Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

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 dodawania elektronów. W układach kwantowych urządzenia półprzewodnikowe stają się coraz mniejsze. Najmniejszym możliwym urządzeniem jest pojedynczy atom domieszki lub atom w kropce kwantowej.

Wiele proponowanych urządzeń obejmuje niewielką liczbę oddziałujących kropek. Nasza metoda pozwala rozdzielić podstawową strukturę elektronową tych miniaturowych układów. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat struktury elektronowej próbek podpowierzchniowych, kropek oraz półprzewodnikowych w ich rdzeniu.

Jest to metoda pojemnościowa, którą można rozszerzyć na różnorodne pomiary lokalne w niskich temperaturach, takie jak badanie właściwości dielektrycznych powierzchni i mapowanie pracy wyjścia. Eksperymenty te przeprowadza się przy użyciu mikroskopu sondy skaningowej przystosowanego do pracy w temperaturach kriogenicznych wraz z powiązaną elektroniką. Poza przewodami koncentrycznymi do polaryzacji, napięcia i prądu tunelowego, należy upewnić się, że z szafki elektronicznej do obszaru końcówki mikroskopu prowadzą co najmniej dwa dodatkowe przewody koncentryczne oraz przewód uziemiający.

Będą one służyć do przesyłania sygnałów do wzmacniacza kriogenicznego. Następnie rozpocznij montaż obwodu wzmacniacza kriogenicznego w oparciu o tranzystor o wysokiej ruchliwości elektronów HEMT. Za pomocą rysika oddziel fragment płytki o wymiarach około 1 cm na 1 cm z wafla arsenku galu.

Następnie należy zastosować osadzanie, aby utworzyć na powierzchni kilka złotych padów o wymiarach około jednego milimetra na jeden milimeter. Teraz należy przygotować ostrą końcówkę z drutu z metalu szlachetnego. Do odcięcia fragmentu drutu platynowo-irydowego 80/20 przy użyciu epoksydy kompatybilnej z temperaturami kriogenicznymi wykorzystuje się obcinaki boczne.

Przytwierdź złoty drut do każdej z pozłacanych elektrod na chipie arsenku galu. Na tym chipie dodano dodatkowe druty. Można je łatwo usunąć, jeśli nie są w tym momencie potrzebne; należy zachować ostrożność, aby uniknąć wprowadzenia ładunków pasożytniczych.

Podczas pracy z epoksydem konopnym, rezystorem polaryzującym, końcówką i konopiami na chipie topniejącym z arsenku galu. Po prawidłowym utwardzeniu epoksydu, należy użyć stapiacza drutów załadowanego złotym drutem, aby połączyć elementy źródła, drenu i bramki konopi z oddzielnymi złotymi padami chipa. Tymczasowe przewody łączą pady bramki i źródła lub drenu, aby upewnić się, że bramka nie zostanie naładowana względem kanału źródło-dren.

Aby przytwierdzić chip montażowy do mikroskopu, należy najpierw uziemić kable współosiowe w mikroskopie, do których zostaną przylutowane przewody z chipa. Następnie przymocuj chip montażowy na górze rurki piezoelektrycznej skanującej. Użyj lutu indowego, aby połączyć złote przewody na chipie z odpowiednimi kablami współosiowymi.

Po przeprowadzeniu testów sprawdzono stabilność mocowania próbki konopnej. Próbka ta jest zamocowana na rampach typu baka, które umożliwiają jej przemieszczanie się w odpowiedzi na napięcia przyłożone do podtrzymujących rurek piezoelektrycznych. W trybie mikroskopu i STM przesuń próbkę w zasięg, aby upewnić się, że próbka i końcówka mogą się ze sobą skutecznie zbliżyć.

Po pomyślnym przeprowadzeniu testu odsunąć próbkę daleko poza zakres pomiarowy, aby chronić końcówkę podczas manipulacji mikroskopem. W celu przygotowania do pracy w niższej temperaturze przenieść mikroskop z blatu laboratoryjnego do kriostatu. Kriostat powinien umożliwiać osiągnięcie pożądanej temperatury bazowej mikroskopu wynoszącej 4.2 kelvin lub mniej.

Po wypompowaniu z mikroskopu powietrza do poziomu próżni rzędu kilku mikro torów, opuść mikroskop o cal lub dwa do kriostatu i poczekaj na wyrównanie się temperatury. Może to potrwać od kilku do kilkunastu minut. Powtarzaj opuszczanie o cal lub dwa na raz, aż mikroskop znajdzie się na właściwym miejscu.

Cały proces zanurzenia może potrwać prawie cały dzień. Następnie należy pozostawić mikroskop do wyrównania temperatury. Na koniec należy odizolować zestaw składający się z kriostatu i mikroskopu od wibracji.

W tym doświadczeniu wykorzystuje się system zawieszeń z linek bungee przymocowany do kriostatu. Należy użyć systemu zawieszeń, aby podnieść cały zestaw o kilka cali nad ziemię i utrzymać go na tej wysokości. Należy monitorować wysokość, aby stwierdzić, czy kriostat opada i wymaga ponownego zawieszenia.

Po wykonaniu skanów STM rozpocznij pomiary w trybie pojemnościowym, wyłączając pętlę sprzężenia zwrotnego w kontrolerze STM przy cofniętej sondzie. Przesuń pozycję boczną sondy o kilkadziesiąt nanometrów od położenia STM na obszar próbki, który nie był niedawno skanowany. Aby zmienić konfigurację okablowania na tryb pojemnościowy, najpierw zabezpiecz wejścia, uziemiając wszystkie przewody koncentryczne.

Zakończenie przewodów za pomocą złączy T pozwala na zachowanie uziemienia przewodów podczas wykonywania pozostałych połączeń. Następnie należy podłączyć przewody koncentryczne do odpowiednich źródeł napięcia i rezystorów, lock-ina i wzmacniacza oraz generatora funkcji. Wszystkie źródła napięcia należy ustawić na zero i włączyć.

Odłącz uziemienie przewodów współosiowych, uważając, aby odłączyć również przewód bramki. Na koniec, aby zabezpieczyć próbkę konopii, zwiększ napięcie źródeł do pożądanych poziomów. Dostrój próbkę konopii i zablokuj wzmacniacz w celu uzyskania optymalnej wydajności.

Następnie należy odczekać do ustabilizowania się próbki konopi. Na tym etapie możliwe jest przeprowadzenie skanowania, obrazowania akumulacji ładunku oraz spektroskopii pojemnościowo-napięciowej. Jest to przykład obrazu akumulacji ładunku.

Próbka stanowiła krzem domieszkowany akceptorami boru z gęstością powierzchniową 1,7 × 10¹⁵ na metr kwadratowy w warstwie delta-domieszkowania 15 nanometrów poniżej powierzchni w temperaturze 4,2 K. Jak wskazuje skala, jaśniejsze kolory oznaczają zwiększony ładunek. Jasne punkty interpretuje się jako miejsca rozmieszczenia poszczególnych podpowierzchniowych atomów boru.

Niebieska kropka wskazuje konkretny jasny punkt, w którym wykonano spektroskopię C względem V. Najwyższy pik w danych C względem V interpretuje się jako wynik wchodzenia ładunku do kropki znajdującej się bezpośrednio pod końcówką. Sąsiednie piki wynikają z obecności pobliskich kropek. Ich centra są przesunięte, a amplitudy zmniejszone w stosunku do piku głównego.

Ze względu na zwiększony rozstaw pinów DO. Piki są poszerzone wzdłuż osi napięcia przez efekty uwzględnione w opracowanym modelu, co potwierdza zgodność krzywej modelu z danymi. Przedstawione tutaj dane spektroskopowe C w funkcji V dotyczą arsenku galu z domieszką delta z warstwą donorów krzemu o gęstości powierzchniowej 1,25 × 10¹⁶ na metr kwadratowy, znajdującą się 60 nanometrów poniżej powierzchni w temperaturze 300 milikelwinów.

Widoczna jest również seria pików ładowania, z których większość odpowiada grupom wielu elektronów wchodzących i opuszczających obszar; pojedynczy pik elektronowy został wskazany czerwoną strzałką. Dane po prawej stronie pochodzą z powtórzonych pomiarów piku wskazanego czerwoną strzałką na wykresie po lewej. Po uśrednieniu danych wykonano dopasowanie, przedstawione tutaj na zielono.

Krzywa dopasowania jest zgodna z oczekiwanym kształtem dla pojedynczego piku elektronowego w danych warunkach eksperymentalnych. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat praktycznych aspektów przeprowadzania pomiarów skanującej pojemności pojedynczego elektronu. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby pamiętać o unikaniu uszkodzenia czułego urządzenia poprzez podjęcie środków ostrożności zapobiegających gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych między bramką a kanałem źródło-dren.