Сканирующего зонда Одноэлектронные емкостной спектроскопии

Общая цель данного эксперимента состоит в том, чтобы наблюдать и пространственно разрешать заряд и разрядку одиночных электронов в наноразмерных проводящих системах, расположенных под непроводящими поверхностями. Это достигается за счет загрузки образца на криогенный сканирующий зондовый микроскоп для достижения низких температур и низкого уровня шума, что позволяет наблюдать за поведением одного электрона. В качестве второго шага используйте микроскоп в режиме сканирующей туннельной микроскопии, чтобы переместить наконечник примерно на один нанометр от верхней поверхности образца, что позволяет расположить наконечник в подходящем месте для выполнения измерений емкости.

Затем используйте микроскоп в емкостном режиме, используя чрезвычайно чувствительную схему обнаружения заряда, для обнаружения заряда изображения, индуцированного на наконечнике движением электронов в подповерхностной системе. Это позволяет определить электронную структуру подповерхностной квантовой системы. Получены результаты, которые показывают, как отдельные электроны туннелируют в наноразмерные подповерхностные системы и покидают их.

Пики и кривые зависимости емкости от напряжения отмечают энергию сложения электронов. В квантовой системе полупроводниковые устройства становятся все меньше и меньше. Самое маленькое возможное устройство – это один атом или атом примеси.

Многие предлагаемые устройства включают в себя небольшое количество взаимодействующих точек. Наш метод может разрешить базовую электронную структуру этих мельчайших систем. Этот метод может дать представление об электронной структуре подповерхностных, доцентских и полупроводниковых образцов, лежащих в его основе.

Это емкостный метод, который может быть расширен до различных низкотемпературных локальных измерений, таких как поверхностные диэлектрические свойства и отображение рабочих функций. Эти эксперименты проводятся на криогенного сканирующем зондовом микроскопе с соответствующей электроникой. В дополнение к коаксиальным проводам для смещения, напряжения и туннельного тока убедитесь, что по крайней мере два дополнительных коаксиальных провода и провод заземления проходят от электронной стойки до области наконечника микроскопа.

Они будут использоваться для передачи сигналов для криогенного усилителя. Далее начинается сборка схемы криогенного усилителя на основе транзисторной конопли с высокой подвижностью электронов. С помощью писца отрежьте микросхему размером примерно один сантиметр на один сантиметр от пластины из арсенида галлия.

Затем с помощью осаждения образуется несколько золотых прокладок размером примерно один миллиметр на один миллиметр на поверхности. Теперь приготовьте здесь острый наконечник из благородной металлической проволоки. Диагональные резаки используются для обрезки платиновой иридиевой проволоки 80 20 с использованием криогенной совместимой эпоксидной смолы.

Прикрепите золотую проволоку к каждой из золотых прокладок на чипе из арсонита галлия. На эту микросхему были добавлены дополнительные провода. Их можно легко снять, если в этом нет необходимости, примите меры предосторожности, чтобы избежать внесения случайных зарядов.

При работе с конопляной эпоксидной смолой, смещением резистора, наконечника и конопли на крошку для плавления арсенида галлия. После того, как эпоксидная смола должным образом затвердеет, используйте проволочный клевитель, загруженный золотой проволокой, чтобы склеить исходный дренаж и элементы ворот конопли с отдельными золотыми прокладками для склеивания чипов. Временные провода, соединяющие затвор и прокладки источника или дренажа, чтобы гарантировать, что затвор не будет заряжен по отношению к каналу источника воды.

Чтобы прикрепить монтажную микросхему к микроскопу, сначала заземлите коаксиальные провода на микроскопе, к которому будут припаяны провода от микросхемы. Затем прикрепите монтажный чип к сканирующей пиццо-трубке. Используйте индийский припой для соединения золотых проводов на чипе с соответствующими коаксиальными проводами.

После тестирования на целостность пеньки монтируется образец. Этот образец установлен на пандусах в стиле бака, которые позволяют ему входить и выходить в ответ на напряжение, приложенное к поддерживающим пьезотрубкам. С помощью микроскопа и режима STM переместите образец в диапазон, чтобы образец и наконечник могли успешно приблизиться друг к другу.

После успешного испытания отведите образец далеко за пределы диапазона, чтобы защитить наконечник во время работы с микроскопом. Чтобы подготовиться к работе при более низких температурах, перенесите микроскоп с лабораторного стола на криостат. Криостат должен быть способен достигать желаемой базовой температуры микроскопа 4,2 кельвина или ниже.

Накачав микроскоп до вакуума в несколько микротуров, опустите микроскоп на дюйм или два в криостат и дождитесь выравнивания температуры. На это может уйти до десятков минут. Повторяйте опускание на дюйм или два за раз, пока микроскоп не будет на месте.

Полный процесс погружения может занять почти сутки. Затем микроскоп следует оставить для термического равновесия. Наконец, изолируйте узел криостата и микроскопа от вибраций.

В этом эксперименте используется подвесная система из эластичного шнура, прикрепленная к криостату. Используйте подвесную систему, чтобы поднять узел на несколько дюймов от земли и удерживать его на этой высоте. Следите за высотой, чтобы знать, не утонул ли криостат и не нуждается ли он в реанимационном подвесе.

После выполнения сканирования STM начните измерения емкостного режима, отключив контур обратной связи в контроллере STM с убранным наконечником. Несколько десятков нанометров от его положения STM смещают боковое положение зонда на область образца, которая в последнее время не сканировалась. Чтобы перевести конфигурацию проводки в емкостный режим, сначала защитите пеньки, заземлив все коаксиальные провода.

Заделка проводов с помощью Т-образных разъемов позволяет проводам оставаться заземленными во время выполнения других соединений. Затем подключите коаксиальные провода к соответствующим источникам напряжения и резисторам, замку и усилителю, а также генератору функций. Установите все источники напряжения на ноль и включите их.

Освободите коаксиальные провода от земли, стараясь не заземлить провод затвора. В последнюю очередь для защиты конопли увеличьте напряжение источников до нужного уровня. Отрегулируйте пеньку и заблокируйте усилитель для оптимальной производительности.

Затем подождите, пока пенька стабилизируется. На этом этапе можно выполнять сканирование, визуализацию накопления заряда и емкостную вольт-спектроскопию. Это пример изображения накопления заряда.

Образец представлял собой силикон, легированный акцепторами бора с плотностью воздуха 1,7 умножить на 10 с точностью до 15-й на квадратный метр в слое дельта-допинга на глубине 15 нанометров ниже поверхности при давлении 4,2 кельвина. Как указывает шкала, более яркие цвета указывают на повышенную зарядку. Яркие пятна интерпретируются как обозначение местоположения отдельных подповерхностных атомов бора.

Синяя точка указывает на конкретное яркое пятно, где была проведена спектроскопия точки C в сравнении с V. Наибольший пик в данных C по сравнению с V интерпретируется как приход заряда непосредственно под наконечником. Их центры смещены в уменьшенную амплитуду по отношению к главному пику.

Из-за увеличенного расстояния между контактами DO. Пики расширяются вдоль оси напряжения под действием эффектов, учтенных в разработанной модели, на что указывает согласование кривой модели с данными. Показанные здесь данные спектроскопии C в сравнении V относятся к дельта-допингу арсенида галлия со слоем доноров силикона воздушной плотности, 1,25 умножить на 10 до 16-й на квадратный метр, расположенным на глубине 60 нанометров ниже поверхности с концентрацией 300 мликкельвинов.

Он также показывает ряд зарядных пиков, большинство из которых согласуются с группами из многих электронов, входящих и выходящих из него, один электронный пик обозначен красной стрелкой. Данные справа получены в результате повторных измерений пика, обозначенного красной стрелкой на графике слева. Когда данные усредняются, выполняется подгонка, которая отображается здесь зеленым цветом.

Эта кривая подгонки согласуется с ожидаемой формой пика одного электрона в экспериментальных условиях. После просмотра этого видео вы должны иметь хорошее представление о практических аспектах выполнения сканирования одиночных измерений емкости электрона при попытке выполнить эту процедуру. Важно помнить, что нельзя разрушать чувствительную коноплю, принимая меры предосторожности, чтобы предотвратить накопление статического электричества между воротами и исходным дренажным каналом.