-Sonda de varredura único elétron Espectroscopia de capacitância

O objetivo geral do experimento a seguir é observar e resolver espacialmente o carregamento e descarregamento de elétrons individuais em sistemas condutores em escala nanométrica localizados sob superfícies não condutoras. Isso é alcançado ao carregar a amostra em um microscópio de sonda com criógeno para obter baixas temperaturas e níveis reduzidos de ruído, permitindo a observação do comportamento de elétrons individuais. Como segundo passo, utiliza-se o microscópio no modo de microscopia de tunelamento por varredura para posicionar a ponta a aproximadamente um nanômetro da superfície superior da amostra, o que coloca a ponta em uma posição adequada para realizar as medições de capacitância.

Em seguida, utilize o microscópio no modo de capacitância, empregando a circuitaria extremamente sensível de detecção de carga, para detectar a carga de imagem induzida na ponta pelo movimento de elétrons no sistema subsuperficial. Isso permite a determinação da estrutura eletrônica do sistema quântico subsuperficial. São obtidos resultados que mostram elétrons individuais tunelando para dentro e para fora de sistemas subsuperficiais em escala nanométrica.

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

Muitos dispositivos propostos envolvem pequenos números de pontos quânticos interagentes. 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 cerne.

Este é um método de capacitância, que pode ser estendido a diversas medições locais em baixa temperatura, como propriedades dielétricas superficiais e mapeamento da função trabalho. Esses experimentos são realizados em um microscópio de sonda com capacidade criogênica, juntamente com sua eletrônica associada. Além dos cabos coaxiais para polarização, tensão e corrente de tunelamento, certifique-se de que pelo menos dois cabos coaxiais adicionais e um cabo de terra se estendam desde o rack de eletrônica até a região da ponta do microscópio.

Esses serão usados para transmitir sinais para o amplificador criogênico. Em seguida, inicie a montagem do circuito do amplificador criogênico com base no transistor de alta mobilidade eletrônica hemp. Use um estilete para clivar um chip de aproximadamente um centímetro por um centímetro a partir de uma pastilha de arseneto de gálio.

Em seguida, utilize a deposição para formar várias pastilhas de ouro de aproximadamente um milímetro por um milímetro na superfície. Agora, prepare uma ponta afiada a partir de um fio de metal nobre aqui. Alicate de corte diagonal é usado para cortar um fio de platina-irídio 80 20 utilizando epóxi compatível com criogenia.

Conecte um fio de ouro a cada um dos contatos dourados no chip de arsenito de gálio. Fios adicionais foram acrescentados a este chip. Eles podem ser facilmente removidos se não forem necessários neste momento; tome precauções para evitar a introdução de cargas parasitas.

Ao trabalhar com o epóxi de cânhamo, posicione o resistor de polarização, a ponta e o cânhamo sobre o chip de fusão de arsenieto de gálio. Uma vez que o epóxi tenha curado adequadamente, utilize um equipamento de ligação a fio carregado com fio de ouro para conectar os elementos de fonte, dreno e porta do cânhamo a pistas douradas separadas do chip. Conecte fios temporários ligando as pistas da porta e da fonte ou do dreno para garantir que a porta não fique carregada em relação ao canal fonte-dreno.

Para fixar o chip de montagem ao microscópio, primeiro aterre os fios coaxiais do microscópio aos quais serão soldados os fios provenientes do chip. Em seguida, fixe o chip de montagem sobre o tubo piezo de varredura. Utilize solda de índio para conectar os fios dourados do chip aos fios coaxiais apropriados.

Após o teste, a integridade da amostra montada em cânhamo é verificada. Esta amostra é montada em rampas do tipo baka, que permitem seu deslocamento para dentro e para fora em resposta a tensões aplicadas aos tubos piezoelétricos de suporte. Com o microscópio no modo STM, mova a amostra para a faixa de alcance, garantindo que a amostra e a ponta possam se aproximar com sucesso.

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

Após bombear o microscópio até atingir um vácuo de algumas dezenas de micra de torr, abaixe uma ou duas polegadas do microscópio dentro do criostato e aguarde o equilíbrio térmico. Isso pode levar até dezenas de minutos. Repita a operação abaixando uma ou duas polegadas de cada vez até que o microscópio esteja na posição correta.

O processo completo de imersão pode levar quase um dia inteiro. Em seguida, o microscópio deve ser deixado em equilíbrio térmico. Por fim, isole o conjunto do criostato e do microscópio contra vibrações.

Um sistema de suspensão com corda bungee acoplado ao criostato é utilizado neste experimento. Utilize o sistema de suspensão para elevar o conjunto alguns centímetros do chão e mantê-lo nessa altura. Monitore a altura para verificar se o criostato afunda e precisa ser re-suspenso.

Após realizar as varreduras de microscopia de tunelamento mecânico (STM), inicie as medições em modo de capacitância desativando o circuito de realimentação no controlador de STM com a ponta recuada. Desloque lateralmente a posição da ponta a poucas dezenas de nanômetros de sua posição de STM, para uma área da amostra que não tenha sido recentemente varrida. Para alternar a configuração de fiação para o modo de capacitância, primeiramente proteja os cabos coaxiais aterrando todos eles.

Terminar os fios com conectores T permite que os fios permaneçam aterrados enquanto outras conexões estão sendo feitas. Em seguida, conecte os fios coaxiais às fontes de tensão e resistores relevantes, ao bloqueio e amplificador e ao gerador de funções. Ajuste todas as fontes de tensão para zero e ligue-as.

Desconecte o fio terra dos cabos coaxiais, tendo o cuidado de desconectar o fio da porta. Por último, para proteger o cânhamo, aumente as fontes de tensão até os níveis desejados. Ajuste o cânhamo e conecte um amplificador para obter desempenho ideal.

Em seguida, aguarde a estabilização da cânhamo. Neste ponto, é possível realizar varredura, imageamento de acúmulo de carga e espectroscopia de capacitância-tensão. Este é um exemplo de uma imagem de acúmulo de carga.

A amostra foi de silício dopado com aceitadores de boro com uma densidade areal de 1,7 vezes 10 à 15ª por metro quadrado em uma camada delta dopada a 15 nanômetros abaixo da superfície a 4,2 kelvin. Conforme indicado pela escala, cores mais claras indicam aumento na carga. Os pontos brilhantes são interpretados como marcas da localização de átomos individuais de boro subsuperficiais.

O ponto azul indica um local brilhante específico onde foi realizada a espectroscopia de corrente versus tensão. O pico mais acentuado nos dados de corrente versus tensão é interpretado como sendo proveniente da carga que entra na estrutura do ponto quântico diretamente abaixo da ponta. Picões próximos são devidos a pontos quânticos vizinhos. Seus centros estão deslocados em amplitude e reduzidos em relação ao pico principal.

Devido ao aumento da distância entre os pinos DO. Os picos são alargados ao longo do eixo de tensão por efeitos considerados no modelo que foi desenvolvido, conforme indicado pela concordância entre a curva do modelo e os dados. Os dados espectroscópicos de C versus V mostrados aqui referem-se ao arseneto de gálio com dopagem delta, contendo uma camada de doadores de silício com densidade superficial de 1,25 vezes 10 à 16ª por metro quadrado, localizada a 60 nanômetros abaixo da superfície a 300 milikelvins.

Ele também mostra uma série de picos de carga, a maioria dos quais é consistente com grupos de muitos elétrons entrando e saindo da abertura. 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 médias, é feito um ajuste e mostrado aqui em verde.

Esta curva ajustada é consistente com a forma esperada para um pico de único elétron sob as condições experimentais. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão dos aspectos práticos da realização de medidas de capacitância de único elétron por varredura. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar-se de evitar danificar o canal sensível ao tomar medidas preventivas para impedir a acumulação de cargas estáticas entre a porta e o canal de dreno da fonte.