Scanning-probe Single-electron Capaciteit Spectroscopie

Het algemene doel van het volgende experiment is om het laden en ontladen van enkelvoudige elektronen in nanoschaal geleidende systemen, gelegen onder niet-geleidende oppervlakken, waar te nemen en ruimtelijk op te lossen. Dit wordt bereikt door de sample te laden op een cryogene scanning probe microscoop om lage temperaturen en lage ruisniveaus te verkrijgen, waardoor de observatie van het gedrag van enkelvoudige elektronen mogelijk wordt. In een tweede stap wordt de microscoop in de modus voor scanning tunneling microscopie gebruikt om de tip tot ongeveer één nanometer van het bovenoppervlak van de sample te brengen, waardoor de tip in een geschikte positie komt voor het uitvoeren van de capaciteitsmetingen.

Gebruik vervolgens de microscoop in capacitiemodus, waarbij gebruik wordt gemaakt van de uiterst gevoelige ladingsdetectieschakelingen om de beeldlading te detecteren die door elektronenbeweging in het onderoppervlaktesysteem op de tip wordt geïnduceerd. Dit maakt de bepaling van de elektronische structuur van het onderoppervlakte-quantsysteem mogelijk. Er worden resultaten verkregen die laten zien dat individuele elektronen tunnelen naar en vanuit nanoschaal onderoppervlaktesystemen.

Pieken en capaciteits-voltagecurves markeren de additie-energiën van elektronen. In het kwantumsysteem worden halfgeleidercomponenten steeds kleiner. De kleinst mogelijke component is een enkel dot-atoom of een onzuiverheidsatoom.

Veel voorgestelde apparaten maken gebruik van een klein aantal interagerende dots. Onze methode kan de basis elektronische structuur van deze minuscule systemen oplossen. Deze methode kan inzicht bieden in de elektronische structuur van onderoppervlakte-, docent- en halfgeleidende monsters in hun kern.

Dit is een capaciteitsmethode, die kan worden uitgebreid naar diverse lokale metingen bij lage temperaturen, zoals oppervlaktediëlektrische eigenschappen en het in kaart brengen van de uittreefunctie. Deze experimenten worden uitgevoerd op een cryogene scanning-probe-microscoop met de bijbehorende elektronica. Naast de coaxkabels voor bias, spanning en tunnelstroom, dient men ervoor te zorgen dat er ten minste twee extra coaxkabels en een aardingsdraad lopen van het elektronica-rek naar het gebied van de microscooppunt.

Deze zullen worden gebruikt om signalen voor de cryogene versterker over te dragen. Begin vervolgens met de assemblage van het cryogene versterkercircuit op basis van de high electron mobility transistor (HEMT). Gebruik een kraspen om een chip van ongeveer één centimeter bij één centimeter uit een galliumarsenid-wafer te klieven.

Gebruik vervolgens depositie om verschillende gouden pads van ongeveer één millimeter bij één millimeter op het oppervlak aan te brengen. Bereid nu hier een scherpe tip voor van een edelmetaaldraad. Er worden diagonale snijtangetjes gebruikt om een 80 20 platina-iridiumdraad af te knippen met behulp van cryogeen-compatibele epoxy.

Bevestig een gouddraad aan elk van de gouden contactpads op de galliumarsenide-chip. Op deze chip zijn extra draden toegevoegd. Deze kunnen eenvoudig worden verwijderd als ze op dit moment niet nodig zijn; neem voorzorgsmaatregelen om het introduceren van stroyladingen te voorkomen.

Bij het werken met de epoxy van de hemp, de biasweerstand, de punt en de hemp op de galliumarsenide-smeltchip. Zodra de epoxy correct is uitgehard, gebruikt u een draadbonder geladen met goudraad om de source-, drain- en gate-elementen van de hemp te verbinden met afzonderlijke gouden pads van de chipbond. Gebruik tijdelijke draden om de gate- en source- of drain-pads te verbinden om te voorkomen dat de gate wordt opgeladen ten opzichte van het source-drain-kanaal.

Om de montagechip aan de microscoop te bevestigen, dient u eerst de coaxkabels van de microscoop te aarden waaraan de draden van de chip gesoldeerd zullen worden. Bevestig vervolgens de montagechip bovenop de scanning pizzo-buis. Gebruik indiumsoldeer om de gouden draden op de chip met de overeenkomstige coaxkabels te verbinden.

Na het testen wordt de integriteit van de hennep bevestigd die het monster ondersteunt. Dit monster is gemonteerd op hellingen in baka-stijl, waardoor het kan bewegen in reactie op de spanningen die op de ondersteunende piëzobuizen worden aangelegd. Verplaats het monster in de microscoop- en STM-modus naar het bereik om te garanderen dat het monster en de tip elkaar succesvol kunnen naderen.

Verplaats na een succesvolle test het monster ver buiten het bereik om de punt te beschermen tijdens het hanteren van de microscoop. Verplaats de microscoop van de laboratoriumtafel naar de cryostaat om voorbereidingen te treffen voor bediening bij een lagere temperatuur. De cryostaat moet in staat zijn om de gewenste basistemperatuur van de microscoop van 4,2 kelvin of lager te bereiken.

Nadat de microscoop is vacuüm gepompt tot enkele microtor, wordt de microscoop inch voor inch (ongeveer 2,5 tot 5 cm per keer) in de cryostaat neergelaten en wordt gewacht tot de temperatuur is geëquilibreerd. Dit kan tot tien minuten duren. Herhaal het neerlaten in stappen van een inch of twee totdat de microscoop op zijn plaats staat.

Het volledige onderdompelingsproces kan bijna een dag duren. De microscoop moet vervolgens thermisch equilibreren. Isoleer ten slotte de cryostaat en de microscoopassemblage van vibraties.

In dit experiment wordt een ophangingssysteem met elastische koorden gebruikt dat aan de cryostaat is bevestigd. Gebruik het ophangingssysteem om de assemblage enkele inches van de grond te tillen en op die hoogte te houden. Controleer de hoogte om vast te stellen of de cryostaat zakt en opnieuw moet worden opgehangen.

Nadat de STM-scans zijn uitgevoerd, start u de metingen in capaciteitsmodus door de feedbacklus in de STM-controller uit te schakelen terwijl de punt is teruggetrokken. Verplaats de laterale positie van de punt enkele tientallen nanometers vanaf de STM-positie naar een gebied op het monster dat onlangs niet is gescand. Om de bedradingsconfiguratie naar de capaciteitsmodus om te schakelen, dient u eerst de hemps te beschermen door alle coaxiale draden te aarden.

Het afsluiten van de draden met T-connectoren zorgt ervoor dat de draden geaard blijven terwijl andere verbindingen worden gemaakt. Sluit vervolgens de coaxiale draden aan op de relevante spanningsbronnen en weerstanden, de lock-in versterker en de functiegenerator. Stel alle spanningsbronnen in op nul en schakel ze in.

Koppel de coaxiale draden los van de aarde, waarbij u voorzichtig bent bij het losschakelen van de gate-draad. Om de hemp te beschermen, verhoogt u als laatste de spanningsbronnen tot de gewenste niveaus. Stel de hemp af en blokkeer een versterker voor optimale prestaties.

Wacht vervolgens tot de sample is gestabiliseerd. Op dit punt is het mogelijk om scanning, charge accumulation imaging en capacitance voltage spectroscopy uit te voeren. Dit is een voorbeeld van een charge accumulation image.

Het monster bestond uit silicium gedoteerd met boor-acceptoren met een areale dichtheid van 1,7 × 10¹⁵ per meter vierkant in een delta-doteringslaag 15 nanometer onder het oppervlak bij 4,2 kelvin. Zoals aangegeven door de schaal, duiden fellere kleuren op een toename van de oplading. De heldere vlekken worden geïnterpreteerd als de locatie van individuele booratomen onder het oppervlak.

De blauwe stip geeft een specifiek helder punt aan waar C versus V-spectroscopie is uitgevoerd. De grootste piek in de C versus V-gegevens wordt geïnterpreteerd als lading die rechtstreeks onder de tip de quantumdot binnengaat. Naburige pieken zijn afkomstig van nabijgelegen dots. Hun centra zijn verschoven en hun amplitudes zijn verlaagd ten opzichte van de hoofdpiek.

Vanwege de toegenomen afstand van de DO-pinnen zijn de pieken verbreden langs de spanningsas door effecten die zijn meegenomen in het ontwikkelde model, zoals blijkt uit de overeenstemming tussen de modelcurve en de gegevens. De hier getoonde C versus V-spectroscopiegegevens zijn voor galliumarsenide delta-dotering met een laag siliciumdonoren met een oppervlakteconcentratie van 1,25 × 10¹⁶ per m², gelegen op 60 nm onder het oppervlak bij 300 mK.

Er is ook een reeks oplaadpieken zichtbaar, waarvan de meeste overeenkomen met groepen van meerdere elektronen die de dotum betreden en verlaten; een enkele elektronpiek is aangegeven met de rode pijl. De gegevens rechts zijn afkomstig van herhaalde metingen van de piek die met de rode pijl in de grafiek links is aangegeven. Wanneer de gegevens worden gemiddeld, wordt er een fit gemaakt, die hier in het groen wordt weergegeven.

Deze fitcurve is consistent met de verwachte vorm voor een enkele elektronpiek onder de experimentele omstandigheden. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht moeten hebben in de praktische aspecten van het uitvoeren van scanning single electron capacitance-metingen. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden de gevoelige probe te beschermen door voorzorgsmaatregelen te nemen om statische oplading tussen de gate en het source-drain-kanaal te voorkomen.