ВС электронные решена НС сканирующий туннельный микроскопии: Содействие исследования динамики одного легирующего заряда

Общей целью электронной сканирующей туннельной микроскопии с временным разрешением является изучение динамических процессов, происходящих в атомном масштабе. В этих экспериментах изучается заряженная динамика легирующих примесей в кремнии. Эти методы могут быть использованы для исследования интересных явлений в области нанотехнологий и физики, таких как скорость, с которой легирующие примеси в полупроводниках снабжаются электронами, или как туннельные токи могут быть использованы для управления магнитным резонансом отдельных атомов.

Основное преимущество этих методов заключается в том, что быстрая динамика может быть изучена без необходимости интеграции оптики в туннельный узел. Эти методы не ограничиваются низкотемпературными или сверхвысоковакуумными сканирующими туннельными микроскопами. Для начала охладите сканирующий туннельный микроскоп, способный работать в сверхвысоком вакууме до криогенных температур.

Убедитесь, что наконечник микроскопа оснащен высокочастотной проводкой с частотой около 500 мегагерц. Затем подключите к наконечнику генератор произвольных функций, имеющий как минимум два канала. Подготовьте циклы пар импульсов напряжения, используемых для экспериментов с накачкой-зондом, настроив генератор произвольных функций таким образом, чтобы импульсы напряжения накачки и зонда генерировались независимо друг от друга и суммировались перед подачей на зонд.

Затем подайте на образец напряжение смещения постоянного тока, используемое для получения изображений в обычной спектроскопии. Затем подключите два радиочастотных переключателя к выходным каналам генератора произвольной функции. Настройте переключатели таким образом, чтобы наконечник был заземлен во время сканирования, туннелирования, визуализации и обычной спектроскопии.

Собирайте туннельный ток для всех измерений через предусилитель, подключенный к образцу. С помощью начертателя из карбида кремния поцарапайте заднюю часть кремниевой пластины. Затем с помощью предметного стекла для стеклянного микроскопа аккуратно оторвите образец от пластины.

Обязательно используйте керамический пинцет для работы с кристаллами кремния. Прикрепите образец к держателю для сканирующего туннельного микроскопа. Закрепив его в держателе, введите его в камеру сверхвысокого вакуума.

Затем дегазируйте образец, резистивно нагревая его до 600 градусов Цельсия и удерживая при этой температуре не менее шести часов в сверхвысоком вакууме. После того, как образец будет охлажден, используйте ту же камеру для дегазации вольфрамовой нити, резистивно нагревая нить до 1 800 градусов Цельсия и ожидая, пока система восстановится до базового давления. Затем удалите оксид с поверхности образца, нагрев образец до 900 градусов Цельсия и удерживая его при этой температуре в течение 10 секунд, прежде чем охладить его до комнатной температуры.

Постепенно нагревайте образец до более высоких температур, пытаясь достичь финальной вспышки в 1 250 градусов Цельсия. Дайте образцу остыть до комнатной температуры после каждой вспышки. Чтобы образец оставался чистым, происходит прерывание вспышки, когда давление поднимается выше девяти умножденных на 10 до отрицательных 10 мм рт

Затем пропустите газообразный водород в камеру под давлением один умножить на 10 до отрицательных шести градусов Торр и нагрейте вольфрамовую нить до 1,800 градусов Цельсия. Это превратит газ в атомарный водород. Подержите образец в этих условиях в течение двух минут, прежде чем прошить образец обратно до 1,250 градусов Цельсия.

Через пять секунд при температуре 1 250 градусов Цельсия охладите его до 330 градусов Цельсия. Подержите температуру на уровне 330 градусов Цельсия в течение одной минуты, а затем одновременно закройте клапан утечки водорода и выключите вольфрамовую нить. Дайте образцу остыть до комнатной температуры.

Наконец, подойдите к выборке, включив контроллер обратной связи по току с отрицательным напряжением 1,8 вольта, установочным значением тока 50 пикоампер и используя функцию автоматического сближения управляющего программного обеспечения. Проведите сканирование поверхности размером порядка 50 на 50 нанометров, чтобы убедиться в качестве поверхности. Должны быть большие террасы, разделенные ступенями по одному атому с частотой дефектов менее 1%. Димерные ряды реконструкции кремния один ноль ноль два на один должны быть четко разрешены.

Висячие связи проявляются в виде ярких выступов на изображениях состояния поля. Найдите область на поверхности образца, свободную от больших поверхностных дефектов, сделав сканирование большой площади размером 50 на 50 нанометров. Чтобы охарактеризовать электронный звон, расположите наконечник над атомом водорода на поверхности.

Поскольку каждый поверхностный атом кремния заканчивается атомом водорода, это эквивалентно размещению кончика над рядами димеров на поверхности. Выключите контроллер обратной связи по току, а затем установите постоянное напряжение на минус 1,0 вольта, затем напряжение накачки на минус 0,5 вольта, напряжение щупа на минус 0,5 вольта, ширину импульсов насоса и щупа на 200 наносекунд, а время нарастания и спада импульсов на 2,5 наносекунды. Затем отправьте серию последовательностей импульсов насоса и зонда, в которых относительная задержка насоса и зонда изменяется от минус 900 наносекунд до 900 наносекунд.

Звон проявляется в колебаниях туннельного тока меньшей амплитуды по обе стороны от источника. При увеличении времени нарастания импульсов с 2,5 наносекунд до 25 наносекунд наблюдается сильное подавление звона. Устранение звона за счет увеличения времени нарастания и спада импульсов для получения наиболее точных спектроскопических результатов.

Однако имейте в виду, что увеличение ширины импульса приведет к снижению разрешения. Расположите наконечник над силиконовым свисающим соединением, которое выглядит как яркие выступы при отрицательном смещении образца наконечника. Выключите контроллер обратной связи по току и отправьте последовательность, состоящую только из импульса пробника, используемого в качестве опорного сигнала, с частотой повторения 25 килогерц.

В течение серии последовательностей импульсов развертите смещение импульса зонда в диапазоне 500 милливольт от смещения постоянного тока, равного отрицательным 1,8 вольта. Каждый импульс должен иметь разное смещение. Этот этап эквивалентен стандартной внутривенной спектроскопии, но с уменьшенным рабочим циклом.

Убедитесь, что ширина импульсов достаточна для получения отношения сигнал/шум не менее 10. Отправьте последовательность, состоящую из импульсов насоса, установленных с фиксированным смещением, таким образом, чтобы напряжение постоянного тока, добавленное к напряжению насоса, было больше порогового напряжения с частотой повторения 25 килогерц. Затем отправьте последовательность, состоящую из импульсов насоса с импульсами зонда, за которыми следует задержка в 10 наносекунд.

Сравнивайте зонд только в сигналах насоса и зонда, отображая их на одном графике. Любой гистерезис в малых сигналах является признаком динамики, которую можно исследовать с помощью методов СТМ с временным разрешением. Чтобы измерить динамику релаксации, поместите наконечник микроскопа над силиконовой свисающей связью и выключите контроллер обратной связи по току.

Затем отправьте последовательность, состоящую из импульсов накачки, установленных с фиксированным смещением таким образом, что напряжение постоянного тока, добавленное к напряжению накачки, больше порогового напряжения с частотой повторения 25 килогерц. Затем отправьте еще одну цепь импульсов насоса и зонда. Убедитесь, что амплитуда зондовых импульсов меньше, чем у насосов, и сопоставима с диапазоном, в котором происходит гистерезис.

Наконец, увеличьте задержку между импульсом насоса и зонда до нескольких десятков микросекунд. Для определения динамики возбуждения снова отправьте последовательность, состоящую из импульсов накачки, таким образом, чтобы постоянное напряжение, добавленное к напряжению накачки, было больше порогового напряжения с частотой повторения 25 килогерц. Развертка по длительности импульса насоса от нескольких наносекунд до нескольких сотен наносекунд.

Затем отправьте цепочку импульсов насоса и зонда. Импульсы зонда должны иметь амплитуду меньшую, чем у насосов, и сопоставимую с диапазоном, в котором происходит гистерезис. При использовании обычной сканирующей туннельной микроскопии висячие связи кремния возникают в виде ярких выступов на изображениях полевого состояния, отрицательных смещений образца.

В некоторых случаях они проявляют резкое изменение проводимости при минус двух вольтах. Для этого конкретного висячего соединения изображения, сделанные при напряжении минус 2,1 вольта, минус двух вольт и минус 1,8 вольта, также показывают это. В этих измерениях с временным разрешением импульс накачки временно поднимает систему выше порогового значения напряжения и сразу же после импульса зонда исследует проводимость переходного состояния.

Чтобы обеспечить максимальную видимость гистерезиса, продолжительность зондирующего импульса должна быть короче, чем скорость релаксации в высоком проводимом состоянии. При измерении динамики релаксации легирующей примеси последовательности импульсов изменяются по задержке между насосом и зондом. Извлекается одно экспоненциальное затухание, которое со временем устанавливается на фиксированное смещение.

Для времени возбуждения изменяется ширина напряжения накачки в последовательности импульсов. Путем развертывания по ширине насоса отображается средняя скорость ионизации легирующей примеси. Важно, чтобы вы охарактеризовали любой электронный звон в вашем микроскопе.

Звон может привести к возникновению артефактов сигнала и должен быть устранен. Кроме того, имейте в виду, что устранение звона за счет увеличения длины импульса приводит к потере временного разрешения и требует оптимизации. Несмотря на то, что мы продемонстрировали сканирующую туннельную микроскопию с временным разрешением для изучения легирующих примесей в кремнии, эти методы могут быть применены ко многим другим физическим системам.

Основное преимущество этих методов заключается в том, что с микроскопом не нужно интегрировать оптические системы. Не забывайте, что работа с криогенами и высоким напряжением может быть опасной. Всегда обеспечивайте безопасную рабочую среду и соблюдайте надлежащий протокол безопасности при настройке и использовании микроскопа.