Todo-eletrônico nanossegundo-resolvido encapsulamento microscopia: Facilitar a investigação do Dopant única carga dinâmica

O objetivo geral da microscopia eletrônica de tunelamento de varredura resolvida no tempo é estudar os processos dinâmicos que ocorrem na escala atômica. Nesses experimentos, a dinâmica carregada de dopantes em silício é estudada. Esses métodos podem ser usados para investigar fenômenos interessantes no campo da nanotecnologia e da física, como a taxa na qual os dopantes em semicondutores são fornecidos com elétrons ou como as correntes de tunelamento podem ser usadas para conduzir a ressonância magnética de átomos individuais.

A principal vantagem dessas técnicas é que a dinâmica rápida pode ser estudada sem a necessidade de integrar a óptica na junção de tunelamento. Essas técnicas não se limitam a baixas temperaturas ou microscópios de tunelamento de varredura de ultra-alto vácuo. Para começar, resfrie o microscópio de tunelamento de varredura capaz de vácuo ultra-alto a temperaturas criogênicas.

Certifique-se de que a ponta do microscópio esteja equipada com fiação de alta frequência capaz de cerca de 500 megahertz. Em seguida, conecte um gerador de função arbitrária com pelo menos dois canais à ponta. Prepare os ciclos de pares de pulsos de tensão usados para experimentos bomba-sonda configurando o gerador de função arbitrária para que os pulsos de tensão da bomba e da sonda sejam gerados independentemente e somados antes de serem alimentados na ponta.

Em seguida, aplique a tensão de polarização CC usada para imagens em espectroscopia convencional à amostra. Em seguida, conecte dois interruptores de radiofrequência aos canais de saída do gerador de função arbitrária. Configure os switches para que a ponta seja aterrada durante a varredura, tunelamento, imagem e espectroscopia convencional.

Colete a corrente de tunelamento para todas as medições por meio de um pré-amplificador conectado à amostra. Usando um riscador de carboneto de silício, raspe a parte de trás de um wafer de silício. Em seguida, use um par de lâminas de microscópio de vidro para retirar suavemente a amostra do wafer.

Certifique-se de usar uma pinça de cerâmica para manusear cristais de silício. Fixe a amostra em um suporte de microscópio de varredura e tunelamento. Uma vez fixado no suporte, introduza-o na câmara de ultra-alto vácuo.

Em seguida, desgaseifique a amostra aquecendo-a resistivamente a 600 graus Celsius e mantendo-a nessa temperatura por pelo menos seis horas no vácuo ultra-alto. Uma vez que a amostra tenha sido resfriada, use a mesma câmara para desgaseificar um filamento de tungstênio aquecendo resistivamente o filamento a 1.800 graus Celsius e esperando que o sistema se recupere à pressão de base. Em seguida, remova o óxido da superfície da amostra piscando a amostra a 900 graus Celsius e mantendo-a nessa temperatura por 10 segundos antes de resfriá-la de volta à temperatura ambiente.

Acelere a amostra para temperaturas mais altas enquanto tenta atingir um flash final de 1.250 graus Celsius. Deixe a amostra esfriar até a temperatura ambiente após cada flash. Para garantir que a amostra permaneça limpa, aborte flashes onde a pressão sobe acima de nove vezes 10 elevado a 10 Torr negativos.

Em seguida, vaze gás hidrogênio na câmara a uma pressão de um vezes 10 elevado a seis Torr negativos e aqueça o filamento de tungstênio a 1.800 graus Celsius. Isso transformará o gás em hidrogênio atômico. Manter a amostra nestas condições durante dois minutos antes de voltar a 1 250 graus Celsius.

Após cinco segundos a 1.250 graus Celsius, resfrie-o novamente a 330 graus Celsius. Mantenha a temperatura em 330 graus Celsius por um minuto e, em seguida, feche simultaneamente a válvula de vazamento de hidrogênio e desligue o filamento de tungstênio. Deixe a amostra esfriar até a temperatura ambiente.

Por fim, aproxime-se da ponta para amostrar envolvendo o controlador de feedback de corrente com uma polarização de amostra de 1,8 volts negativos, o ponto de ajuste de corrente de 50 picoamperes e usando a função de aproximação automática do software de controle. Faça varreduras de área da superfície na ordem de 50 por 50 nanômetros para verificar a qualidade da superfície. Deve haver grandes terraços separados por etapas de átomo único em uma taxa de defeito inferior a 1% As linhas de dímero da reconstrução de silício um zero zero dois por um devem ser claramente resolvidas.

As ligações pendentes aparecem como saliências brilhantes em imagens de estado de campo. Procure uma área na superfície da amostra livre de grandes defeitos superficiais fazendo varreduras de grandes áreas de 50 nanômetros por 50 nanômetros. Para caracterizar o toque eletrônico, posicione a ponta sobre um átomo de hidrogênio na superfície.

Como cada átomo de silício de superfície é terminado com um átomo de hidrogênio, isso equivale a posicionar a ponta sobre as fileiras de dímeros na superfície. Desligue o controlador de feedback de corrente e, em seguida, defina a tensão CC para menos 1,0 volts, depois a tensão da bomba para menos 0,5 volts, a tensão da sonda para menos 0,5 volts, a largura da bomba e dos pulsos da sonda para 200 nanossegundos e o tempo de subida e descida dos pulsos para 2,5 nanossegundos. Em seguida, envie uma série de trens de pulsos de bomba e sonda onde o atraso relativo da bomba e da sonda é varrido de menos 900 nanossegundos para 900 nanossegundos.

O toque se manifesta por meio de oscilações de menor amplitude na corrente de tunelamento em ambos os lados da origem. Ao aumentar os tempos de subida nos pulsos de 2,5 nanossegundos para 25 nanossegundos, observa-se uma forte supressão do toque. Elimine o toque aumentando os tempos de subida e descida dos pulsos para obter os resultados espectroscópicos mais precisos.

No entanto, esteja ciente de que aumentar a largura do pulso diminuirá a resolução. Posicione a ponta sobre uma ligação pendente de silício que aparece como saliências brilhantes em vieses negativos da amostra da ponta. Desligue o controlador de feedback atual e envie um trem composto apenas pelo pulso da sonda usado como sinal de referência com uma taxa de repetição de 25 kilohertz.

Em uma série de trens de pulso, varra a polarização do pulso da sonda em uma faixa de 500 milivolts da polarização CC de 1,8 volts negativos. Cada pulso deve ter um viés diferente. Esta etapa é equivalente à espectroscopia IV padrão, mas com ciclo de trabalho reduzido.

Certifique-se de que a largura dos pulsos seja longa o suficiente para obter uma relação sinal-ruído de pelo menos 10. Envie um trem composto de pulsos de bomba ajustados em uma polarização fixa para que a tensão CC adicionada à tensão da bomba seja maior que a tensão limite com uma taxa de repetição de 25 kilohertz. Em seguida, envie um trem composto pelos pulsos da bomba com os pulsos da sonda seguidos por um atraso de 10 nanossegundos.

Compare a sonda apenas na bomba e nos sinais da sonda, plotando-os no mesmo gráfico. Qualquer histerese em pequenos sinais é uma indicação de dinâmica que pode ser investigada com técnicas STM resolvidas no tempo. Para medir a dinâmica de relaxamento, posicione a ponta do microscópio sobre uma ligação pendente de silício e desligue o controlador de feedback atual.

Em seguida, envie um trem composto de pulsos de bomba ajustados em uma polarização fixa, de modo que a tensão CC adicionada à tensão da bomba seja maior que a tensão limite com uma taxa de repetição de 25 kilohertz. Em seguida, envie outro trem de pulsos de bomba e sonda. Certifique-se de que os pulsos da sonda tenham uma amplitude menor que as bombas e comparável à faixa em que ocorre a histerese.

Finalmente, varra o atraso entre a bomba e o pulso da sonda até várias dezenas de microssegundos. Para determinar a dinâmica de excitação, envie novamente um trem composto de pulsos de bomba de modo que a tensão CC adicionada à tensão da bomba seja maior que a tensão limite com uma taxa de repetição de 25 quilohertz. Varra a duração do pulso da bomba de vários nanossegundos para várias centenas de nanossegundos.

Em seguida, envie um trem de pulsos de bomba e sonda. Os pulsos da sonda devem ter uma amplitude menor que as bombas e comparável à faixa em que ocorre a histerese. Usando microscopia de tunelamento de varredura convencional, as ligações pendentes de silício ocorrem como saliências brilhantes em imagens de estado de campo viés de amostra negativo.

Em alguns casos, eles exibem uma mudança brusca na condutância em menos dois volts. Para esta ligação pendente específica, as imagens tiradas em menos 2,1 volts, menos dois volts e menos 1,8 volts também mostram isso. Nessas medições resolvidas no tempo, um pulso de bomba traz transitoriamente o sistema acima do limite de tensão e, imediatamente após um pulso de sonda, interroga a condutância do estado transitório.

Para maximizar a visibilidade da histerese, a duração do pulso da sonda deve ser menor do que a taxa de relaxamento do estado conduzido alto. Ao medir a dinâmica de relaxamento do dopante, as sequências de pulso variam em atraso entre a bomba e a sonda. Um único decaimento exponencial é extraído, que se acomoda em um deslocamento fixo com o tempo.

Para tempos de excitação, a largura da tensão da bomba de sequência de pulsos é alterada. Ao varrer a largura da bomba, a taxa média na qual o dopante é ionizado é mapeada. É importante que você caracterize qualquer toque eletrônico em sua configuração de microscópio.

O toque pode resultar em artefatos de sinal e deve ser eliminado. Além disso, esteja ciente de que eliminar o toque estendendo o comprimento do pulso resulta em uma perda de resolução de tempo e precisará ser otimizado. Embora tenhamos demonstrado microscopia de tunelamento de varredura resolvida no tempo para estudar dopantes em silício, essas técnicas podem ser aplicadas a muitos outros sistemas físicos.

A principal vantagem dessas técnicas é que nenhum sistema óptico precisa ser integrado ao seu microscópio. Não se esqueça de que trabalhar com criogênios e altas tensões pode ser perigoso. Sempre garanta um ambiente de trabalho seguro e siga o protocolo de segurança adequado ao configurar e usar seu microscópio.