Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest obserwacja i przestrzenne rozdzielenie ładowania i rozładowania pojedynczych elektronów w nanoskalowych układach przewodzących znajdujących się pod powierzchniami nieprzewodzącymi. Osiąga się to poprzez załadowanie próbki do kriogenicznego mikroskopu z sondą skanującą w celu osiągnięcia niskich temperatur i niskiego poziomu szumów, co umożliwia obserwację zachowania pojedynczych elektronów. W drugim kroku użyj mikroskopu w trybie skaningowej mikroskopii tunelowej, aby zbliżyć końcówkę do odległości około jednego nanometra od górnej powierzchni próbki, co spowoduje umieszczenie końcówki w odpowiednim miejscu do wykonania pomiarów pojemności.

Następnie użyj mikroskopu w trybie pojemnościowym, wykorzystując niezwykle czuły obwód wykrywania ładunku do wykrycia ładunku obrazu indukowanego na końcówce przez ruch elektronów w systemie podpowierzchniowym. Pozwala to na określenie struktury elektronowej podpowierzchniowego układu kwantowego. Uzyskano wyniki, które pokazują tunelowanie pojedynczych elektronów do i z nanoskalowych systemów podpowierzchniowych.

Piki i krzywe pojemności w funkcji napięcia oznaczają energie dodawania elektronów. W systemie kwantowym urządzenia półprzewodnikowe stają się coraz mniejsze. Najmniejszym możliwym urządzeniem jest pojedynczy do w atomie lub atom zanieczyszczenia.

Wiele proponowanych urządzeń obejmuje niewielką liczbę oddziałujących ze sobą kropek. Nasza metoda może rozwiązać podstawową strukturę elektroniczną tych drobnych systemów. Metoda ta może zapewnić wgląd w strukturę elektronową próbek podpowierzchniowych, docentów i półprzewodników w jej sercu.

Jest to metoda pojemnościowa, którą można rozszerzyć na różne lokalne pomiary w niskich temperaturach, takie jak właściwości dielektryczne powierzchni i mapowanie funkcji pracy. Eksperymenty te są przeprowadzane na mikroskopie z sondą skanującą o zdolności kriogenicznej wraz z powiązaną elektroniką. Oprócz przewodów koncentrycznych dla polaryzacji, napięcia i prądu tunelowania, upewnij się, że co najmniej dwa dodatkowe przewody koncentryczne i przewód uziemiający rozciągają się od stojaka na elektronikę do obszaru końcówki mikroskopu.

Będą one wykorzystywane do przenoszenia sygnałów dla wzmacniacza kriogenicznego. Następnie rozpocznij montaż obwodu wzmacniacza kriogenicznego opartego na konopiach tranzystorowych o wysokiej ruchliwości elektronów. Użyj rysika, aby rozciąć wiór o wymiarach około jeden centymetr na jeden centymetr z płytki z arsenku galu.

Następnie użyj osadzania, aby uformować kilka złotych podkładek o wymiarach około jednego milimetra na jeden milimetr na powierzchni. Teraz przygotuj tutaj ostrą końcówkę ze szlachetnego drutu metalowego. Szczypce tnące boczne służą do przecinania drutu irydowego o grubości 80 20 platyny za pomocą żywicy epoksydowej kompatybilnej z kriogeną.

Przymocuj złoty drut do każdej ze złotych padów na chipie arsonitu galu. Na tym chipie zostały dodane dodatkowe przewody. Można je łatwo usunąć, jeśli nie są potrzebne w tym momencie, należy podjąć środki ostrożności, aby uniknąć wprowadzenia zabłąkanych ładunków.

Podczas pracy z żywicą epoksydową z konopi, rezystorem polaryzacyjnym, końcówką i konopiami na chipie do topienia arsenku galu. Po prawidłowym utwardzeniu żywicy epoksydowej użyj spoiwa drutowego wypełnionego złotym drutem, aby połączyć elementy odpływu źródłowego i bramki konopi, aby oddzielić złote podkładki wiązania chipowego. Tymczasowe przewody łączące bramę z podkładkami źródłowymi lub odpływowymi, aby zapewnić, że brama nie zostanie naładowana w stosunku do kanału odpływowego źródła.

Aby przymocować chip montażowy do mikroskopu, najpierw uziemij przewody koncentryczne na mikroskopie, do których zostaną przylutowane przewody z chipa. Następnie przymocuj chip montażowy na górze skanującej rurki do pizzo. Użyj lutu indowego, aby połączyć złote przewody na chipie z odpowiednimi przewodami koncentrycznymi.

Po przetestowaniu, integralność konopi montuje próbkę. Ta próbka jest zamontowana na rampach w stylu baka, które pozwalają jej wchodzić i wychodzić w odpowiedzi na napięcia przyłożone do podtrzymujących rurki piezoelektryczne. W mikroskopie i trybie STM przesuń próbkę w zakres, aby upewnić się, że próbka i końcówka mogą się do siebie pomyślnie zbliżyć.

Po udanym teście należy wyprowadzić próbkę daleko poza zasięg, aby chronić końcówkę podczas obsługi mikroskopu. Aby przygotować się do pracy w niższej temperaturze, przenieś mikroskop z blatu laboratoryjnego do kriostatu. Kriostat powinien być w stanie osiągnąć pożądaną temperaturę bazową mikroskopu 4,2 kelwinów lub niższą.

Po przepompowaniu mikroskopu do próżni o kilka mikrocykli, opuść mikroskop o cal lub dwa do kriostatu i poczekaj, aż temperatura się zrównoważy. Może to potrwać do kilkudziesięciu minut. Powtarzaj obniżanie o cal lub dwa na raz, aż mikroskop znajdzie się na swoim miejscu.

Cały proces zanurzenia może zająć prawie jeden dzień. Następnie mikroskop należy pozostawić do równowagi termicznej. Na koniec odizoluj kriostat i zespół mikroskopu od wibracji.

W tym eksperymencie zastosowano system zawieszenia linki bungee przymocowany do kriostatu. Użyj układu zawieszenia, aby podnieść zespół kilka cali nad ziemię i utrzymać go na tej wysokości. Monitoruj wysokość, aby wiedzieć, czy kriostat tonie i czy należy go zawiesić.

Po wykonaniu skanów STM rozpocznij pomiary w trybie pojemności, wyłączając pętlę sprzężenia zwrotnego w sterowniku STM przy cofniętej końcówce. Kilkadziesiąt nanometrów od pozycji STM przesunęło boczne położenie końcówki do obszaru próbki, który nie był ostatnio skanowany. Aby przełączyć konfigurację okablowania w tryb pojemnościowy, najpierw należy zabezpieczyć konopie, uziemiając wszystkie przewody koncentryczne.

Zakończenie przewodów za pomocą złączy T pozwala na utrzymanie uziemienia przewodów podczas wykonywania innych połączeń. Następnie podłącz przewody koncentryczne do odpowiednich źródeł napięcia i rezystorów, locke i wzmacniacza oraz generatora funkcyjnego. Ustaw wszystkie źródła napięcia na zero i włącz je.

Odłącz przewody koncentryczne, uważając, aby odłączyć przewód bramy. Na końcu, aby chronić konopie, zwiększ źródła napięcia do pożądanych poziomów. Dostosuj konopie i zablokuj amplifier, aby uzyskać optymalną wydajność.

Następnie poczekaj, aż konopie się ustabilizują. W tym momencie możliwe jest wykonanie skanowania, obrazowania akumulacji ładunku oraz pojemnościowej spektroskopii napięcia. To jest przykład obrazu akumulacji ładunku.

Próbka była domieszkowana silikonem akceptorami boru o gęstości powietrznej od 1,7 razy 10 do 15 na metr kwadratowy w warstwie delta domieszkowanej 15 nanometrów pod powierzchnią w temperaturze 4,2 kelwina. Jak wskazuje skala, jaśniejsze kolory wskazują na zwiększone ładowanie. Jasne plamy są interpretowane jako oznaczające położenie poszczególnych podpowierzchniowych atomów boru.

Niebieska kropka wskazuje konkretny jasny punkt, w którym przeprowadzono spektroskopię punktu C w stosunku do V. Największy pik w danych C versus V jest interpretowany jako pochodzący z ładunku wchodzącego do doin bezpośrednio pod końcówką Pobliskie piki są spowodowane pobliskimi kropkami. Ich środki są przesunięte w amplitudach zmniejszonych w stosunku do głównego piku.

Ze względu na zwiększoną odległość pinów DO. Piki są poszerzane wzdłuż osi napięcia przez efekty uwzględnione w opracowanym modelu, na co wskazuje zgodność krzywej modelu z danymi. Przedstawione tutaj dane ze spektroskopii C i V dotyczą domieszkowania arsenku galu delta z warstwą donorów silikonu o gęstości powietrznej, 1,25 razy 10 do 16 na metr kwadratowy, umieszczonej 60 nanometrów pod powierzchnią w temperaturze 300 milikelwinów.

Pokazuje również serię pików ładowania, z których większość jest zgodna z grupami wielu elektronów wchodzących i wychodzących z otworów do, pojedynczy pik elektronowy jest oznaczony czerwoną strzałką. Dane po prawej stronie pochodzą z powtarzających się pomiarów piku wskazywanego czerwoną strzałką na wykresie po lewej stronie. Po uśrednieniu danych wykonywane jest dopasowanie i wyświetlane w tym miejscu na zielono.

Ta krzywa dopasowania jest zgodna z oczekiwanym kształtem pojedynczego piku elektronu w warunkach eksperymentalnych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć praktyczne aspekty wykonywania pomiarów pojemności skanowania pojedynczego elektronu podczas próby tej procedury. Ważne jest, aby pamiętać, aby unikać niszczenia wrażliwych konopi, podejmując środki ostrożności, aby zapobiec gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych między bramą a kanałem odpływowym.