Name: 모든 전자 나노초 해결 주사 터널링 현미경: 촉진 단일 불순물 충전 역학 조사 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: 배우세요 나노초 해상도 전자 주사 터널링 현미경 기법을 사용하여 실리콘 내 단일 불순물의 전하 역학을 측정하는 방법을. 이 기술은 광학 통합 없이 원자 규모의 고속 동적 과정을 연구할 수 있게 합니다.

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우리는 그들의 기술력에 대 한 마틴 Cloutier 마크 Salomons를 감사 하 고 싶습니다. 우리 또한 재정 지원을 위한 NRC, NSERC, 및 AITF을 감사합니다.

1. 현미경 및 실험 초기 설정
<ol><li>초고를 시작 수 있는 극저온 STM 진공 및 제어 소프트웨어 관련. 저온 온도에 STM을 냉각 한다. 참고:이 보고서 초고 진공을 의미를 달성 하는 시스템 < 10 x 10-10 Torr. 극저온 온도;에 STM은 냉각 한다 이것은 겸손 한 온도에서 활성화 열 dopants의 충전 역학 조사 때 특히 중요 하다입니다. 다른 실 실내 온도에 있을 수 있습니다.</li>
	<li>STM 팁은 높은-주파수 배선 (~ 500 MHz)를 갖추고 있는지 확인 합니다. 참고: 메서드를 형성 하는 펄스를 사용 하 여 표준 극저온 온도 동축 배선 (~ 20 MHz) STM의 시간 응답에서 큰 증가 보고 되었습니다 그 외 여러분 에 의해 31
</li>
	<li>펌프-프로브 실험에 사용 되는 전압 펄스 쌍의 사이클을 준비 하는 데 사용 됩니다 (그림 2), 끝에 두 개 이상 채널 임의 함수 발생기를 연결 합니다.</li>
	<li>펌프와 프로브 전압 펄스 독립적으로 생성 되 고 팁으로 공급 되 고 전에 표현 하는 임의 함수 발생기를 구성 합니다.</li>
	<li>이미징 및 기존의 분광학 샘플 (VDC)를 사용 하는 DC 바이어스 전압을 적용 합니다.</li>
	<li>임의 함수 발생기의 출력 채널에 두 개의 무선 주파수 스위치를 연결 합니다.</li>
	<li>팁 STM 이미지와 평범한 분광학, 동안 외출 것 이며 효과적인 바이어스 VDC + V팁 펌프-프로브 실험 (그림 4A) 동안 스위치를 구성 합니다.</li>
	<li>터널링 하는 샘플에 연결 된 프리 앰프를 통해 모든 측정 전류를 수집 합니다.</li>
</ol>2입니다. H-Si(100)-(2x1) 재건의 준비
<ol><li>실리콘 카바 이드 선 침으로는 웨이퍼의 뒷면을 긁 고 부드럽게 유리 현미경 슬라이드 웨이퍼에서 샘플을 스냅 하 여 3-4 ㏁ n 형 비소 실수로 Si(100) 웨이퍼에서 샘플을 쪼개 다.</li>
	<li>STM 샘플 홀더를 샘플을 부착 하 고 STM 챔버에 인접 한 초고 진공 챔버를 소개.</li>
	<li>Resistively (는 고온 계는 샘플의 온도 모니터링 하는 데 사용할 수 있습니다) 600 ° C에 난방 초고 진공에서 적어도 6 h에 대 한 해당 온도에서 누른 샘플을 드. 참고: 압력 것입니다 처음으로 상승 샘플 및 샘플 홀더 드, 하지만 기본 압력 근처 안정화 해야 (< 10-10 Torr) 몇 시간 후.</li>
	<li>계속 하기 전에 실내 온도에 냉각 샘플을 수 있습니다.</li>
	<li>Resistively 1800 ° C에 필 라 멘 트를가 열 하 고 기본 압력 복구 시스템에 대 한 대기에 의해 샘플으로 동일한 약 실에 있는 텅스텐 필 라 멘 트를 드. 계속 하기 전에 필 라 멘 트를 해제 합니다. 참고: 샘플 수 유지 챔버에이 단계 동안 기본 산화물 층 표면에 의해 패는 때문에이 단계에서 발생 하는 샘플 표면의 어떤 오염 든 지 연속적으로 제거 될 것 이다. 필 라 멘 트의 온도 고온 계를 사용 하 여 필 라 멘 트에 적용 된 특정 전류/전압을 보정 해야 합니다.</li>
	<li>10 그 온도에서 누른 깜박이 900 ° C에 샘플 샘플 표면에서 산화물을 제거 하기 전에 실내 온도에 냉각 s. 압력 깜박이 과정 기본 압력에서 몇 배나 높아집니다. 이 절차를 통해 발견 하는 섬광의 각, 후 실내 온도와 기준 압력에 계속 하기 전에 복구 하 시스템을 샘플에 대 한 기다립니다. 참고: 깜박이 열 및 냉각 100 순서 높은 램프 레이트와 샘플으로이 보고서 내에서 정의 됩니다 ° C/s.</li>
	<li>점차적으로 1250 ° c.의 최종 플래시에 도달 하려고 시도 하는 동안 높은 온도에 샘플을 플래시 압력 9 x 10-10 Torr에서 방지 하기 위해 샘플 표면 오염 점점 올라가면 어떤 플래시를 중단 합니다. 1250 ° C (단계 2.6에서에서가 열 된 필 라 멘 트에 의해 주어진 빛은 고온 계 샘플의 온도, 정확한 결과 주는에서 하며 따라서이 설정치를 사용 한다) 플래시를 달성 하는 데 사용 전압/전류를 기록 합니다. 최종 플래시에 전압/전류 크리스탈 냉각으로 샘플 330 ° C에가 열 하는 데 필요한 결정 다음 샘플 실내 온도에 냉각 하 고 계속 하기 전에 기본 압력을 복구 하는 시스템.</li>
	<li>1 x 10-6 Torr의 압력에서 챔버로 H2 가스를 누출 하 고 1800 ° c 텅스텐 필 라 멘 트가 열 참고:이 크래킹 atmoic 수소32H2 의 효과가 있다.</li>
	<li>5 그 온도에 그것을 들고 1250 ° c, 샘플을 점멸 하기 전에 2 분 동안 이러한 조건에서 샘플을 잡고 s, 및 330 ° c 냉각</li>
	<li>330 ° C에 노출의 1 분 후 동시에 H2 누설 밸브, 텅스텐 필 라 멘 트, 끄고 샘플 식 실내 온도에. 참고: 이러한 고온 플래시 샘플에서 dopants의 분포를 영향을 줍니다. 1250 ° C에 난방 근처 샘플 표면30~ 60 nm 불순물 고갈 영역을 유도 하는 것이 발견 되었습니다.</li>
	<li>표면의 STM 이미지를 복용 하 여 샘플의 품질을 확인 합니다. 참고: 좋은 샘플 큰 있을 것 이다 (> 30 nm x 30 nm)의 결함 율과 테라스 < 1% (매달려 채권, 흡착된 분자, adatoms, 등)와 고전적인 Si(100)-(2x1) 재건32, 이합체 행 기능을 시연할 예정 이다 실행 antiparallel 서로 단계 가장자리 (그림 3B)에 걸쳐.</li>
</ol>3. 터널 접합에 펌프-프로브 펄스의 품질 평가
<ol><li>-1.8 V의 샘플 바이어스 50 pA의 현재 설정치와 현재 피드백 컨트롤러를 참여 하 여 STM 팁 샘플 표면에 접근. 참고:이 조건 하에서 팁은 추정 < 1 샘플 표면에서 nm. 이 작품에 사용 된 STM 팁 다 텅스텐을 화학적으로 에칭 하 여 제작 되었다. 그것은 질소 에칭 Rezeq 외. 에 잘 설명 되어 있는 절차를 사용 하 여 더 날카롭게 했다 33.</li>
	<li>큰 영역 스캔 (예를 들어, 50 nm x 50 nm)를 복용 하 여 큰 표면 결함에서 무료로 샘플 표면 영역을 찾고 있습니다.</li>
	<li>위치는 STM 팁 표면에 H 시에는 STM 이미지 (그림 3B)에서 이합체 행으로 나타납니다.</li>
	<li>현재 피드백 컨트롤러 해제</li>
	<li>-V 1.0을 VDC ,-0.5 V에 V펌프 ,-0.5 V에 V프로브 , 200 펌프와 프로브 펄스의 폭을 설정 ns, 그리고 2.5 펄스의 상승/하강 시간 ns (그림 4A).</li>
	<li>보내기의 펌프와 프로브 펄스의 열차 시리즈 펌프와 프로브 상대적 지연-900에서 전파는 900 ns ns.</li>
	<li>터널링 하는 펌프와 프로브 사이 지연의 기능으로 현재 플롯. 그것은 가능성이 강한 울리는 (진동 터널링 하는 펌프와 프로브 펄스, 그림 4B사이 상대적 지연의 기능으로 현재에) 설명할 것 이다. 참고: 파이썬과 근원 소프트웨어 플롯, 분석 및 평가 하는이 원고에 대 한 수집 된 데이터에 사용 되었다.</li>
	<li>3.1-3.5, 단계를 반복 하지만 펄스의 상승/하강 시간 증가. 울리는 상승/하강 시간 증가 줄일 것 이다. 그러나 참고: 그것은 제공 하는 가장 정확한 분 광 결과를 울리는 제거 원하는,, 이러한 기술은 시간 해상도 사용 하는 펄스의 폭을 제한. 25 ns 상승 시간이이 일을 위해 사용 되었다.</li>
</ol>4. 시간-해결 터널링 분광학 (TR-STS) 검색
<ol><li>위치는 STM 실리콘 DB 통해 부정적인 tip 샘플 편견 (그림 3B)에서 밝은 돌출으로 나타나는 팁.</li>
	<li>STM 현재 피드백 컨트롤러를 해제 합니다.</li>
	<li>
기차만 프로브 펄스 반복 속도 25 kHz의 구성 보냅니다. 500의 범위 프로브 펄스의 바이어스 펄스 트레인의 시리즈를 통해 청소-1.8 V의 DC 바이어스에서 mV. 참고:이 간단한 실험은 기존의 STS 편견의 범위는 계수 샘플링 되는 어디에 비슷합니다.<ol>
<li>결과 스펙트럼 있다 신호 대 잡음 비 (각각 다른 바이어스)는 펄스 트레인의 기간을 구성 > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, V V목 -1.8 V, 500 mV와-V 2.0, 각각. 참고: 펌프 펄스 (1 µs는 일반적으로 충분 한) 임의로 긴 기간을 가질 수 있습니다.</li>
	<li>
열차 지연 10 다음 프로브 펄스와 펌프 펄스의 구성 보내기 ns. 이 실험에서 500 펌프 펄스의 진폭을 설정 mV와 500 50에서 프로브 펄스 스윕 mV. 참고:이 실험에서 프로브 펄스 펌프 펄스에 의해 준비 상태 보다는 기존의 STS에서 평형 상태 샘플링입니다.<ol>
<li>펌프 펄스에만이 단계에서 수집 된 신호 표시/평가할 때 적용 하는 때 신호를 뺍니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>프로브만을 비교 하 고 펌프 + 프로브를 같은 그래프에 플롯 하 여 신호. 2 개의 신호에 어떤 히스테리시스 시간 해결 STM 기법 조사 수 역학의 표시입니다. 참고: 고정 프로브 펄스의 범위를 유지 하 고 조 악 하 게 DC를 검색 하 여 (0.25 V 단계에서 예를 들면), 오프셋된 한 효율적으로 매핑할 수 역학 기술에 액세스할 수를 식별 하는 샘플의 전체 에너지 범위. 펄스 기간 실험에 따라 수정할 수 있습니다. 펌프 펄스의 폭 되도록 그것이 일관 되 게는 불순물을 이온화 되는 불순물 이온화 되, 속도 보다 더 필요 합니다. 일반적으로, 조사 기간이 두 전도도의 평균 샘플링 없이 최대 신호를 측정할 수 있다 그런 역동적인 과정 연구, 아래와 같은 순서로 이어야 합니다. 존재는 역학에서 에너지에 대 한 검색 하는 경우는 한 국가의 시스템은 히스테리시스 향상 측정 프로브 기간 최소화 하는 것이 좋습니다. 이완 시간 상수는 발견으로 신호 대 잡음 비를 개선 하기 위해 프로브 펄스의 지속 시간을 늘릴 수 있습니다.</li>
</ol>5. 시간 해결 STM 휴식 역학의 측정
<ol><li>실리콘 DB 이상의 STM 팁을 놓고 STM 현재 피드백 컨트롤러를 해제 합니다.</li>
	<li>기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, V V목 -1.8 V, 400 mV와-V 2.0, 각각. 참고: 펌프 펄스 (1 µs는 일반적으로 충분 한) 임의로 긴 기간을 가질 수 있습니다.</li>
	<li>펌프와 프로브 펄스의 기차를 보냅니다. 프로브 펄스 진폭을 펌프 보다는 고에 히스테리시스 범위에 비해 발생 확인 (V프로브 < V펌프, V프로브 + VDC≈ Vhystersis).</li>
	<li>청소 µs의 몇몇 10까지 펌프와 프로브 펄스 사이의 지연.</li>
	<li>펌프 펄스만 적용 했을 때 확인 하는 신호를 뺍니다. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, VV프로브 -1.8 V, 400 mV와 210 mV, 각각. -5 μ s에서 35 μ 상대적 지연 청소를 설정 합니다. 참고: 신호에서 취득 하는 경우 이전 단계는 잘 맞는 (R2 > 0.80) 단일 지 수 감퇴 기능에 의해 다음 펌프 펄스에 의해 준비 하는 과도 상태의 일생에서에서 추출 수 있습니다 적합.</li>
</ol>6. 시간 해결 STM 여기 역학의 측정
<ol><li>기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 보다 큰 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 VDC 및 V목 -1.8 V와-V 2.0을 각각 설정. V220와 450 mV 사이펌프 를 설정 합니다.</li>
	<li>몇 나노초 몇 백 나노초의 펌프 펄스의 지속 시간을 청소.</li>
	<li>펌프와 프로브 펄스의 기차를 보냅니다. 프로브 펄스 진폭 펌프 보다 작은 있어야 하 고에 히스테리시스 범위에 비해 발생 (V프로브 < V펌프, V프로브 + VDC≈V hystersis). 이 실험에서 210 V프로브 설정 mV.</li>
	<li>프로브 펄스만 적용 했을 때 확인 하는 신호를 뺍니다. 참고: 신호 얻은 지 수, 그것 이면 펌프 펄스 맞는에서 추출 수 있는 속도로 과도 상태 (이온된 불순물) 준비 (R2> 0.80). 위에서 설명한 프로토콜은 실험 및 여기서 설명 하는 장비입니다. 다른 시스템의 연구에 대 한 그들의 자신의 실험 설치를 사용자 지정 하는 독자에 대 한 많은 잠재적인도 있다. 예를 들어 일반적인 기술은 저온 냉각된 STMs;에 국한 되지 않습니다. 팁 자료를 사용할 수 있습니다, 그리고 그들은 질소 에칭을 필요 하지 않습니다. 또한, 적절 한 프로그램된 임의 함수 발생기는 2 개의 독립적인 채널을 합계 하는 필요를 깨뜨릴 것 더블 펄스 파형을 생성 하 사용 될 수 있습니다. 마지막으로, 낮은 대역폭 케이블 사용된31일 수 있었다.</li>
</ol>

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</ol>

저자 들은 아무 경쟁 금융 관심사 선언 합니다.

TR-STS는 펌프 펄스 적용 되지 않습니다의 이체는 기존의 STS에 비해 시스템 보다 지속적으로 높은 주파수에서 샘플링 되는. 프로브 펄스의 기간 적절 한 경우 (>ΓLH), TR-STS 신호 펌프 펄스 기존의 STS와 정확히 일치 하는 실험의 듀티 사이클에 비례 상수를 곱한 수 없이 인수 측정입니다. 이것은 가능 측정 잠금 증폭기, 그렇지 않으면 사용 되는 저역 통과 필터링으로 인해 신호의 알 수 없는 부분을 감소 것을 사용 하지 않고 만들어집니다. 이것이 싫은 그 외 여러분 에 의해 고용 하는 방법 사이의 중요 한 차이 11 그리고 그이 작품에 제시. 잠금 증폭기를 사용 하 여 측정의 감도 향상 시키기 위해 사용할 수 있습니다 하지만 기존의 STS 측정 TR-STS의 직접적인 비교를 방지 합니다. 이 감도 필요한 시스템에서 그것은 예상 두 방법 모두 그런 경험 역학를 효율적으로 검색 하 고 설정 잠금 앰프 추가 감도 해제 잠금 증...

터널링 현미경 (STM) 스캔 nanoscience 원자 규모 지형과 전자 구조를 해결 하는 능력에 대 한에서 최고의 도구가 되고있다. 그러나 기존의 STM의 한계가, 그것의 임시 해결책은 현재 프리 앰프1의 제한 된 대역폭으로 인해 밀리초 날짜 표시줄 제한입니다. 그것은 오래는 원자 과정은 일반적으로 발생 하는 저울을 STM의 시간적 해상도 확장 하는 목표 되었습니다. 시간-터널링 현미경 (STM TR) 검색에 의해 해결 프리먼 외 여러분 에서 작동 하는 개척 1 찰 스위치 및 마이크로 스트립 전송 선 터널 접합에 피코 초 전압 펄스를 전송 하는 샘플에 꽃무늬를 활용. 하지만이 접합 혼합 기법 1 nm와 20 ps2, 동시 해상도 달성 하기 위해 사용 되는 그것 결코 널리 채택 되어 전문된 샘플 구조를 사용 하 여 요구 사항으로 인해. 다행히도,이 작품에서 얻은 기본적인 통찰력 많은 시간 해결 기술;에 일반화 될 수 있습니다. STM의 회로의 대역폭 제한 여러 kilohertz 비록, STM에 비-선형 I(V) 응답 빠른 역학을 많은 펌프-프로브 사이클을 통해 얻은 평균 터널 전류를 측정 하 여 찾는 것을 수 있습니다. 개입 년에서 많은 접근 탐험 되어, 어떤을의 가장 인기 있는 간략하게 검토 아래.
동요-펄스-쌍-흥분 (SPPX) STM 직접 터널 접합을 밝게 조명 하 고 흥미로운 샘플3운반대에 의해 서브 피코 초 분해능을 달성 초고속 펄스 레이저 기술에서 진보를 활용 합니다. 입사 레이저 빛 정도 강화 전도, 무료 사업자 만들고 펌프와 프로브 (td) 사이 지연의 수 d나/dtd 잠금 앰프 측정 합니다. 펌프와 프로브 사이의 지연 보다는 다른 많은 광학 방식에서 레이저의 강도 변조 때문에 SPPX-STM 사진 조명 유도 열팽창 팁3의 방지 합니다. 이 접근의 최근 확장은 SPPX STM 펌프-프로브 지연 시간4의 범위를 확대를 펄스 따기 기법을 활용 하 여 역학 조사를 사용할 수 있는 날짜 표시줄을 확대 했습니다. 중요 한 것은,이 최근 개발도 보다는 숫자 통합을 통해 직접 나(td) 곡선을 측정 하는 능력을 제공 합니다. SPPX-STM의 최근 응용 프로그램에 단일-캐리어 재결합의 연구를 포함 했다 (Mn, Fe)/GaAs(110) 구조는 GaAs6기증자와5 역학. SPPX-STM의 응용 프로그램 일부 제한 얼굴. SPPX STM 측정 신호 그리고 무료 사업자 광 펄스에 의해 흥분된에 따라 반도체에 가장 적합 하다. 또한, 비록 큰 지역 광 펄스에 의해 흥분 하기 때문에, 끝에 지역화 터널링 전류, 신호 로컬 속성 및 소재 전송 회선입니다. 마지막으로, 접합에 바이어스를 역학 연구에서 photoinduced 이어야 합니다. 측정 날짜 표시줄에 고정 됩니다.
최근 광학 기술, 고주파 STM (THz-STM), 자유 공간 THz 펄스 STM 팁에 교차점에 초점을 맞춘 커플. 달리 SPPX STM에 결합 된 펄스 빠른 전압 펄스 서브 피코 초 분해능7전자 구동된 업무가의 조사에 대 한 허용으로 동작 합니다. 흥미롭게도, 정류 전류 THz 펄스에서 결과 액세스할 수 없는 극단적인 피크 전류 밀도에 의해 생성 기존의 STM8,9. 기술은 최근 Si(111)-(7x7)9 뜨거운 전자를 연구 하 고 이미지를 단일 pentacene 분자10의 진동 사용 되었습니다. 그러나 THz 펄스 자연스럽 게 끝에 몇 가지,, STM 실험에 THz 소스 통합 필요성 많은 경험에 도전 될 것입니다. 이 다른 광범위 하 게 적용 하 고 쉽게 구현 기술의 개발 동기.
2010 년, 싫은 외. 11 나노초 전압 펄스 DC 오프셋 위에 전자 적용 펌프와 프로브 시스템11모든 전자 기술 개발. 이 기술의 소개는 명확 하 고 실용적인 응용 프로그램의 시간 해결 STM의 이전 지켜지지 않은 물리학을 측정 하는 중요 한 데모를 제공 합니다. 교차점 앞, STM 혼합으로 빨리 하는 것은 아니지만 임의의 샘플 조사를 허용 STM 팁에 펄스 마이크로웨이브를 적용 합니다. 이 기술은 어떤 복잡 한 광학 방법론 또는 STM 접합에 광 액세스 필요 하지 않습니다. 이것은 낮은 온도 STMs에 적응 하기 쉬운 기술. 이 기술의 첫 번째 데모는 스핀 편광 STM를 스핀 상태 펌프 펄스11흥분된의 휴식 역학 측정 하는 데 사용 했다 회전 역학의 연구에 적용 했다. 최근까지, 자석 adatom 시스템12,,1314 남아 제한 하지만 응용 프로그램 개별 중간 간격에서 캐리어 캡처 속도의 연구에 확장 되었습니다 이후15 와 역학을 충전 단일 비소 dopants 실리콘15,16. 후자의 연구가이 작품의 초점 이다.
보완 금속 산화물 반도체 (CMOS) 장치는 지금 입력 정권이 어디 단일 dopants 장치 속성17 영향을 미칠 수 있기 때문에 단일 dopants 반도체에서의 속성에 대 한 연구는 상당한 관심을 끌었다 최근 . 더하여, 몇몇 학문은 설명 했다 미래의 디바이스의 기본 구성 요소로 서, 예를 들어 qubits 양자 계산18 및 양자 메모리19, 및 단일 원자 트랜지스터가20 단일 dopants 사용할 수 있습니다. , 15. 미래 장치 또한 실리콘 본드 (DB) STM 리소 그래피21원자 정밀 패턴 수 매달려 등 다른 원자 규모 결함을 통합할 수 있습니다. 이 위해, DBs 충전 qubits22, 양자 점 양자 셀룰러 오토 마 타 아키텍처23,24, 및 원자 전선25,26 으로 제안 되어 고 만드는 패턴 양자 해밀턴 논리 문27 및 인공 분자28,29. 앞으로 이동, 장치 단일 dopants 및 DBs를 통합할 수 있습니다. 이 매력적인 전략 DBs는 될 수 있는 쉽게 STM 특징 단일 불순물 장치 특성화를 핸들로 사용 표면 결함 때문입니다. 이 전략의 예를 들어, DBs 표면 근처 dopants의 충전 역학 유추 충전 센서로이 작품에 사용 됩니다. 이러한 역학 모든 전자 TR-STM 싫은 연구진이 개발한 기술에서 적응을의 사용 하 여 캡처 11
측정 종료 수소 Si(100)-(2x1) 표면에 선택한 DBs에서 수행 됩니다. 도 펀트 고갈 영역 확장 약 60 nm, 표면 아래 크리스탈30의 열 처리를 통해 만든 DB와 대량 밴드에서 몇 나머지 표면 근처 dopants 분리. DBs의 STM 연구 그들의 전도도 글로벌 샘플 등의 매개 변수, dopants의 온도, 농도에 따라 결정 되지만 개별 DBs는 또한16그들의 지역 환경 따라 강한 유사를 보여을 발견 했다. 단일 DB 이상의 STM 측정, 동안 전류 흐름 속도는 전자 팁 (Γ팁)을 DB와 DB (Γ대량)에 대량에서 터널 수에 의해 규율 됩니다 (그림 1). 그러나, DB의 전도 지역 환경에 민감한 때문에, 가까운 dopants의 충전 상태 Γ대량 (그림 1B), DB의 전도성을 모니터링 하 여 유추 될 수 있는 영향. 결과적으로, DB의 전도도 근처 dopants의 충전 상태를 감지 하는 데 사용할 수 있습니다 되는 dopants는 요금 제공 대량 (ΓLH)에서 전자를 결정 하는 데 사용 수 있고 STM 팁에 그들을 잃고 (ΓHL < / c13 >). 해결 하려면 이러한 역학, TR-STS는 끝 표면 근처 dopants의 이온화를 유도 임계값 전압 (Vthr) 주위 수행 됩니다. 펌프와 프로브 펄스의 역할은 세 가지 시간 해결 실험 기술 여기에서 동일. 펌프 정도 제공 바이어스 레벨 아래에서 V세, 불순물의 이온화를 유도 이상 합니다. 이 낮은 바이어스에 따르는 프로브 펄스에 의해 샘플링 되는 DB의 전도성을 증가 시킵니다.
이 문서에 설명 된 기술을 그 STM와 나노초 시간 간격을 밀리초에서 발생 하는 역학을 특성화 하고자 도움이 됩니다. 이러한 기술은 충전 역학 공부에 국한 되지 않습니다, 하는 동안 역학의 STM (즉, : 상태 또는 표면 근처에)에 의해 조사 될 수 있는 전도성 과도 변화를 통해 보여진는 결정적 이다. 프로브 펄스 듀티 사이클 (일반적으로 시스템 잡음 플로어 보다 작은 경우 임시 상태의 전도성 다 하지 않습니다 크게 평형 상태에서 변이 및 평형 전류 사이의 차이 곱한 되도록 1 pA), 신호는 잡음에 손실 됩니다 하 고이 기술에 의해 감지 되지 않습니다. 이 문서에서 설명 하는 데 필요한 상업적으로 사용할 수 있는 STM 시스템의 실험 수정 겸손 이기 때문에, 이러한 기술을 널리 사회에 액세스할 수 있을 것입니다 예상 된다.

<table><tbody><tr><td>저온 스캐닝 터널링 현미경</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>500MHz 대역폭 배선 맞춤 제작</td></tr><tr><td>임의 기능 생성기</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>RF 전력 분배기 / 결합기</td><td>미니 회로</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr> <tr><td>RF 스위치</td><td>미니 회로</td><td>X80-DR230-S +</td><td></td></tr> <tr><td>비접촉 적외선 고온계</td><td>미크론 적외선</td><td>MI 140</td><td></td></tr></tbody></table>

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

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

Dopants의 작은 숫자 장치 속성을 제어할 수 있습니다 비늘을 반도체 소자의 소형화 그들의 역학을 특성화 할 수 있는 새로운 기술의 개발을 필요 합니다. 단일 dopants를 조사 하 고 터널링 현미경 (STM) 검색의 사용 동기 하위 나노미터 공간 해상도를 요구 한다. 그러나, 기존의 STM 밀리초 시간 해상도로 제한 됩니다. 여러 가지 방법은 나노초 해상도 실리콘에 불순물 역학 조사이 연구에서 사용 되는 모든 전자 시간 해결 STM 등이 단점을 극복 하기 위해 개발 되었습니다. 여기에 제시 된 방법을 광범위 하 게 액세스할 수 하 고 다양 한 역학 원자 규모의 현지 측정에 대 한 허용 한다. 소설에 제시는 터널링 분광학 기술 검색 및 역학에 대 한 효율적으로 검색 하는 데 사용 시간으로 해결.

결과 텍스트의이 섹션에는 이전에 게시15,16되었습니다. 그림 3 선택 예의 동작을 보여 줍니다. 기존의 STM와 DB. 기존의 I(V) 측정 (그림 3A)는 명확 하 게 V목 에서 DB의 전도도에 날카로운 변화를 묘사-V 2.0을 =. 이 동작은 또한 STM 이미지 DB에 있는 밝은 돌출, 얼룩 덜 룩 한 돌출, 그리고 어두운 우울증의 모양을 각각-2.1 (그림 3B, 왼쪽된 패널) V,-2.0 V (중간 패널), 및-1.8 V (오른쪽 창)에서 찍은에서 관찰 됩니다. 이 전환 또한 z 컨트롤러 해제와 V목, 2-레벨에서 어느 결과 전신...

실리콘에서 불순물 원자의 나노초 해결 충전 역학 주사 터널링 현미경으로 관찰 하는 모든 전자 방법 보여 줍니다.

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

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.

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스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광 지역화 된 지하 지역에서 단일 전자 운동의 연구를 용이하게합니다. 민감한 충전 감지 회로는 반도체 시료의 표면 아래에 도펀트 원자의 작은 시스템을 조사하기 위해 극저온 스캐닝 프로브 현미경에 통합됩니다.

스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광학

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반도체 재료의 전위 및 결정립계의 광학적, 전기적, 구조적 특성은 주사 전자 현미경에서 수행된 실험에 의해 결정될 수 있습니다. 전자 현미경은 음극선 발광, 전자빔 유도 전류 및 후방 산란 전자의 회절을 조사하는 데 사용되었습니다.

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이 프로토콜은 나노 동적 프로세스의 관찰을 위해 사용 된 물 AuNPs의 투과 전자 현미경을 스캔하기위한 액체 유동 시편 홀더의 동작을 설명한다.

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여기, 우리는 프로토콜 구조와 계면 물 submolecular 해상도 이미징, 분자 조작 및 단일 결합 진동 분광학 원자 규모에서의 역학 조사를 제시.

구조와 계면 물 검색과 터널링 현미경 분광학의 역학 조사

여기, 우리는 photoexcited 분자는 열에서 주위 지역 구조의 변형의 관측 시간 해결 적외선 진동 분광학 및 전자 회절의 차동 감지 분석 프로토콜 제시 액체 크리스탈, 구조와이 광 물질의 역학 관계에 원자 관점 주는.

Photoresponsive 액정의 구조 역학을 관찰을 위한 새로운 기술

소수 종, 광원, 산소 공실 및 기타 포인트/라인/평면도 결함으로부터 정보를 안정적으로 추출하는 사고 전자 빔 흔들림 조건하에서 전자 채널링 현상을 활용하여 불순물 및 화학 상태의 사이트 점유율을 추정하기 위한 정량적 미세 분석 방법의 일반적인 개요를 제공합니다.

전자 채널링 강화 마이크로 분석에 의한 결정재료의 기능적 도팬츠/점 결함의 정량적 원자사이트 분석

이 작품은 원자 분해능 투과 전자 현미경 이미징에서 원자 위치 추적을 위한 워크플로우를 제공합니다. 이 워크플로우는 오픈 소스 Matlab 앱(EASY-STEM)을 사용하여 수행됩니다.

전자 현미경 검사를 통한 피오피터 정밀 원자 위치 추적

이 프로토콜은 표면 강화 라만 산란 분광법 및 이미징을 사용하여 단일 나노 입자의 전기화학적 이벤트를 모니터링하는 방법을 설명합니다.

Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy를 사용한 단일 나노입자의 전기화학 추적

여기에서는 광열 오프-레조넌스 태핑(PORT)을 통한 생체 분자 상호 작용을 관찰하기 위한 이미징 프로토콜을 보여주며, 이미징 매개변수를 최적화하고, 시스템 한계를 식별하고, 이미징 3점-별 DNA 모티프 어셈블리의 잠재적 개선 사항을 조사했습니다.

High-Speed Atomic Force Microscopy Imaging of DNA Three-point-Star Motif Self Assembly Using Photothermal Off-Resonance Tapping(광열 오프-레조넌스 태핑을 이용한 DNA 3점-별 모티프 자기 조립)

배우세요 나노초 해상도 전자 주사 터널링 현미경 기법을 사용하여 실리콘 내 단일 불순물의 전하 역학을 측정하는 방법을. 이 기술은 광학 통합 없이 원자 규모의 고속 동적 과정을 연구할 수 있게 합니다.

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

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