-Sonda de varredura único elétron Espectroscopia de capacitância

O objetivo geral do experimento a seguir é observar e resolver espacialmente a carga e descarga de elétrons individuais em sistemas condutores em nanoescala localizados abaixo de superfícies não condutoras. Isso é obtido carregando a amostra em um microscópio de sonda de varredura criogênica para atingir baixas temperaturas e baixos níveis de ruído, permitindo a observação do comportamento de um único elétron. Como segunda etapa, use o microscópio no modo de microscopia de tunelamento de varredura para afastar a ponta a aproximadamente um nanômetro da superfície superior da amostra, o que posiciona a ponta em um local adequado para realizar as medições de capacitância.

Em seguida, use o microscópio no modo de capacitância utilizando o circuito de detecção de carga extremamente sensível para detectar a carga de imagem induzida na ponta pelo movimento do elétron no sistema subterrâneo. Isso permite a determinação da estrutura eletrônica do sistema quântico subterrâneo. São obtidos resultados que mostram elétrons individuais entrando e saindo de sistemas de subsuperfície em nanoescala.

Picos e curvas de capacitância versus tensão marcam as energias de adição dos elétrons. No sistema quântico, os dispositivos semicondutores estão ficando cada vez menores. O menor dispositivo possível é um único átomo ou um átomo de impureza.

Muitos dispositivos propostos envolvem um pequeno número de pontos interativos. Nosso método pode resolver a estrutura eletrônica básica desses sistemas minúsculos. Este método pode fornecer informações sobre a estrutura eletrônica de amostras subsuperficiais, docentes e semicondutoras em seu coração.

Este é um método de capacitância, que pode ser estendido a uma variedade de medições locais de baixa temperatura, como propriedades dielétricas de superfície e mapeamento de funções de trabalho. Esses experimentos são feitos em um microscópio de sonda de varredura com capacidade criogênica com seus componentes eletrônicos associados. Além dos fios coaxiais para polarização, tensão e corrente de tunelamento, certifique-se de que pelo menos dois fios coaxiais adicionais e um fio terra se estendam do rack eletrônico até a área da ponta do microscópio.

Estes serão usados para transportar sinais para o amplificador criogênico. Em seguida, inicie a montagem do circuito amplificador criogênico com base no cânhamo do transistor de alta mobilidade de elétrons. Use um escriba para clivar um chip de aproximadamente um centímetro por um centímetro de um wafer de arseneto de gálio.

Em seguida, use a deposição para formar várias almofadas de ouro de aproximadamente um milímetro por um milímetro na superfície. Agora, prepare uma ponta afiada de um fio de metal nobre aqui. Cortadores diagonais são usados para cortar um fio de irídio de platina 80 20 usando epóxi compatível criogênico.

Prenda um fio de ouro a cada uma das almofadas de ouro no chip de arsonita de gálio. Fios adicionais foram adicionados a este chip. Eles podem ser facilmente removidos se não forem necessários neste momento, tome precauções para evitar a introdução de cargas perdidas.

Ao trabalhar com o epóxi de cânhamo, o resistor de polarização, a ponta e o cânhamo no chip de fusão de arseneto de gálio. Depois que o epóxi estiver curado adequadamente, use um adesivo de arame carregado com fio de ouro para unir os elementos de dreno e porta de origem do cânhamo para separar as almofadas de ouro da ligação de cavacos. Fios temporários conectando o portão e as almofadas de origem ou drenagem para garantir que o portão não fique carregado em relação ao canal de drenagem da fonte.

Para conectar o chip de montagem ao microscópio, primeiro aterre os fios coaxiais no microscópio aos quais os fios do chip serão soldados. Em seguida, fixe o chip de montagem no topo do tubo pizzo de digitalização. Use solda de índio para conectar os fios de ouro do chip aos fios coaxiais apropriados.

Após o teste, a integridade do cânhamo monta a amostra. Esta amostra é montada em rampas estilo baka que permitem que ela entre e saia em resposta às tensões aplicadas aos tubos piezoelétricos de suporte. Com o microscópio e o modo STM, mova a amostra para a faixa para garantir que a amostra e a ponta possam se aproximar com sucesso.

Após um teste bem-sucedido, caminhe a amostra para fora do alcance para proteger a ponta durante o manuseio do microscópio. Para se preparar para a operação em temperatura mais baixa, transfira o microscópio da bancada do laboratório para o criostato. O criostato deve ser capaz de atingir a temperatura de base desejada do microscópio de 4,2 kelvin ou menos.

Depois de bombear o microscópio para um vácuo de alguns micro tour, abaixe uma ou duas polegadas do microscópio no criostato e espere que a temperatura se equilibre. Isso pode levar até dezenas de minutos. Repita o abaixamento uma ou duas polegadas de cada vez até que o microscópio esteja no lugar.

O processo de imersão completa pode levar quase um dia. O microscópio deve então ser deixado para se equilibrar termicamente. Finalmente, isole o conjunto do criostato e do microscópio das vibrações.

Um sistema de suspensão de corda elástica preso ao criostato é usado neste experimento. Use o sistema de suspensão para levantar o conjunto alguns centímetros do chão e mantê-lo nessa altura. Monitore a altura para saber se o criostato afunda e precisa ser suspenso.

Depois de realizar varreduras STM, inicie as medições do modo de capacitância desativando o loop de feedback no controlador STM com a ponta retraída. Algumas dezenas de nanômetros de sua posição STM deslocam a posição lateral da ponta para uma área da amostra, que não foi escaneada recentemente. Para mudar a configuração da fiação para o modo de capacitância, primeiro proteja os cânhamos aterrando todos os fios coaxiais.

A terminação dos fios com conectores T permite que os fios permaneçam aterrados enquanto outras conexões estão sendo feitas. Em seguida, conecte os fios coaxiais a fontes de tensão e resistores relevantes, o bloqueio e o amplificador e o gerador de funções. Defina todas as fontes de tensão para zero e ligue-as.

Desaterrar os fios coaxiais tomando cuidado para desaterrar o fio do portão. Por último, para proteger o cânhamo, aumente as fontes de tensão para os níveis desejados. Ajuste o cânhamo e trave um amplificador para um desempenho ideal.

Em seguida, espere o cânhamo estabilizar. Neste ponto, é possível realizar varredura, imagem de acumulação de carga e espectroscopia de tensão de capacitância. Este é um exemplo de uma imagem de acumulação de carga.

A amostra foi dopada com silicone com aceptores de boro com densidade aérea de 1,7 vezes 10 elevado a 15 por metro quadrado em uma camada de dope delta 15 nanômetros abaixo da superfície a 4,2 kelvin. Conforme indicado pela escala, cores mais brilhantes indicam aumento da carga. Os pontos brilhantes são interpretados como marcando a localização de átomos de boro subsuperficiais individuais.

O ponto azul indica um ponto brilhante específico onde a espectroscopia de ponto C versus V foi realizada. O maior pico nos dados C versus V é interpretado como sendo de carga que entra no doin diretamente abaixo da ponta Picos próximos são devidos a pontos próximos. Seus centros são deslocados em amplitudes diminuídas em relação ao pico principal.

Devido ao aumento da distância dos pinos DO. Os picos são ampliados ao longo do eixo de tensão por efeitos contabilizados no modelo que foi desenvolvido, conforme indicado pela concordância da curva do modelo com os dados. Os dados de espectroscopia C versus V mostrados aqui são para a droga delta de arseneto de gálio com uma camada de doadores de silicone de densidade aérea, 1,25 vezes 10 elevado a 16 por metro quadrado, localizado 60 nanômetros abaixo da superfície a 300 milikelvin.

Ele também mostra uma série de picos de carga, a maioria dos quais são consistentes com grupos de muitos elétrons entrando e saindo das aberturas, um único pico de elétron é indicado com a seta vermelha. Os dados à direita são de medições repetidas do pico indicado pela seta vermelha no gráfico à esquerda. Quando os dados são calculados em média, um ajuste é feito e mostrado aqui em verde.

Esta curva de ajuste é consistente com a forma esperada para um único pico de elétron nas condições experimentais. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão dos aspectos práticos da realização de medições de capacitância de elétron único de varredura ao tentar este procedimento. É importante lembrar de evitar destruir o cânhamo sensível, tomando medidas de precaução para evitar o acúmulo de estática entre o portão e o canal de drenagem da fonte.