Сканирующего зонда Одноэлектронные емкостной спектроскопии

Общая цель следующего эксперимента заключается в наблюдении и пространственном разрешении процессов зарядки и разрядки одиночных электронов в наноразмерных проводящих системах, расположенных под непроводящими поверхностями. Это достигается путем размещения образца в криогенном сканирующем зондовом микроскопе для обеспечения низких температур и низкого уровня шума, что позволяет наблюдать поведение одиночных электронов. На втором этапе микроскоп используется в режиме сканирующей туннельной микроскопии, чтобы подвести зонд на расстояние примерно один нанометр от верхней поверхности образца; это позволяет расположить зонд в подходящем месте для проведения измерений емкости.

Затем используйте микроскоп в режиме емкости, применяя сверхчувствительную схему детектирования заряда для регистрации индуцированного на зонде изображения заряда, возникающего вследствие движения электронов в подповерхностной системе. Это позволяет определить электронную структуру данной подповерхностной квантовой системы. Полученные результаты демонстрируют туннелирование отдельных электронов на наноразмерные подповерхностные системы и с них.

Пики и кривые зависимости емкости от напряжения отмечают энергии присоединения электронов. В квантовых системах полупроводниковые приборы становятся все меньше и меньше. Самым маленьким возможным прибором является отдельный атом-донор или атом примеси.

Многие предлагаемые устройства включают небольшое количество взаимодействующих точек. Наш метод позволяет определить базовую электронную структуру этих миниатюрных систем. Данный метод может дать представление об электронной структуре подповерхностных слоев, допантов и полупроводниковых образцов в их основе.

Данный метод основан на измерении емкости и может быть адаптирован для различных низкотемпературных локальных измерений, таких как определение диэлектрических свойств поверхности и картирование работы выхода. Эти эксперименты проводятся с использованием сканирующего зондового микроскопа с криогенным оснащением и соответствующей электроникой. В дополнение к коаксиальным проводам для смещения, напряжения и туннельного тока, убедитесь, что от стойки с электроникой к области зонда микроскопа подведены как минимум два дополнительных коаксиальных провода и провод заземления.

Они будут использоваться для передачи сигналов на криогенный усилитель. Затем приступите к сборке схемы криогенного усилителя на основе транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT). С помощью разделительного резца отколите кристалл размером примерно 1 см на 1 см из пластины арсенида галлия.

Затем с помощью метода осаждения сформируйте на поверхности несколько золотых контактных площадок размером примерно один миллиметр на один миллиметр. Теперь изготовьте острый наконечник из проволоки из благородного металла. С помощью диагональных кусачек отрежьте фрагмент платино-иридиевой проволоки состава 80/20, используя совместимый с криогенными температурами эпоксидный клей.

Прикрепите золотую проволоку к каждой из золотых контактных площадок на чипе из арсенида галлия. На данном чипе были добавлены дополнительные провода. Если они не требуются на данном этапе, их можно легко удалить; при этом примите меры предосторожности, чтобы избежать появления паразитных зарядов.

При работе с конопляным эпоксидным клеем, смещающим резистором, наконечником и конопляным волокном на чипе плавления из арсенида галлия. После надлежащего отверждения эпоксидного клея используйте установку для микросварки, заправленную золотой проволокой, чтобы соединить элементы истока, стока и затвора конопляного волокна с отдельными золотыми контактными площадками чипа. Используйте временные перемычки, соединяющие площадки затвора с истоком или стоком, чтобы предотвратить накопление заряда на затворе относительно канала исток-сток.

Для крепления монтажного чипа к микроскопу сначала заземлите коаксиальные провода микроскопа, к которым будут припаяны провода от чипа. Затем закрепите монтажный чип поверх сканирующей пьезотрубки. Используйте индиевый припой, чтобы соединить золотые провода на чипе с соответствующими коаксиальными проводами.

После тестирования проверяют целостность креплений конопляного образца. Образец закреплен на наклонных опорах типа «baka», которые позволяют перемещать его вперед и назад под воздействием напряжения, подаваемого на опорные пьезотрубки. В режиме работы микроскопа и СТМ переместите образец в доступную зону, чтобы обеспечить успешное сближение образца и зонда.

После успешного теста отведите образец далеко за пределы зоны действия, чтобы защитить зонд при перемещении микроскопа. Для подготовки к работе при более низких температурах перенесите микроскоп с лабораторного стола в криостат. Криостат должен обеспечивать достижение требуемой базовой температуры микроскопа 4.2 kelvin или ниже.

После откачки микроскопа до вакуума в несколько микроторр опустите микроскоп в криостат на 2,5–5 см и дождитесь выравнивания температуры. Этот процесс может занять до нескольких десятков минут. Повторяйте опускание по 2,5–5 см за раз, пока микроскоп не будет установлен на место.

Процесс полного погружения может занять почти целый день. После этого микроскопу следует дать время для достижения теплового равновесия. В завершение необходимо изолировать сборку из криостата и микроскопа от вибраций.

В данном эксперименте используется система подвеса на эластичных шнурах (банги), прикрепленная к криостату. Используйте систему подвеса, чтобы приподнять установку на несколько дюймов над полом и удерживать ее на этой высоте. Следите за высотой, чтобы определить, не опускается ли криостат и не требуется ли его повторный подвес.

После выполнения сканирования СТМ начните измерения в режиме емкостного анализа, отключив контур обратной связи в контроллере СТМ при отведенном зонде. Сместив зонд на несколько десятков нанометров относительно его положения при СТМ, переведите его в область образца, которая не сканировалась в последнее время. Чтобы переключить конфигурацию соединений в режим емкостного анализа, сначала защитите входы, заземлив все коаксиальные провода.

Оконцевание проводов T-образными разъемами позволяет сохранить заземление проводов во время выполнения других подключений. Затем подключите коаксиальные провода к соответствующим источникам напряжения и резисторам, лок-ин усилителю и генератору функций. Установите нулевое значение на всех источниках напряжения и включите их.

Отсоедините коаксиальные провода от заземления, соблюдая осторожность при отсоединении провода затвора. В завершение, чтобы защитить hemp, увеличьте напряжение источников до необходимых уровней. Отрегулируйте hemp и заблокируйте усилитель для достижения оптимальной производительности.

Затем дождитесь стабилизации образца конопли. На данном этапе можно провести сканирование, получение изображений методом накопления заряда и вольт-фарадную спектроскопию. Здесь представлен пример изображения, полученного методом накопления заряда.

Образец представлял собой кремний, легированный акцепторами бора с поверхностной плотностью 1,7 × 10¹⁵ м⁻² в дельта-легированном слое на глубине 15 нм под поверхностью при температуре 4,2 К. Как видно из шкалы, более яркие цвета указывают на увеличение заряда. Яркие пятна интерпретируются как отметки расположения отдельных подповерхностных атомов бора.

Синяя точка указывает на конкретное яркое пятно, в котором была проведена спектроскопия C в зависимости от V. Самый большой пик в данных C относительно V интерпретируется как следствие попадания заряда в квантовую точку непосредственно под зондом. Близлежащие пики обусловлены соседними точками. Их центры смещены, а амплитуды уменьшены по сравнению с основным пиком.

Из-за увеличенного расстояния между контактами DO пики уширены вдоль оси напряжения за счет эффектов, учтенных в разработанной модели, что подтверждается соответствием кривой модели полученным данным. Представленные здесь данные спектроскопии C в зависимости от V получены для арсенида галлия с дельта-легированием слоем кремниевых доноров с поверхностной плотностью 1,25 × 10¹⁶ м⁻², расположенным на глубине 60 nm ниже поверхности при температуре 300 mK.

На графике также видна серия пиков зарядки, большинство из которых соответствуют группам из многих электронов, входящих в квантовую точку и выходящих из нее; одиночный электронный пик отмечен красной стрелкой. Данные справа получены в результате повторных измерений пика, указанного красной стрелкой на графике слева. После усреднения данных была выполнена аппроксимация, которая показана здесь зеленым цветом.

Данная кривая аппроксимации соответствует ожидаемой форме пика одного электрона при данных экспериментальных условиях. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о практических аспектах проведения сканирующих измерений емкости одного электрона. При выполнении этой процедуры важно помнить о необходимости предостеречь чувствительный образец от повреждения, принимая меры по предотвращению накопления статического заряда между затвором и каналом исток-сток.