다. 단일 지수 감쇠가 추출되어 시간이 지남에 따라 고정 오프셋으로 정착합니다.

여기 시간의 경우 펄스 시퀀스 펌프 전압 폭이 변경됩니다. 펌프의 너비를 스윕하면 도펀트가 이온화되는 평균 속도가 매핑됩니다. 현미경 설정에서 전자 링잉을 특성화하는 것이 중요합니다.

링잉은 신호 아티팩트를 초래할 수 있으므로 제거해야 합니다. 또한 펄스 길이를 확장하여 링잉을 제거하면 시간 분해능이 손실되므로 최적화해야 합니다. 실리콘의 도펀트를 연구하기 위해 시간 분해 스캐닝 터널링 현미경을 시연했지만 이러한 기술은 다른 많은 물리적 시스템에 적용할 수 있습니다.

이러한 기술의 주요 장점은 광학 시스템을 현미경과 통합할 필요가 없다는 것입니다. 극저온 및 고전압으로 작업하는 것은 위험할 수 있음을 잊지 마십시오. 현미경을 설정하고 사용할 때 항상 안전한 작업 환경을 보장하고 적절한 안전 프로토콜을 따르십시오.