Name: Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: Poznaj spektroskopię pojemnościową jednoelektronową z sondą skanującą do badania ruchu elektronów w nanoskalowych układach. Ta metoda umożliwia obserwację ładowania i rozładowywania pojedynczych elektronów w lokalizowanych obszarach podpowierzchniowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Omawiane tutaj badania były wspierane przez Michigan State University Institute for Quantum Sciences oraz National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939 i DMR-0605801. K.W. dziękuje za wsparcie ze strony stypendium U.S. Department of Education GAANN Interdisciplinary Bioelectronics Training Program.

1. Protokół
<ol>
	<li>Wstępna konfiguracja mikroskopu i elektroniki.
	<ol>
		<li>Zacznij od mikroskopu z sondą skanującą z funkcją kriogeniczną i powiązaną elektroniką sterującą. Mikroskopy używane do opisanych tutaj badań wykorzystują translację inercyjną do "chodzenia" próbki w kierunku i od niej wzdłuż ramp13 (wykonanych z materiału przewodzącego, takiego jak miedź, mosiądz lub stal nierdzewna, aby umożliwić im przenoszenie napięcia polaryzacji do próbki) w ramach projektu Besocke STM14, schematycznie pokazanego na rysunku 2.</li>
		<li>Oprócz przewodów koncentrycznych napięcia polaryzacji i prądu tunelowego, należy zapewnić co najmniej dwa inne przewody koncentryczne i przewód uziemiający, które rozciągają się od stojaka elektronicznego w pobliże obszaru końcówki mikroskopu, aby obsługiwać obwód wzmacniacza kriogenicznego w celu wykrywania czułych ładunków. Zmontuj elementy obwodu wzmacniacza, opisane szczegółowo w odniesieniach 5, 12 i 15, które znajdują się na stojaku elektronicznym; jest to część obwodu znajdująca się poza zacienionym polem na rysunku 2. Ta część obwodu pozostanie w temperaturze pokojowej przez cały czas trwania eksperymentu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zamontuj układ montażowy końcówki i obwodu HEMT (zacienione pole na rysunku 2); obwód HEMT zostanie obniżony do temperatury kriogenicznej, aby uzyskać optymalną rozdzielczość energetyczną.
	<ol>
		<li>Rozetnij kwadratowy wiór o wymiarach około 1 cm x 1 cm od płytki GaAs za pomocą rysika; obwód czujnika i końcówka zostaną zamontowane na tym chipie. Umieść około 100 nm złota na tytanowej warstwie wystającej przez maskę cienia na chipie GaAs, aby utworzyć kilka złotych padów, każda o wymiarach około 1 mm x 1 mm, do których zostaną podłączone przewody z HEMT i rezystora polaryzacyjnego. Wymiary klocków nie są krytyczne.</li>
		<li>Przygotuj ostrą końcówkę STM, przecinając mechanicznie drut 80:20 Pt:Ir za pomocą szczypiec do cięcia bocznego. Końcówkę można również przygotować przez trawienie chemiczne lub inną metodę lub można ją kupić komercyjnie. Określ promień krzywizny końcówki za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej; Promień krzywizny powinien być zgodny z rozdzielczością przestrzenną potrzebną do przeprowadzenia eksperymentu.</li>
		<li>Żywica epoksydowa złoty drut na każdej ze złotych podkładek za pomocą przewodzącej żywicy epoksydowej zdolnej do wytrzymania temperatur kriogenicznych; przewody te połączą elementy obwodu na chipie montażowym z przewodami koncentrycznymi w mikroskopie. Ponieważ złote druty można łatwo usunąć po następnym kroku, jeśli nie są potrzebne, nałóż kilka nadmiarowych złotych drutów na podkładki. Żywica epoksydowa HEMT, rezystor polaryzacyjny i końcówka STM na chipie montażowym GaAs. Utwardź żywicę epoksydową zgodnie ze wskazaniami w karcie informacyjnej produktu. (Szczegółowe informacje można znaleźć w poniższej tabeli materiałów).</li>
		<li>Używając łącznika drutowego załadowanego złotym drutem, połącz elementy źródła, drenu i bramki HEMT, aby oddzielić złote pady na chipie GaAs. Podłącz tymczasowe przewody łączące bramę z podkładkami źródłowymi lub odpływowymi, aby upewnić się, że bramka nie zostanie naładowana w stosunku do kanału źródło-odpływ. Użyj paska uziemiającego, aby zwiększyć bezpieczeństwo podczas manipulowania HEMT; ważne jest, aby podjąć środki ostrożności, aby uniknąć wprowadzania zabłąkanych ładunków statycznych, które mogłyby zniszczyć HEMT.</li>
		<li>Przygotowany układ montażowy należy przechowywać z przewodami podłączonymi do bramki i do kanału źródłowo-odpływowego HEMT połączonych ze sobą elektrycznie, aby uniknąć zwarcia HEMT. Jeśli tymczasowe przewody wymienione w poprzednim kroku zostały usunięte, delikatnie skręć przewody razem. Najprościej jest połączyć ze sobą wszystkie przewody.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przymocuj chip montażowy do mikroskopu.
	<ol>
		<li>Upewnij się, że kanały bramki i źródła-odpływu nigdy nie unoszą się na wodzie; ma to na celu zapobieżenie destrukcyjnym zwarciom między kanałami bramki i źródła-odpływu HEMT. Uziemić przewody koncentryczne na mikroskopie, do którego zostaną przylutowane przewody z chipa.</li>
		<li>Zamocuj chip montażowy na górze piezorurki skanującej, jak pokazano na rysunku 2.</li>
		<li>złote druty rozciągające się od układu montażowego do odpowiednich przewodów koncentrycznych za pomocą lutu indowego.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Sprawdź integralność HEMT za pomocą znacznika krzywej podłączonego do przewodów koncentrycznych w szafie elektronicznej. Zasadniczo znacznik krzywej pokazuje charakterystykę prądu-napięcia źródło-dren. Najczęstszym trybem awarii jest zwarcie między bramką HEMT a jej kanałem źródło-dren, co powoduje, że charakterystyka źródło-drenaż jest niewrażliwa na napięcie bramki.</li>
	<li>Zamontuj próbkę. Wejdź w zasięg z mikroskopem skonfigurowanym w trybie STM, aby upewnić się, że próbka pomyślnie zbliży się do końcówki.
	<ol>
		<li>Podłącz przewód T do przedwzmacniacza używanego do pomiarów prądu tunelowania STM i podłącz napięcie polaryzacji DC VDC do przewodu B. (Wszystkie połączenia są wykonane w szafie elektronicznej.)</li>
		<li>Wchodź, aż próbka i końcówka znajdą się w zakresie tunelowania. Gdy znajduje się w zasięgu, piezorurka skanująca powinna pozostać lekko wysunięta od pozycji równowagi, tak aby uziemienie piezorurki skanującej spowodowało cofnięcie się końcówki z jej przedłużenia w zakresie. Weryfikuje to, czy próbka może z powodzeniem zbliżyć się do końcówki. Po wykonaniu tej czynności wyjdź poza zasięg, aby chronić końcówkę podczas kolejnych czynności.</li>
		<li>Przenieś mikroskop ze stołu laboratoryjnego do dewara w celu ewentualnej pracy w niskiej temperaturze. W tym momencie faza testowania jest zakończona i można rozpocząć fazę eksperymentalną.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wypompuj mikroskop do próżni kilku mikrotorów. Schłodzić mikroskop do temperatury 4.2 K lub niższej, aby uzyskać optymalną rozdzielczość energii, postępując zgodnie z procedurą opisaną w instrukcji obsługi kriostatu.
	<ol>
		<li>Po schłodzeniu mikroskopu do temperatury bazowej należy odczekać wystarczająco dużo czasu, aby osiągnąć równowagę termiczną; ponieważ będą wykonywane wielokrotne, długie skany tego samego obszaru, ważne jest, aby zminimalizować dryft termiczny. (Dryft to przesunięcie położenia równowagi końcówki w stosunku do próbki).</li>
		<li>Zawieś dewar, aby w jak największym stopniu odizolować mikroskop od wibracji spowodowanych mechanicznym sprzężeniem z budynkiem oraz pompami próżniowymi i innymi urządzeniami podłączonymi do mikroskopu i dewara. Można to zrobić za pomocą systemu zawieszenia za pomocą linki bungee, jak w Reference 15, lub za pomocą resorów pneumatycznych lub podobnej metody.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po schłodzeniu mikroskopu, a przed próbą zebrania danych, ponownie sprawdź integralność HEMT za pomocą znacznika krzywych.</li>
	<li>Zeskanuj próbkę w trybie tunelowania (STM).
	<ol>
		<li>Wejdź w zasięg. Zlokalizuj obszar powierzchni próbki, który jest wolny od zanieczyszczeń i znacznych zmian wysokości lub przewodności, i upewnij się, że końcówka jest stabilna.</li>
		<li>Korekta dla każdego nachylenia próbki; jest to szczególnie ważne, ponieważ skanowanie pojemnościowe będzie wykonywane z wyłączoną pętlą sprzężenia zwrotnego, więc końcówka może uderzyć w powierzchnię, jeśli płaszczyzna skanowania nie jest równoległa do powierzchni próbki. Zasadniczo można użyć sygnału pojemnościowego ze sprzężeniem zwrotnym, aby utrzymać stałą pojemność podczas skanowania końcówki; Jednak w praktyce sygnał nie jest wystarczająco silny, aby zapobiec awarii w przypadku użycia sprzężenia zwrotnego.</li>
		<li>Obserwuj dryft termiczny, aby można go było skompensować poprzez zmianę przesunięcia końcówki. Zwróć uwagę na stopień wysunięcia końcówki w zasięgu w trybie tunelowania, określanym w tym protokole jako punkt dotyku.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przejdź do niezakłóconego obszaru próbki, który nie został zeskanowany w trybie STM.
	<ol>
		<li>Wyłącz pętlę sprzężenia zwrotnego w kontrolerze STM. Przypomnij sobie, że gdy pętla sprzężenia zwrotnego jest wyłączona, ręczne ruchy końcówki mogą przypadkowo spowodować awarię. Dlatego należy zachować dużą ostrożność podczas przesuwania końcówki.</li>
		<li>Cofnij końcówkę o kilkadziesiąt nanometrów od punktu dotykowego.</li>
		<li>Przesunąć boczne położenie końcówki do pobliskiego obszaru próbki, który nie był ostatnio skanowany, aby uniknąć jakichkolwiek zakłóceń (takich jak ładowanie miejsc domieszek półprzewodników), które mogło wywołać napięcie polaryzacji wymagane do umożliwienia tunelowania przez próbkę półprzewodnikową w celu skanowania STM.</li>
		<li>Ostrożnie wyciągnij końcówkę w kierunku powierzchni, aż przemieszczenie końcówki z wydłużenia równowagi zbliży się wielkością do punktu dotyku.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przełącz konfigurację okablowania w tryb pojemnościowy.
	<ol>
		<li>Uziemić wszystkie przewody koncentryczne, aby chronić HEMT.</li>
		<li>Podłącz przewody koncentryczne do odpowiednich źródeł napięcia i rezystorów oraz do wzmacniacza blokującego i generatora funkcyjnego, jak pokazano na rysunku 2.</li>
		<li>Włącz wszystkie źródła napięcia. Aby uniknąć porażenia prądem HEMT, zacznij od voltage wyjścia źródła przy 0 V.</li>
		<li>Odłącz przewody koncentryczne, pamiętając, aby bramka i kanał źródłowo-odpływowy HEMT były ze sobą połączone tak długo, jak to możliwe, w celu ochrony HEMT.</li>
		<li>Ustaw źródło napięcia na rezystorze dzielnika napięcia (przewód D).</li>
		<li>Dostrój HEMT do jego najbardziej wrażliwego obszaru, monitorując napięcie na przewodzie L za pomocą multimetru, jednocześnie dostosowującstrojenie V. Ponownie podłącz przewód L do lock-in amplifier później.</li>
		<li>Zwiększajdostrojenie V, aż sygnał w fazie na wzmacniaczu lock-in wzrośnie i zacznie się stabilizować; zapisz tę wartośćstrojenia V, która jest napięciem przyłożonym do końcówki. Dzięki temu cały ładunek z pomiaru trafia do HEMT zamiast przeciekać przez drut L.</li>
		<li>Zoptymalizuj fazę wewnętrzną wzmacniacza lock-in, wykorzystując jego zdolność do autofazy i zarejestruj wartość fazy.</li>
		<li>Poczekaj, aż HEMT się ustabilizuje, aby upewnić się, że nie ma znaczących efektów termicznych (często trwa to do dwóch godzin).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zrównoważ HEMT, regulując sygnał na standardowym kondensatorze, aby upewnić się, że tylko interesujący nas sygnał trafia do wzmacniacza lock-in. Regulacja sygnału na standardowym kondensatorze może być wykonana zarówno dla amplitudybalansu V, jak i dla względnej fazy międzybalansem V awzbudzeniem V. HEMT jest uważany za zrównoważony, gdy sygnał w fazie na wzmacniaczu lock-in jest zminimalizowany na tym etapie procedury.</li>
	<li>Wykonaj obrazowanie akumulacji ładunku skanującego.
	<ol>
		<li>Ustaw napięcie polaryzacji DC VDC na próbce.</li>
		<li>Wysuń końcówkę na odległość do 1 nm od powierzchni, używając punktu dotykowego jako punktu odniesienia.</li>
		<li>Nagraj wyjście wzmacniacza lock-in za pomocą oprogramowania do akwizycji danych; jest to sygnał będący przedmiotem zainteresowania.</li>
		<li>Zeskanuj próbkę. Aby uzyskać dobrą rozdzielczość, może być konieczne wykonywanie skanów z szybkością kilku godzin na skanowanie, aby umożliwić wystarczające uśrednienie sygnału dla każdego piksela i zapobiec rozmazywaniu się sygnału na sąsiednich pikselach obrazu. Wykonaj kilka skanów na tym samym obszarze i uśrednij te skany razem, aby poprawić stosunek sygnału do szumu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wykonaj spektroskopię pojemnościową (C-V) z końcówką nieruchomą nad interesującym elementem podpowierzchniowym na obrazie akumulacji ładunku uzyskanym w poprzednim kroku.
	<ol>
		<li>Ramp VDC i nagraj wyjście wzmacniacza lock-in za pomocą oprogramowania do akwizycji danych.</li>
		<li>Weź kilka krzywych pojemności w funkcji napięcia (C-V) w tym samym miejscu i uśrednij te krzywe razem, aby poprawić stosunek sygnału do szumu. Zazwyczaj kilka krzywych jest uśrednianych razem. Podczas gdy krzywe uśredniania poprawiają stosunek sygnału do szumu, ze względu na możliwość dryftu podczas skanowania, tylko kilka kolejnych skanów powinno być uśrednianych razem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Powrót do trybu tunelowania (STM).
	<ol>
		<li>Cofnij końcówkę do jej wydłużenia równowagi i ponownie skonfiguruj elektronikę dla STM. Ponownie włącz pętlę sprzężenia zwrotnego i zapisz aktualne przedłużenie końcówki w zakresie (punkt dotykowy).</li>
		<li>Przeskanuj obszar w trybie tunelowania, aby poszukać cech w topografii, które mogły wygenerować artefakty w obrazowaniu pojemnościowym i spektroskopii pojemnościowej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analizuj i interpretuj dane, postępując zgodnie z odniesieniem 9 i informacjami uzupełniającymi w odnośniku 1.</li>
</ol>

<ol><li>Gasseller, M., DeNinno, M., Loo, R., Harrison, J. F., Caymax, M., Rogge, S., Tessmer, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-Electron+Capacitance+Spectroscopy+of+Individual+Dopants+in+Silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon.</a> Nano Lett. 11, 5208-5212 (2011).</li>
<li>Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A., Tessmer, S. H., Pfeiffer, L. N., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning-probe+spectroscopy+of+semiconductor+donor+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules.</a> Nat. Phys. 4, 227-233 (2008).</li>
<li>Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanometer-scale+capacitance+spectroscopy+of+semiconductor+donor+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+B%22%5BJournal%5D)">Nanometer-scale capacitance spectroscopy of semiconductor donor molecules.</a> Physica B. 403, 3774-3780 (2008).</li>
<li>Yoo, M. J., Fulton, T. A., Hess, H. F., Willett, R. L., Dunkleberger, L. N., Chichester, R. J., Pfeiffer, L. N., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+Single-Electron+Transistor+Microscopy%3A+Imaging+Individual+Charges%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges.</a> Science. 276, 579-582 (1997).</li>
<li>Urazhdin, S., Tessmer, S. H., Ashoori, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simple+low-dissipation+amplifier+for+cryogenic+scanning+tunneling+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy.</a> Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).</li>
<li>Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+capacitance+microscopy+on+a+25+nm+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale.</a> Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).</li>
<li>Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subsurface+charge+accumulation+imaging+of+a+quantum+Hall+liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid.</a> Nature. 392, 51-54 (1998).</li>
<li>Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+single-+and+multiple-electron+resonances+for+electric-field-sensitive+scanning+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes.</a> Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).</li>
<li>Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+electric-field-sensitive+scanning+probe+measurements+for+a+tip+of+arbitrary+shape%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Modeling electric-field-sensitive scanning probe measurements for a tip of arbitrary shape.</a> Ultramicroscopy. 102, 7-12 (2004).</li>
<li>Martin, J., Akerman, N., Ulbricht, G., Lohmann, T., Smet, J. H., von Klitzing, K., Yacoby, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+electron-hole+puddles+in+graphene+using+a+scanning+single-electron+transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor.</a> Nat. Phys. 4, 144-148 (2008).</li>
<li>Ashoori, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrons+in+artificial+atoms%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Electrons in artificial atoms.</a> Nature. 379, 413-419 (1996).</li>
<li>Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-electron+capacitance+spectroscopy+of+a+few+electron+box%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+B%22%5BJournal%5D)">Single-electron capacitance spectroscopy of a few electron box.</a> Physica B. 189, 117-124 (1993).</li>
<li>Frohn, J., Wolf, J. F., Besocke, K., Teske, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coarse+tip+distance+adjustment+and+positioner+for+a+scanning+tunneling+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Coarse tip distance adjustment and positioner for a scanning tunneling microscope.</a> Rev. Sci. Instrum. 60 (6), 1200-1201 (1989).</li>
<li>Besocke, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+easily+operable+scanning+tunneling+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">An easily operable scanning tunneling microscope.</a> Surf. Sci. 181, 145-153 (1987).</li>
<li>Urazhdin, S., Maasilta, I. J., Chakraborty, S., Moraru, I., Tessmer, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-scan-range+cryogenic+scanning+probe+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">High-scan-range cryogenic scanning probe microscope.</a> Rev. Sci. Instrum. 71 (11), 4170-4173 (2000).</li>
<li>Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-electron+capacitance+spectroscopy+of+discrete+quantum+levels%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Single-electron capacitance spectroscopy of discrete quantum levels.</a> Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3088-3091 (1992).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Szczegółowe wyjaśnienie teoretycznych podstaw tej metody eksperymentalnej znajduje się w odnośnikach 8 i 9 i omówiono w odniesieniu do scenariusza domieszek podpowierzchniowych w odnośniku 2; Przedstawiony tutaj przegląd będzie zatem zwięzły i koncepcyjny. Końcówka jest traktowana jako jedna płytka kondensatora, a warstwa przewodząca pod próbką składa się z drugiej płytki. Jeśli napięcie stałe zostanie przyłożone w taki sposób, że elektrony są przyciągane w kierunku końcówki, a między leżącą poniżej warstwą przewodzącą a...

Obrazowanie akumulacji ładunku podpowierzchniowego (SCA) jest metodą niskotemperaturową, zdolną do rozwiązywania zdarzeń ładowania pojedynczych elektronów. Po zastosowaniu do badania atomów domieszek w półprzewodnikach, metoda ta może wykryć pojedyncze elektrony wchodzące do atomów donorowych lub akceptorowych, co pozwala na scharakteryzowanie struktury kwantowej tych drobnych układów. Sercem obrazowania SCA jest lokalny pomiar pojemności6 dobrze nadający się do operacji kriogenicznych. Ponieważ pojemność opiera się na polu elektrycznym, jest to efekt dalekiego zasięgu, który może rozwiązać problem ładowania pod powierzchniami izolacyjnymi6. Operacja kriogeniczna pozwala na badanie ruchu pojedynczego elektronu i odstępów na poziomie kwantowym, które byłyby nierozwiązywalne w temperaturze pokojowej1,2. Technika ta może być zastosowana do każdego systemu, w którym ruch elektronów pod powierzchnią izolacyjną jest ważny, w tym do dynamiki ładowania w dwuwymiarowych układach elektronowych na zakopanych interfejsach7; Dla zwięzłości skupimy się tutaj na badaniach domieszek półprzewodnikowych.
Na najbardziej schematycznym poziomie, ta technika traktuje zeskanowaną końcówkę jako jedną płytkę kondensatora z równoległą płytą, chociaż realistyczna analiza wymaga bardziej szczegółowego opisu, aby uwzględnić krzywiznę końcówki8,9. Druga płytka w tym modelu to nanoskalowy obszar leżącej poniżej warstwy przewodzącej, jak pokazano na rysunku 1. Zasadniczo, gdy ładunek wchodzi do domieszki w odpowiedzi na okresowe napięcie wzbudzenia, zbliża się do końcówki; Ruch ten indukuje większy ładunek obrazu na końcówce, który jest wykrywany przez obwód czujnika5. Podobnie, gdy ładunek opuszcza domieszkę, ładunek obrazu na końcówce zmniejsza się. Stąd sygnał ładowania okresowego w odpowiedzi na napięcie wzbudzenia jest sygnałem wykrytym - zasadniczo jest to pojemność; w związku z tym pomiar ten jest często określany jako określenie charakterystyki C-V systemu.
Podczas pomiaru pojemności, jedynym tunelem sieciowym jest tunel pomiędzy leżącą poniżej warstwą przewodzącą a warstwą domieszkową - ładunek nigdy nie tuneluje bezpośrednio na końcówkę. Brak bezpośredniego tunelowania do lub od końcówki podczas pomiaru jest istotną różnicą między tą techniką a bardziej znaną skaningową mikroskopią tunelową, chociaż większość sprzętu do tego systemu jest zasadniczo identyczna z tym w skaningowym mikroskopie tunelowym. Należy również zauważyć, że obrazowanie NZK nie jest bezpośrednio wrażliwe na ładunki elektrostatyczne. Do badań rozkładów ładunków statycznych odpowiednia jest skaningowa mikroskopia sondy Kelvina lub mikroskopia sił elektrostatycznych. Istnieją dodatkowe metody kriogeniczne do badania lokalnego zachowania elektronów, które również mają dobrą rozdzielczość elektroniczną i przestrzenną; Na przykład skaningowa mikroskopia tranzystorów jednoelektronowych jest kolejną metodą sondy skaningowej zdolną do wykrywania drobnych efektów ładowania4,10. Obrazowanie SCA zostało pierwotnie opracowane w MIT przez Tessmera, Glicofridisa, Ashoori i współpracowników7; co więcej, opisaną tutaj metodę można uznać za skanującą wersję metody spektroskopii pojemnościowej pojedynczego elektronu opracowanej przez Ashoori i współpracowników11. Kluczowym elementem pomiaru jest niezwykle czuły obwód detekcji ładunku5,12 wykorzystujący tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT); może osiągnąć poziom szumu tak niski, jak 0,01 elektronów/Hz1/2 przy 0,3 K, temperaturze bazowej kriostatu w odnośniku 5. Tak wysoka czułość pozwala na obserwację ładunków pojedynczych elektronów w układach podpowierzchniowych. Metoda ta nadaje się do badania dynamiki elektronów lub pojedynczych lub małych grup domieszek w półprzewodnikach, o typowych gęstościach powierzchniowych domieszek rzędu 1015 m-2 w geometrii płaskiej2. Przykład typowej konfiguracji próbki dla tego typu eksperymentu pokazano na rysunku 1. Warstwa domieszki jest zwykle umieszczona kilkadziesiąt nanometrów pod powierzchnią; Ważne jest, aby znać dokładne odległości między leżącą pod spodem warstwą przewodzącą a warstwą domieszki oraz między warstwą domieszki a powierzchnią próbki. W przeciwieństwie do tunelowania, pojemność nie spada wykładniczo, ale zamiast tego zasadniczo maleje odwrotnie proporcjonalnie do odległości. W związku z tym głębokość domieszki może być w zasadzie nawet głębsza niż dziesiątki nanometrów pod powierzchnią, o ile jakiś rozsądny fragment pola elektrycznego wyląduje na czubku. Dla wszystkich wyżej wymienionych kriogenicznych sond lokalnych o zachowaniu elektronów, w tym techniki opisanej tutaj, rozdzielczość przestrzenna jest ograniczona przez geometryczny rozmiar końcówki i odległość między interesującym nas elementem podpowierzchniowym a końcówką sondy skanującej.

<table><tbody><tr><td colspan="4">Equipment</td></tr><tr><td>Besocke-design STM</td><td>Custom</td><td></td><td>References 14 and 15</td></tr><tr><td>Elektronika sterująca dla STM</td><td>RHK Technology</td><td>SPM 1000 Revision 7</td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz blokujący</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR830</td><td></td></tr><tr><td>Curve tracer</td><td>Oscyloskop Tektronix</td><td>Type 576</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Multimetr Tektronix</td><td>TDS360</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Tektronix</td><td>DMM912</td><td></td></tr><tr><td>Łącznik drutowy</td><td>WEST&middot; BOND</td><td>7476D</td><td>z regulatorem temperatury K~1200D</td></tr><tr><td>Lutownica</td><td>MPJA</td><td>301-A</td><td></td></tr><tr><td>Cryostat</td><td>Oxford Instruments</td><td>Heliox</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Materiał</td></tr><tr><td>Pt/Ir drut, 80:20</td><td>nanoScience Instruments</td><td>201100</td><td></td></tr><tr><td>Wafel GaAs</td><td>axt</td><td>S-I</td><td>Do układu montażowego</td></tr><tr><td>Drut 99,99% Au, średnica 2 mil</td><td>SPM</td><td></td><td>Do układu montażowego</td></tr><tr><td>Drut 99,99% Au, średnica 1 mil</td><td>K& S</td><td></td><td>Do łączenia drutem</td></tr><tr><td>Śrut indowy</td><td>Alfa Aesar</td><td>11026</td><td></td></tr><tr><td>Srebrna żywica epoksydowa</td><td>Epo-Tek</td><td>EJ2189-LV</td><td>Dopuszczalna jest każda przewodząca żywica epoksydowa kompatybilna z niskimi temperaturami</td></tr><tr><td>HEMT</td><td>Fujitsu</td><td>Niski poziom hałasu HEMT</td><td></td></tr></tbody></table>

spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Integracja technik niskotemperaturowych sond skanujących i spektroskopii pojemnościowej jednoelektronowej stanowi potężne narzędzie do badania elektronowej struktury kwantowej małych systemów - w tym pojedynczych domieszek atomowych w półprzewodnikach. Tutaj przedstawiamy metodę opartą na pojemności, znaną jako obrazowanie akumulacji ładunku podpowierzchniowego (SCA), która jest w stanie rozwiązać ładunek pojedynczego elektronu przy jednoczesnym osiągnięciu wystarczającej rozdzielczości przestrzennej do zobrazowania pojedynczych domieszek atomowych. Zastosowanie techniki pojemnościowej umożliwia obserwację cech podpowierzchniowych, takich jak domieszki zakopane wiele nanometrów pod powierzchnią materiału półprzewodnikowego1,2,3. Zasadniczo technikę tę można zastosować do dowolnego systemu w celu rozwiązania ruchu elektronów pod powierzchnią izolacyjną.
Podobnie jak winnych technikach skanowania sond 4 wrażliwych na pole elektryczne, rozdzielczość przestrzenna pomiaru zależy częściowo od promienia krzywizny końcówki sondy. Zastosowanie końcówek o małym promieniu krzywizny może umożliwić rozdzielczość przestrzenną rzędu kilkudziesięciu nanometrów. Ta doskonała rozdzielczość przestrzenna pozwala na badanie niewielkiej liczby (z dokładnością do jednego) podpowierzchniowych domieszek1,2. Rozdzielczość ładowania zależy w dużej mierze od czułości obwodu wykrywania ładunku; zastosowanie tranzystorów o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) w takich obwodach w temperaturach kriogenicznych umożliwia czułość około 0,01 elektronów/Hz1/2 przy 0,3 K 5.

Głównym wskaźnikiem udanego pomiaru jest powtarzalność, podobnie jak w innych metodach sondy skaningowej. Z tego powodu bardzo ważne jest wykonywanie wielokrotnych pomiarów. W przypadku punktowej spektroskopii pojemnościowej wykonywanie wielu następujących po sobie pomiarów w tym samym miejscu pomaga zwiększyć stosunek sygnału do szumu i zidentyfikować sygnały zakłócające.
Po zidentyfikowaniu interesującej cechy na obrazie akumulacji ładunku i przeprowadzeniu spektroskopii pojemnościowej, inte...

Spektroskopia pojemnościowa pojedynczego elektronu z sondą skanującą ułatwia badanie ruchu pojedynczego elektronu w zlokalizowanych obszarach podpowierzchniowych. Czuły obwód wykrywania ładunku jest wbudowany w kriogeniczny mikroskop skanujący w celu zbadania małych układów domieszek atomów pod powierzchnią próbek półprzewodnikowych.

Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest obserwacja i rozdzielenie przestrzenne procesów ładowania i rozładowywania pojedynczych elektronów w nanoskalowych systemach przewodzących znajdujących się pod powierzchniami nieprzewodzącymi. Osiąga się to poprzez umieszczenie próbki w kriogenicznym skaningowym mikroskopie sondowym w celu uzyskania niskich temperatur i niskiego poziomu szumów, co umożliwia obserwację zachowania pojedynczych elektronów. W drugim kroku należy wykorzystać mikroskop w trybie skaningowej mikroskopii tunelowej, aby zbliżyć końcówkę do odległości około jednego nanometra od górnej powierzchni próbki, co pozycjonuje końcówkę w odpowiednim miejscu do przeprowadzenia pomiarów pojemności.Następnie należy użyć mikroskopu w trybie pojemnościowym, wykorzystując niezwykle czułe obwody detekcji ładunku, aby wykryć ładunek obrazowy indukowany na końcówce przez ruch elektronów w systemie podpowierzchniowym. Pozwala to na wyznaczenie struktury elektronowej podpowierzchniowego systemu kwantowego. Uzyskane wyniki wykazują tunelowanie pojedynczych elektronów na nan skalowe systemy podpowierzchniowe i z nich.Piki oraz krzywe pojemności w funkcji napięcia wyznaczają energie dodaw

scanning-probe-single-electron-capacitance-spectroscopy

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Spektroskopia pojemnościowa pojedynczego elektronu z sondą skanującą

Opisano zastosowanie obrazowania kontrastowego z kanałem elektronowym w skaningowym mikroskopie elektronowym do charakteryzowania defektów w cienkich warstwach heteroekspeksjalnych III-V/Si. Metoda ta daje podobne wyniki do transmisyjnej mikroskopii elektronowej w widoku planowym, ale w znacznie krótszym czasie ze względu na brak wymaganego przygotowania próbki.

Obrazowanie kontrastowe z kanałem elektronowym do szybkiej charakterystyki heteroepitaksjalnej III-V

Optyczne, elektryczne i strukturalne właściwości dyslokacji i granic ziaren w materiałach półprzewodnikowych można określić za pomocą eksperymentów przeprowadzonych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Mikroskopia elektronowa została wykorzystana do zbadania katodoluminescencji, prądu indukowanego wiązką elektronów i dyfrakcji elektronów rozproszonych wstecznie.

Kompleksowa charakterystyka rozszerzonych defektów w materiałach półprzewodnikowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego

Tutaj prezentujemy protokoły do wykonywania zarówno obrazowania tkanek za pomocą spektrometrii mas otoczenia (MSI), jak i analizy MS na żywo (SCMS) in situ przy użyciu pojedynczej sondy, która jest zminiaturyzowanym wielofunkcyjnym urządzeniem do analizy MS.

Zastosowania pojedynczej sondy: obrazowanie spektrometrią mas i analiza pojedynczych komórek w warunkach otoczenia

Ten artykuł opisuje wytwarzanie nanomateriałów z substratu fulerenu Si, które zostało sprawdzone i zweryfikowane za pomocą nanopomiarów i symulacji dynamiki molekularnej.

Sondowanie podłoża krzemowego osadzonego w C84 przy użyciu mikroskopii z sondą skaningową i dynamiki molekularnej

Opisujemy szczegółowe procedury i strategie pomiaru właściwości mechanicznych i szlaków mechanicznego rozwijania pojedynczych cząsteczek białka za pomocą mikroskopu sił atomowych. Pokazujemy również reprezentatywne wyniki jako odniesienie do selekcji i uzasadnienia dobrych zapisów pojedynczych cząsteczek białka.

Spektroskopia sił pojedynczych cząsteczek białka przy użyciu mikroskopu sił atomowych

Demonstrujemy całkowicie elektroniczną metodę obserwacji dynamiki ładunków nanosekundowych domieszek atomów w krzemie za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego.

W pełni elektroniczna skaningowa mikroskopia tunelowa z nanorozdzielczością: ułatwiająca badanie dynamiki ładunku pojedynczej domieszki

Mikroskopia sił atomowych (AFM) w połączeniu ze skaningową mikroskopią elektrochemiczną (SECM), a mianowicie AFM-SECM, może być używana do jednoczesnego pozyskiwania informacji topograficznych i elektrochemicznych o wysokiej rozdzielczości na powierzchniach materiałów w nanoskali. Takie informacje mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia niejednorodnych właściwości (np. reaktywności, defektów i miejsc reakcji) na lokalnych powierzchniach nanomateriałów, elektrod i biomateriałów.

Sondowanie powierzchniowej aktywności elektrochemicznej nanomateriałów przy użyciu hybrydowego mikroskopu sił atomowych ze skaningowym mikroskopem elektrochemicznym (AFM-SECM)

Wielkoskalowa kontrola próbek z rozdzielczością nanoskali ma szeroki zakres zastosowań, szczególnie dla nanofabrykowanych płytek półprzewodnikowych. Mikroskopy sił atomowych mogą być doskonałym narzędziem do tego celu, ale są ograniczone przez szybkość obrazowania. W tej pracy wykorzystuje się równoległe aktywne układy wspornikowe w AFM, aby umożliwić inspekcje o wysokiej przepustowości i na dużą skalę.

Mikroskopia sił atomowych z sondą aktywną z układami wspornikowymi Quattro-Parallel do wysokowydajnej kontroli próbek na dużą skalę

Ogólnym celem tej metody jest określenie niskoenergetycznej struktury elektronowej ciał stałych w ultra niskich temperaturach za pomocą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej z promieniowaniem synchrotronowym.

Kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna w bardzo niskich temperaturach

Opisujemy niezawodne generowanie niegaussowskich stanów podróżujących pól optycznych, w tym stanów pojedynczych fotonów i superpozycji stanów koherentnych, przy użyciu metody warunkowego przygotowania działającej na nieklasycznym świetle emitowanym przez optyczne oscylatory parametryczne. Rozważane są oscylatory typu I i typu II z dopasowaniem fazowym i szczegółowo opisano typowe procedury, takie jak wymagane filtrowanie częstotliwości lub charakterystyka stanu kwantowego o wysokiej wydajności...

Inżynieria stanu kwantowego światła za pomocą optycznych oscylatorów parametrycznych o fali ciągłej

Poznaj spektroskopię pojemnościową jednoelektronową z sondą skanującą do badania ruchu elektronów w nanoskalowych układach. Ta metoda umożliwia obserwację ładowania i rozładowywania pojedynczych elektronów w lokalizowanych obszarach podpowierzchniowych.

Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

Przeglądaj więcej filmów