All-elektronische Nanosecond-resolved Scanning Tunneling microscopie: Vergemakkelijken van het onderzoek van één dopering gratis Dynamics

Het algemene doel van elektronische tijdsafhankelijke scanning tunneling microscopie is het bestuderen van dynamische processen die zich op atomair niveau voordoen. In deze experimenten worden de geladen dynamica van dopanten in silicium bestudeerd. Deze methoden kunnen worden gebruikt om interessante fenomenen op het gebied van nanotechnologie en fysica te onderzoeken, zoals de snelheid waarmee dopanten in halfgeleiders worden voorzien van elektronen of hoe tunnelingstromen kunnen worden gebruikt om de magnetische resonantie van individuele atomen aan te drijven.

Het belangrijkste voordeel van deze technieken is dat snelle dynamica kan worden bestudeerd zonder dat er optica in de tunnelingverbinding hoeft te worden geïntegreerd. Deze technieken zijn niet beperkt tot lage temperaturen of ultra-hoge vacuüm scanning tunneling microscopen. Om te beginnen, koel de scanning tunneling microscoop die geschikt is voor ultra-hoge vacuüm af tot lage temperaturen.

Zorg ervoor dat de punt van de microscoop is uitgerust met hoogfrequente bedrading die in staat is tot ongeveer 500 megahertz. Verbind vervolgens een willekeurige functiegenerator met minimaal twee kanalen met de punt. Bereid de cycli van spanningspulsparen voor die worden gebruikt voor pomp-sonde experimenten door de willekeurige functiegenerator zo te configureren dat de pomp- en sondespanningspulsen onafhankelijk worden gegenereerd en worden samengevat voordat ze in de punt worden gevoerd.

Breng vervolgens de DC-biasspanning aan die wordt gebruikt voor beeldvorming in conventionele spectroscopie op het monster. Verbind vervolgens twee radiofrequentieschakelaars met de uitgangskanalen van de willekeurige functiegenerator. Configureer de schakelaars zodat de punt tijdens scannen, tunneling, beeldvorming en conventionele spectroscopie geaard is.

Verzamel de tunnelingstroom voor alle metingen via een voorversterker die op het monster is aangesloten. Kras met een siliciumcarbideschrapper de achterkant van een siliciumwafer. Gebruik vervolgens een paar glazen microscoopglazen om het monster voorzichtig van de wafer te verwijderen.

Zorg ervoor dat u keramische pincetten gebruikt om siliciumkristallen te hanteren. Bevestig het monster aan een houder voor scanning tunneling. Zodra het in de houder is bevestigd, brengt u het in de ultrahoge vacuümkamer.

Vervolgens ontgast u het monster door het weerstandsafhankelijk te verwarmen tot 600 graden Celsius en het gedurende ten minste zes uur op die temperatuur te houden in de ultrahoge vacuüm. Zodra het monster is afgekoeld, gebruikt u dezelfde kamer om een wolfraamfilament te ontgasten door het filament weerstandsafhankelijk te verwarmen tot 1.800 graden Celsius en te wachten tot het systeem hersteld is naar de basisdruk. Verwijder vervolgens het oxide van het monsteroppervlak door het monster te flashen tot 900 graden Celsius en het gedurende 10 seconden op die temperatuur te houden voordat u het terugkoelt tot kamertemperatuur.

Flash het monster geleidelijk naar hogere temperaturen terwijl u probeert een laatste flash van 1.250 graden Celsius te bereiken. Laat het monster na elke flash afkoelen tot kamertemperatuur. Om ervoor te zorgen dat het monster schoon blijft, stopt u met flashen wanneer de druk boven negen keer 10 tot de min negen Torr stijgt.

Laat vervolgens waterstofgas met een druk van een keer 10 tot de min zes Torr in de kamer lekken en verwarm het wolfraamfilament tot 1.800 graden Celsius. Dit zal het gas kraken tot atomair waterstof. Houd het monster in deze omstandigheden gedurende twee minuten voordat u het monster terugflasht naar 1.250 graden Celsius.

Na vijf seconden bij 1.250 graden Celsius, koel het weer af tot 330 graden Celsius. Houd de temperatuur gedurende één minuut op 330 graden Celsius en sluit vervolgens gelijktijdig de lekklep van het waterstof en schakel het wolfraamfilament uit. Laat het monster afkoelen tot kamertemperatuur.

Benadert tenslotte de punt tot monster door de stroomfeedbackregelaar te activeren met een monsterbias van negatief 1,8 volt, de stroomsetpoint van 50 picoampere en met behulp van de auto-benaderingsfunctie van de besturingssoftware. Neem gebiedsscans van het oppervlak in de orde van 50 bij 50 nanometer om de kwaliteit van het oppervlak te verifiëren. Er moeten grote terrassen zijn gescheiden door stappen van één atoom in een defectpercentage van minder dan 1% De dimerrijen van de silicium één nul nul twee bij één reconstructie zouden duidelijk moeten worden opgelost.

Hangende bindingen verschijnen als heldere uitsteeksels in beeldveldafbeeldingen. Zoek naar een gebied op het monsteroppervlak dat vrij is van grote oppervlaktedefecten door grote gebiedsscans te maken van 50 nanometer bij 50 nanometer. Om de elektronische resonantie te karakteriseren, plaatst u de punt over een waterstofatoom op het oppervlak.

Omdat elke oppervlakte siliciumatoom wordt beëindigd met een waterstofatoom, is dit gelijkwaardig aan het positioneren van de punt over de dimerrijen op het oppervlak. Schakel de stroomfeedbackregelaar uit en stel vervolgens de DC-spanning in op min 1,0 volt, vervolgens de pompspanning op min 0,5 volt, de sondespanning op min 0,5 volt, de breedte van de pomp- en sondepulsen op 200 nanoseconden en de stijgings- en daaltijden van de pulsen op 2,5 nanoseconden. Stuur vervolgens een reeks treinen van pomp- en sondepulsen waarbij de relatieve vertraging van de pomp en sonde wordt geveegd van min 900 nanoseconden tot 900 nanoseconden.

Resonancieveerschijnselen manifesteren zich door kleinere amplitudeoscillaties in de tunnelingstroom aan beide zijden van de oorsprong. Door de stijgingstijden op de pulsen te verhogen van 2,5 nanoseconden tot 25 nanoseconden, wordt een sterke onderdrukking van de resonantie waargenomen. Elimineer resonantie door de stijgings- en daaltijden van de pulsen te verhogen om de meest nauwkeurige spectroscopische resultaten te verkrijgen.

Wees u echter bewust dat het verhogen van de breedte van de puls de resolutie zal verminderen. Plaats de punt over een siliciumhangende binding die verschijnt als heldere uitsteeksels bij negatieve tipmonsterbiassen. Schakel de stroomfeedbackregelaar uit en stuur een trein samengesteld uit alleen de sondepuls die als referentiesignaal wordt gebruikt met een herhalingssnelheid van 2