Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

All-elektronische Nanosecond-resolved Scanning Tunneling microscopie: Vergemakkelijken van het onderzoek van één dopering gratis Dynamics

Published: January 19, 2018 doi: 10.3791/56861
Automatic Translation
1,2, 1, 3,4,5, 1,2,6, 1, 2, 3,4, 1,2
1Department of Physics, University of Alberta, 2National Institute for Nanotechnology, National Research Council of Canada, Edmonton, 3Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, 4Max Planck Institute for Solid State Research, 5Department of Physics and Astronomy, University of Manitoba, 6Joint Attosecond Science Laboratory, University of Ottawa

Summary

We tonen een all-elektronische methode om te observeren nanosecond-resolved gratis dynamiek van dopering atomen in silicium met een scanning tunneling microscoop.

Abstract

De miniaturisatie van halfgeleidermateriaal op schalen waar kleine aantallen dopants apparaateigenschappen kunt vereist de ontwikkeling van nieuwe technieken kunnen karakteriseren van hun dynamiek. Onderzoeken van één dopants vereist sub nanometer ruimtelijke resolutie, die het gebruik van de scanning tunneling microscopie (STM) motiveert. Conventionele STM is echter beperkt tot milliseconde temporele resolutie. Verschillende methoden hebben ontwikkeld om te overwinnen deze tekortkoming, met inbegrip van all-elektronische time-resolved STM, waarmee in deze studie onderzoeken dopering dynamiek in silicium met nanosecond resolutie. De hier gepresenteerde methoden zijn algemeen toegankelijk en laten voor lokale meting van een breed scala aan dynamiek op de atoomschaal. Een roman resolved time-scannen tunnelingtechniek spectroscopie is gepresenteerd en gebruikt voor het efficiënt zoeken voor dynamics.

Introduction

De premier hulpmiddel in nanoscience voor haar vermogen om op te lossen atoomschaal topografie en Elektronenstructuur scanning tunneling microscopie (STM) geworden. Een beperking van de conventionele STM, is echter dat de temporele resolutie beperkt tot de milliseconde tijdschaal vanwege de beperkte bandbreedte van de huidige voorversterker1 is. Het is al lang een doel om uit te breiden van de temporele resolutie STM van naar de schalen waarop atomaire processen vaak voordoet. De baanbrekende werken time-resolved scanning tunneling microscopie (STM-TR) door Freeman et. al. 1 gebruikt fotogeleidende schakelaars en microstrip transmissielijnen patroon op het monster te zenden picosecond spanning pulsen naar de kruising van de tunnel. Deze kruising-mengen techniek is gebruikt om gelijktijdige resoluties van 1 nm en 20 ps2, maar het is nooit algemeen goedgekeurd als gevolg van de eis van het gebruik van gespecialiseerde monster structuren. Gelukkig, de fundamentele inzichten opgedaan uit deze werken kan worden gegeneraliseerd naar veel tijd-resolved technieken; Hoewel de bandbreedte van de STM van circuits beperkt tot enkele kilohertz is, kan de niet-lineaire mestvee reactie in STM sneller dynamiek te worden bestudeerd door het meten van de gemiddelde tunnel huidige verkregen over vele pomp-sonde cycli. In de tussenliggende jaren, vele benaderingen werden onderzocht, de meest populaire waarvan zijn kort herzien hieronder.

(SPPX)-STM geschud-puls-paar-enthousiast maakt gebruik van de vooruitgang in ultrasnelle gepulste laser technologieën sub picosecond om oplossing te bereiken door direct het verlichten van de tunnel afslag en spannende dragers in de steekproef3. Incident laserlicht maakt gratis vervoerders die Transient geleiding verbeteren en modulatie van de vertraging tussen de pomp en de sonde (td) kunt dik/dtd te meten met een versterker lock-in. Omdat de vertraging tussen de pomp en de sonde wordt gemoduleerd in plaats van de laser van intensiteit, zoals in veel andere optische benaderingen, vermijdt SPPX-STM foto verlichting-geïnduceerde thermische uitzetting van de tip3. Meer recente uitbreidingen van deze aanpak hebben de termijnen waarover SPPX-STM kan worden gebruikt voor het onderzoeken van de dynamiek door gebruik te maken van de puls-picking technieken om te vergroten van het bereik van de pomp-sonde vertraging keer4uitgebreid. Nog belangrijker is, biedt deze recente ontwikkeling ook de mogelijkheid voor het meten van ik(td) curven rechtstreeks in plaats van via numerieke integratie. Recente toepassingen van SPPX-STM in single - de studie van vervoerder recombinatie hebben opgenomen (Mn, Fe)/GaAs(110) structuren5 en donor dynamiek in GaAs6. Toepassingen van SPPX-STM geconfronteerd met enkele beperkingen. Het signaal DAT SPPX-STM maatregelen hangt aan gratis vervoerders opgewonden door de optische pulsen en meest geschikt is voor halfgeleiders. Bovendien, hoewel de huidige tunneling is gelokaliseerd aan het uiteinde, omdat een groot gebied is opgewonden door de optische pulsen, is het signaal een convolutie van de eigenschappen van de lokale en materiële vervoer. Tot slot is de bias op het kruispunt vastgesteld op de tijdschaal meting zodat de dynamiek onder studie licht moet.

Een meer recente optische techniek, terahertz (THz-STM), STM paren gratis-ruimte THz pulsen gericht op het kruispunt naar het uiteinde van de STM. In tegenstelling tot in SPPX-STM, de gekoppelde pulsen gedragen zich als snelle spanning pulsen, waardoor voor het onderzoek van elektronisch gedreven excitaties met sub picosecond resolutie7. Interessant is dat de gerectificeerde huidige gegenereerd op basis van de pulsen THz resultaten in extreme piek stroom dichtheden niet toegankelijk door conventionele STM-8,9. De techniek is onlangs gebruikt om te bestuderen van hete elektronen in Si(111)-(7x7)9 en beeld van de trilling van een enkele Pentaceen molecuul10. THz-peulvruchten natuurlijk paar tot aan de vingertop, echter de noodzaak om te integreren een THz bron aan een experiment STM dreigt te worden uitdagend om te veel onderzoekers. Dit motiveert de ontwikkeling van andere breed inzetbaar en gemakkelijk uitvoerbare technieken.

In 2010, Loth et al. 11 ontwikkeld een all-elektronische techniek waar nanosecond spanning pulsen toegepast op de top van een DC-offset elektronisch pomp en het systeem11sonde. De invoering van deze techniek aangeboden een kritische demonstratie van ondubbelzinnige en praktische toepassingen van time-resolved STM voor het meten van de eerder onopgemerkt natuurkunde. Hoewel het niet zo snel als junction mengen STM, dat eraan voorafging, toelaat magnetron pulsen toe te passen op het puntje van de STM willekeurige monsters worden onderzocht. Deze techniek vereist geen gecompliceerde optische methodes of optische toegang naar de kruising van de STM. Dit maakt het de eenvoudigste techniek aan te passen aan lage temperatuur STM's. De eerste demonstratie van deze technieken werd toegepast op de studie van spin-dynamiek waar een spin-gepolariseerde STM werd gebruikt voor het meten van de dynamiek van de ontspanning van spin-Staten opgewonden door de pomp pulsen11. Tot voor kort, de toepassing ervan bleef beperkt tot magnetische adatom systemen12,13,14 , maar heeft sinds uitgebreid tot de studie van vervoerder vastleggen tarief van een discrete halverwege gap staat15 en opladen van dynamiek van één arseen dopants in silicon15,16. De laatste studie is de focus van dit werk.

Studies over de eigenschappen van één dopants in halfgeleiders hebben onlangs aanzienlijke aandacht getrokken omdat aanvullend metalen zuurstofverbinding semiconductor (CMOS) apparaten zijn nu het betreden van het regime waar één dopants kunnen beïnvloeden apparaateigenschappen17 . Bovendien, hebben verschillende studies aangetoond dat één dopants als de fundamentele component van toekomstige apparaten, bijvoorbeeld als qubits voor quantum computation18 en quantum geheugen19, en als één atoom transistoren20 dienen kunnen , 15. toekomst apparaten kunnen ook andere atoomschaal gebreken, zoals het silicium bungelen bond (DB), die kan worden patroon met atomaire precisie met STM lithografie21opnemen. Te dien einde DBs hebben voorgesteld als lading qubits22, quantumdots quantum cellulaire automaten platforms23,24, en atomaire draden25,26 en hebben zijn patroon om te maken Quantum Hamiltoniaan logica gates27 en kunstmatige moleculen28,29. Vooruit, kunnen apparaten verwerken zowel interne dopants en DBs. Dit is een aantrekkelijke strategie omdat DBs oppervlak gebreken die gemakkelijk kunnen worden gekenmerkt met STM en gebruikt als een handvat om te karakteriseren enkele dopering apparaten aanwezig zijn. Als een voorbeeld van deze strategie, zijn DBs in dit werk gebruikt als gratis sensoren afleiden van de opladen dynamiek van in de buurt van het oppervlak dopants. Deze dynamiek worden vastgelegd met het gebruik van een all-elektronische aanpak TR-STM die is aangepast van de technieken ontwikkeld door Loth et al. 11

Metingen worden uitgevoerd op geselecteerde DBs op een oppervlak van de Si(100)-(2x1) waterstof beëindigd. Een dopering uitputting regio uit te breiden van ongeveer 60 nm onder het oppervlak, gemaakt via thermische behandeling van de crystal30, loskoppelt van de DB en de paar resterende dopants van de in de buurt van het oppervlak van de bulk-bands. STM onderzoeken voor DBs is gebleken dat hun geleidbaarheid afhankelijk van globale steekproef parameters, zoals de concentratie van dopants en de temperatuur is, maar individuele DBs Toon ook sterk verschillen afhankelijk van hun lokale milieu-16. Tijdens een meting van de STM over een enkele DB, de stroom wordt beheerst door het tarief waartegen elektronen kunnen tunnel van de massa aan de DB (Γbulk) en van de DB tot aan de vingertop (Γtip) (Figuur 1). Echter omdat de geleiding van de DB gevoelig voor de omgeving is, invloeden de staat van de kosten van de nabijgelegen dopants Γbulk (figuur 1B), die kan worden afgeleid door monitoring van de DB's geleidbaarheid. Dientengevolge, de geleidbaarheid van een DB kan worden gebruikt om het gevoel van de Staten van de last van de nabijgelegen dopants, en kan worden gebruikt om te bepalen de prijzen waartegen de dopants zijn geleverd elektronen uit de bulk (ΓLH) en verliezen ze tot aan de vingertop STM (ΓHL < / c13 >). U kunt oplossen door deze dynamiek, wordt TR-STS uitgevoerd rond de drempel spanningen (Vthr) waartegen de tip induceert ionisatie van in de buurt van het oppervlak dopants. De rol van de pomp en sonde pulsen is hetzelfde in de drie time-resolved experimentele technieken die hier gepresenteerd. De pomp brengt Transient het bias niveau van onderen naar boven Vthr, die dopering ionisatie induceert. Dit verhoogt de geleidbaarheid van de DB, die door de sonde pols die op een lagere vooroordeel volgt wordt bemonsterd.

De technieken beschreven in dit document zullen degenen die willen karakteriseren dynamiek die plaatsvinden in de milliseconden aan nanosecond tijdschaal met STM profiteren. Terwijl deze technieken niet beperkt zijn tot het bestuderen van de dynamiek van de lading, is het cruciaal dat de dynamiek zich manifesteren via tijdelijke veranderingen in de geleidbaarheid van staten die kunnen worden bestudeerd door STM (dat wil zeggen, de Staten op of in de buurt van het oppervlak). Als de geleidbaarheid van de voorbijgaande Staten niet aanzienlijk van de staat van evenwicht, verschilt zodanig dat vermenigvuldigd met het verschil tussen de Transiënten- en evenwicht stromingen is de taakcyclus van de sonde-puls kleiner dan de systemen noise-floor (meestal 1 pA), het signaal verloren zal gaan in het lawaai en zullen niet aantoonbaar met deze techniek. Omdat de experimentele wijzigingen van commercieel beschikbare STM systemen vereist voor het uitvoeren van de technieken beschreven in dit document bescheiden zijn, naar verwachting dat deze technieken zullen algemeen toegankelijk naar de Gemeenschap.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. initiële installatie van Microscoop en experimenten

  1. Begin met een met vacuüm cryogene-compatibele STM en bijbehorende controlesoftware. Koel de STM aan cryogene temperaturen.
    Opmerking: In dit verslag, met vacuüm verwijst naar systemen die bereiken < 10 x 10-10 Torr. De STM moet worden afgekoeld tot cryogene temperaturen; Dit is vooral belangrijk bij het onderzoeken van de dynamiek van de kosten van dopants, die zijn thermisch geactiveerd bij bescheiden temperaturen. Andere kamers kunnen worden bij kamertemperatuur.
  2. Zorg ervoor dat het uiteinde van de STM is uitgerust met hoogfrequente bedrading (~ 500 MHz).
    Opmerking: Met behulp van pulse vormgeven van methoden, een grote toename in de reactie van de tijd van een STM met standaard cryogene temperatuur coax bedrading (~ 20 MHz) is gemeld door Grosse et al. 31
  3. Verbinding maken met een willekeurige functiegenerator met ten minste twee kanalen tot aan de vingertop (Figuur 2), die worden gebruikt voor het bereiden van de cycli van spanning pulse paren die worden gebruikt voor pomp-sonde experimenten.
  4. De functiegenerator van willekeurige zodanig configureren dat de pomp en sonde spanning pulsen zijn gegenereerd onafhankelijk en vatte voordat in de tip wordt ingevoerd.
  5. De bias gelijkspanning gebruikt voor conventionele en beeldvormende spectroscopie aan het monster (VDC) van toepassing.
  6. Sluit twee radiofrequentie schakelaars aan de willekeurige functiegenerator uitgangskanalen.
  7. De switches configureren zodat de tip zal worden geaard tijdens STM beeldvorming en conventionele spectroscopie, en de effectieve bias VDC + Vtip tijdens pomp-sonde experimenten (figuur 4A).
  8. Verzamel de tunneling huidige bij alle metingen via een voorversterker aangesloten op het monster.

2. voorbereiding van de wederopbouw van H-Si(100)-(2x1)

  1. Klieven een monster van een 3-4 mΩ·cm n-type arseen doped Si(100) wafer door krassen van de achterkant van de wafer met een silicium carbide scriber en zachtjes breken het monster uit de wafer met glas Microscoop glijbanen.
  2. Brengt het monster, tot een monsterhouder STM en het kennismaken met een met Vacuuemcel grenzend aan de kamer van de STM.
  3. Ontgas het monster door het weerstanden verhitting tot 600 ° C (een pyrometer kan worden gebruikt om de temperatuur van het monster te bewaken) en houden het bij die temperatuur gedurende ten minste 6 uur in met vacuüm.
    Opmerking: De druk zal in eerste instantie stijgen als het monster en de monsterhouder ontgas, maar in de buurt van de basis druk moeten stabiliseren (< 10-10 Torr) na enkele uren.
  4. Toestaan dat de steekproef afkoelen tot kamertemperatuur voordat u verdergaat.
  5. Ontgas een gloeidraad van wolfraam in de dezelfde kamer als het monster door weerstanden verwarming van de gloeidraad tot 1800 ° C en wachten tot het systeem te herstellen op basis van de druk. De gloeidraad uitschakelen voordat u verdergaat.
    Opmerking: Het monster kan blijven in de zaal tijdens deze stap omdat het is gepassiveerd door de inheemse oxide laag op het oppervlak, en verontreiniging van het oppervlak van de steekproef veroorzaakt van deze stap zal vervolgens worden verwijderd. De temperatuur van de gloeidraad moet worden gekalibreerd met een specifieke stroom/spanning toegepast op de gloeidraad met behulp van een pyrometer.
  6. Verwijderen van de oxide van het oppervlak van het monster door het opvlammen van het monster tot 900 ° C en houdt het bij die temperatuur voor 10 s voordat het afkoelen tot kamertemperatuur. De druk zal toenemen verschillende ordes van grootte van de base druk tijdens de knipperende procedure. Na elk van de flitsers gevonden tijdens de gehele procedure, wacht totdat het monster afkoelen tot kamertemperatuur en het systeem herstellen basis Druk voordat u verdergaat.
    Opmerking: Het opvlammen is gedefinieerd binnen dit verslag als verwarming en koeling van het monster met hoge helling tarieven, over de volgorde van 100 ° C/s.
  7. Geleidelijk flash het monster aan hogere temperaturen opgetreden bij het bereiken van een definitieve flits van 1250 ° C. Abort flits waar de druk boven 9 x 10-10 Torr stijgt om te voorkomen dat het monster oppervlak krijgen besmet. De gebruikte om de 1250 ° C flash (het licht gegeven uit door de verwarmde gloeidraad in stap 2.6 zal een pyrometer verhinderen geven een nauwkeurige lezing van de temperatuur van het monster, en dus deze setpoint moet worden gebruikt) spanning/stroom opnemen. Op de laatste flitser, bepalen de spanning/stroom nodig voor het verwarmen van het monster tot 330 ° C zoals het kristal wordt gekoeld, dan laat het monster afkoelen tot kamertemperatuur, en laat het systeem herstellen naar base Druk voordat u verdergaat.
  8. H2 gas lekken in de zaal bij een druk van 1 x 10-6 Torr en warmte van de gloeidraad van wolfraam tot 1800 ° C.
    Opmerking: Dit heeft het effect van het kraken van de H-2 tot en met atmoic waterstof32.
  9. Houd van het monster in de voorwaarden voor 2 min voordat het opvlammen van het monster tot 1250 ° C, , houdt het bij die temperatuur voor 5 s, en het afkoelen tot 330 ° C.
  10. Na 1 min van blootstelling bij 330 ° C, tegelijkertijd sluiten de H2 lek klep, uitschakelen van de gloeidraad van wolfraam en laat het monster afkoelen tot kamertemperatuur.
    Opmerking: Deze hoge temperaturen van de flits van invloed zijn op de verdeling van de dopants in de steekproef. Verhitting tot 1250 ° C is gebleken voor het opwekken van een regio voor uitputting van ~ 60 nm dopering in de buurt van de oppervlakte van het monster30.
  11. Controleer of het monster van kwaliteit door STM opnamen van het oppervlak.
    Opmerking: Goede monsters zal hebben grote (> 30 nm x 30 nm) terrassen met een defect tarief van < 1% (bungelen obligaties geadsorbeerde moleculen, adatoms, etc.) en demonstreer het klassieke Si(100)-(2x1) wederopbouw32, die beschikt over dimeer rijen die antiparallel met elkaar dwars over stap randen (figuur 3B).

3. beoordeling van de kwaliteit van de pulsen van de pomp-sonde op het kruispunt van de Tunnel

  1. Aanpak van de STM-tip aan de oppervlakte van het monster door het aangaan van de huidige feedback-controller met een huidige setpoint voor 50 pA en een steekproef bias van-1.8 V.
    Opmerking: Onder deze omstandigheden de tip wordt geschat op < 1 nm van het monster oppervlak. De tip van de STM gebruikt in dit werk werd geproduceerd door chemisch etsen polykristallijne wolfraam. Het was scherp verder met behulp van een stikstof procedure, die goed beschreven in Rezeq et al. is etsen 33.
  2. Zoekt u een gebied op de monster oppervlak vrij is van grote oppervlak gebreken door middel van groot gebied scans (bijvoorbeeld 50 nm x 50 nm).
  3. Standpunt de STM tip over een H-Si op het oppervlak, die worden weergegeven als het dimeer rijen in STM beelden (figuur 3B).
  4. Uitschakelen van de huidige feedback-controller
  5. Stel VDC -1,0 V, Vpomp -0,5 V, Vsonde naar -0,5 V, de breedte van de pomp en sonde pulsen tot 200 ns, en het tijdstip van de stijging/daling van de pulsen naar 2.5 ns (figuur 4A).
  6. Een reeks van treinen van pomp en sonde pulsen verzenden waar de relatieve vertraging van de pomp en de sonde is geveegd van-900 ns tot 900 ns.
  7. Plot de tunneling huidige als een functie van de vertraging tussen de pomp en de sonde. Zij zullen waarschijnlijk sterk beltoon (trillingen in de huidige functie van de relatieve vertraging tussen de pomp en sonde pulsen, figuur 4Btunneling) aantonen.
    Opmerking: Python en oorsprong software werden gebruikt om het plot, analyseren en evalueren van de verzamelde gegevens voor dit manuscript.
  8. Herhaal stap 3.1-3.5, maar de stijging/daling van de tijden van de pulsen verhogen. De beltoon zal dalen als de stijging/daling keer worden verlengd.
    Opmerking: Het is gewenst om te elimineren rinkelen zodat de meest accurate spectroscopische resultaten, de resolutie van de tijd van deze technieken is echter beperkt tot de breedte van de pulsen gebruikt. 25 ns opkomst keer werden gebruikt voor dit werk.

4. tijd-opgelost Scanning Tunneling spectroscopie (TR-STS)

  1. Standpunt de STM tip over een silicium DB, die worden weergegeven als heldere uitsteeksels op negatieve vooroordelen van de tip-monster (figuur 3B).
  2. Uitschakelen van de STM-controller voor huidige feedback.
  3. Stuur dat een trein samengesteld uit alleen de sonde pols met een herhaling van 25 kHz. Over een reeks van pulse treinen, het vooroordeel van de pols van de sonde te vegen over een bereik van 500 mV van het DC vooroordeel van-1.8 V.
    N.B. Dit eenvoudige experiment is analoog aan conventionele St waar de geleidbaarheid is bemonsterd over allerlei vooroordelen.
    1. Configureren van de duur van de puls-treinen (elk met een verschillende bias), zodanig dat de resulterende spectra een signaal / ruisverhouding hebben > 10.
  4. Stuur een trein samengesteld van pulsen van de pomp ingesteld op een vaste bias (zodanig dat VDC + Vpomp > Vthr) met een herhaling van 25 kHz. In deze experimenten, VDC, Vpompen Vthr instellen te-1.8 V, 500 mV en -2,0 V, respectievelijk.
    Opmerking: De pomp pulsen kunnen willekeurig lange duur (1 µs is meestal voldoende) hebben.
  5. Stuur een trein bestaat uit de pulsen van de pomp met de sonde pulsen gevolgd door een vertraging van 10 ns. In deze experimenten, de amplitude van de pols van de pomp ingesteld als 500 mV en voor de sonde pulse sweep van 50 tot 500 mV.
    Opmerking: In dit experiment, de sonde pols bemonstering is de staat bereid door de pomp pols, in plaats van het evenwicht staat bemonsterd in conventionele St.
    1. Aftrekken van het signaal verkregen wanneer alleen de pomp pols werd toegepast toen weergeven/evaluatie van het signaal verkregen van deze stap.
  6. Vergelijk alleen de sonde en de pomp + sonde signalen door hen in dezelfde grafiek plotten. Elke hysteresis in de twee signalen is een indicatie van de dynamiek die kan worden gesondeerd met time-resolved STM technieken.
    Opmerking: Door het bijhouden van het bereik van de pols van de sonde vast en grof scannen de DC offset (in 0,25 V stappen, bijvoorbeeld), een kunt efficiënt toewijzen het energiebereik van de hele van het monster te identificeren dynamics toegankelijk is voor de techniek. De duur van de pols kunnen worden aangepast afhankelijk van het experiment. De breedte van de puls van de pomp moet langer zijn dan het tarief waartegen de dopering geïoniseerd is, zodanig dat het ionizes consequent de dopering. In het algemeen, moeten sonde duur zijn van dezelfde orde als het dynamische proces onder studie, dusdanig dat het maximale signaal kan worden gemeten zonder bemonstering een gemiddelde van de twee huidgeleiding Staten. Wanneer de energieën op welke dynamiek zoekt bestaat, is het raadzaam dat de duur van de sonde zodanig dat slechts één toestand van het systeem wordt gemeten ter verbetering van hysteresis zijn geminimaliseerd. Als de tijd van ontspanning-constanten worden gevonden, kan de duur van de sonde pols worden verhoogd ter verbetering van de signaal / ruisverhouding.

5. tijd-opgelost STM metingen van ontspanning Dynamics

  1. Plaats van de STM-tip op een silicium DB en uitschakelen van de STM-controller voor huidige feedback.
  2. Stuur een trein samengesteld van pulsen van de pomp ingesteld op een vaste bias (zodanig dat VDC + Vpomp > Vthr) met een herhaling van 25 kHz. In deze experimenten, VDC, Vpompen Vthr instellen te-1.8 V, 400 mV en -2,0 V, respectievelijk.
    Opmerking: De pomp pulsen kunnen willekeurig lange duur (1 µs is meestal voldoende) hebben.
  3. Stuur een trein van pomp en sonde pulsen. Zorgen dat de sonde pulsen een amplitude kleiner is dan de pompen hebben en vergelijkbaar met het bereik op welke hysteresis optreedt (Vsonde < Vpomp, Vsonde + VDC≈ Vhystersis).
  4. De vertraging tussen de pomp en sonde pols tot enkele tientallen µs vegen.
  5. Aftrekken van het signaal verkregen wanneer alleen de pomp pols was toegepast. In deze experimenten, stel de VDC, Vpompen Vsonde te-1.8 V, 400 mV en 210 mV, respectievelijk. Stel de relatieve vertraging sweep van-5 µs op 35 µs.
    Opmerking: Als het signaal verkregen uit de vorige stap is goed fit (R2 > 0.80) door een enkele exponentiële afname-functie, dan de levensduur van de pre-steady-state bereid door de pomp pols kan worden geëxtraheerd uit de pasvorm.

6. tijd-opgelost STM metingen van excitatie Dynamics

  1. Stuur een trein samengesteld van pulsen van de pomp ingesteld op een vaste bias (zodanig dat groter is dan VDC + Vpomp > Vthr) met een herhaling van 25 kHz. In deze experimenten, stel de VDC en Vthr te-1.8 V -2,0 V, respectievelijk. Set Vpomp tussen 220 en 450 mV.
  2. De duur van de pols van de pomp uit verschillende nanoseconden aan verschillende honderd nanoseconden vegen.
  3. Stuur een trein van pomp en sonde pulsen. De sonde pulsen moeten een amplitude kleiner is dan de pompen en vergelijkbaar met het bereik op welke hysteresis optreedt (Vsonde < Vpomp, Vsonde + VDC≈V hystersis). In deze experimenten, stel Vsonde 210 mV.
  4. Aftrekken van het signaal verkregen wanneer alleen de pols van de sonde werd toegepast.
    Opmerking: Als het signaal verkregen exponentieel is, het geeft aan dat de pomp pols bereidt de pre-steady-state (geïoniseerd dopering) tegen een tarief dat kan worden geëxtraheerd uit de pasvorm (R2> 0.80). Het protocol dat hierboven beschreven is specifiek voor de experimenten en apparatuur die hierin worden beschreven. Er zijn vele potentiële mogelijkheden voor lezers voor het aanpassen van hun eigen experimentele opzet voor studies van andere systemen. Bijvoorbeeld, zijn de algemene technieken niet beperkt tot diepgevroren gekoelde STM's; tip materiaal kan worden gebruikt, en zij vereisen geen stikstof etsen. Bovendien kan een voldoende geprogrammeerde willekeurige functiegenerator worden gebruikt voor het genereren van dubbel-puls golfvormen, dat de noodzaak ontkennen zou voor het optellen van twee onafhankelijke kanalen. Lagere bandbreedte bekabeling zou tot slot gebruikte31.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De resultaten gepresenteerd in dit gedeelte van de tekst zijn eerder gepubliceerde15,16. Figuur 3 illustreert het gedrag van een voorbeeld geselecteerd DB met conventionele STM. Een conventionele mestvee meting (figuur 3A) toont duidelijk een scherpe veranderingen in de geleidbaarheid van de DB op Vthr -2,0 V =. Dit gedrag is ook waargenomen in STM opnamen bij-2.1 V (figuur 3B, linkerpaneel) -2,0 V (middelste deelvenster) en-1.8 V (juiste paneel), waar de DB heeft de uitstraling van een heldere uitsteeksel, een gespikkelde uitsteeksel, en een donkere depressie, respectievelijk. Deze overgang kan ook worden waargenomen door het kijken naar de huidige tunneling verzameld met de tip die rechtstreeks op de DB is geplaatst met de z-controller uitgeschakeld en de bias ingesteld op Vthr, wat resulteert in twee niveaus telegraph lawaai (figuur 3 C). is cruciaal in deze metingen, het puntje van de STM stond direct boven de DB. In deze regeling, de schommelingen van de DB's gratis staat treedt op op tijdschalen hieronder e /s = 2ns, die is veel sneller dan de switching waargenomen. Als zodanig, wordt het waargenomen gedrag toegeschreven aan het opladen dynamiek van nabijgelegen dopants aangaat de geleidbaarheid van de DB. Het is belangrijk op te merken dat omdat de uitgebreide golf-functie van DB's Mid kloof energie handeling als een brug stelt te voeren elektronen uit de geleidingsband bulk tot aan de vingertop, het waargenomen gedrag is alleen zichtbaar wanneer de tip direct boven de DBs wordt geplaatst. Als de bias was toegenomen, de frequentie van het geluid van de Telegraaf ook sterk gestegen, zodanig dat bij-2.02 V, de switch gedrag niet meer worden rechtstreeks door van de STM voorversterker opgelost kon. Dit gemotiveerd het gebruik van time-resolved scanning tunneling microscopie (TR-STM) en time-resolved scanning tunneling spectroscopie (TR-STS).

Figuur 4 toont een methode die kan worden gebruikt voor het beoordelen van de kwaliteit van de pulsen geleverd naar de kruising. Beltonen wordt waargenomen bij snelle stijging keer worden gebruikt voor de pomp en sonde pulsen vanwege de impedantie-mismatch tussen de STM-circuits en de kruising van de tunnel. Een cross-correlatie van de pomp en sonde pulsen kan worden gegenereerd door het vegen van de relatieve vertraging van de pols van de sonde door nul-vertraging. Een sterke toename van de huidige tunneling vindt plaats wanneer de pomp en sonde pulsen als gevolg van het karakteristieke niet-lineaire gedrag van mestvee metingen overlappen. Beltonen manifesteert zich door middel van kleinere amplitude oscillaties bij de tunneling huidige aan beide zijden van de oorsprong. Doordat de tijden van de opkomst op de pulsen van 2,5 ns 25 ns, een sterke onderdrukking van de beltoon wordt waargenomen. De relatieve verschuiving van de signalen gegenereerd met de stijgtijd van elke puls is een gevolg van het feit dat de pulsbreedte wordt gemeten tot de tijden van de opkomst van de pulsen. Daarom pulsen met 2,5 ns opkomst maal hebben een meer geïntegreerde ruimte en dus een grotere geïntegreerd huidige, in vergelijking met pulsen met 25 ns opkomst keer. Daaruit blijkt dat kwantitatieve vergelijking van TR-STM metingen moeten alleen worden uitgevoerd wanneer de tijden van de opkomst van de pulsen gebruikt gelijk zijn.

Figuur 5 toont TR-STS. In deze metingen brengt een pomp puls Transient het systeem boven Vthr, en onmiddellijk na een sonde puls de geleidbaarheid van de pre-steady-state ondervraagt. Het geleidingsvermogen van de pre-steady-state kan worden toegewezen door het signaal verkregen met sonde alleen van het signaal verkregen met pomp + sonde af te trekken. Wanneer de pomp + sonde en sonde alleen signalen rechtstreeks vergeleken worden, is elke hysteresis kenmerkend voor de dynamische processen die kunnen worden bestudeerd door TR-STS. Door het wijzigen van de waarde van de vaste DC offset bias, kan de dynamiek van het systeem dat kan peilden door TR-STS efficiënt worden geïdentificeerd.

In TR-St is het belangrijk dat de duur van de pomp en sonde pulsen. De pols van de pomp moet lang genoeg zijn voor het opwekken van een stationaire toestand van het systeem (dat wil zeggen, pomp het in de hoge geleidbaarheid staat). Als de duur van de pols van de sonde te lang is, maar kunt vervolgens bij lage sonde amplitudes, de geleidbaarheid van de DB ontspannen tijdens de meting. In dit geval zal de sonde pols proeven van zowel de Staten van de hoge en lage geleidingsvermogen van de DB en verminderen de zichtbaarheid van de hysteresis. Daarom, om te maximaliseren de zichtbaarheid van de hysteresis, de duur van de pols van de sonde moet korter zijn dan het tarief van de ontspanning van de hoge-huidgeleiding staat.

Figuur 6 toont time-resolved metingen van dopering ontspanning en excitatie dynamiek. Net als in de TR-St, het monster is ingesteld op een vaste DC offset vooroordeel onder Vthr, en de pomp pulsen Transient brengen het systeem boven Vthr. Ontspanning dynamics waren peilden door vegen de relatieve vertraging van de sonde pulsen (figuur 6A). Montage van een complot van de huidige functie van de relatieve vertraging (figuur 6B) sonde met een enkele exponentiële afname toegestaan ΓHL moet worden geëxtraheerd. Het is belangrijk op te merken dat dit tarief is nooit waargenomen voor een single-cyclus, nogal ΓHL is afgeleid uit de tijd-gemiddeld tunneling huidige die uit vele evenementen bestaat. Dit is analoog aan optische spectroscopie, waar de levensduur van een geëxciteerde toestand kan worden bepaald uit enkele metingen van een ensemble, behalve dat in dit geval de levensduur van een enkele dopering kan worden gekarakteriseerd door een ensemble van metingen omdat het kan worden gesondeerd rechtstreeks door de STM-tip. Het is belangrijk op te merken dat de sonde huidige waargenomen in figuur 6B niet nul, maar eerder een vaste afstand doet verval. Dit komt doordat de pomp pols dynamiek prikkelt (waargenomen als de milliseconde-schaal Telegraaf ruis in afbeelding 3 c) die niet binnen de termijn van de meting doen vergaan. Dit geeft aan dat de geleidbaarheid van de DB onder studie is gated door twee dopants met verschillende ontspanning tijd-constanten zijn. Figuur 6 c toont een controle-experiment waar de amplitude van de pomp is varieerde van-0.25 V tot -0,6 V. Een verandering in het leven van de geïoniseerde staat, als een functie van de amplitude van de pomp, zou betekenen dat extra dynamische processen dicht in energie aan Vthrbestaan. Omdat ΓHL constant buiten-2.05 V is, wordt geconcludeerd dat alleen door de gratis Staten van de twee geïdentificeerde dopants zijn gating de geleidbaarheid van de DB.

Excitatie dynamics waren peilden door vegen de breedte van de puls van de pomp (figuur 6D). Γ LH is geëxtraheerd uit een exponentiële fit van de huidige tijd-gemiddeld als een functie van de breedte van de pomp (Figuur 6 sexies). Wanneer de verpompte bias Vthrniet overschrijdt, is er geen waargenomen afhankelijkheid tussen de breedte van de pomp en de tunneling huidige omdat de dopants neutraal blijven. Wanneer de verpompte bias Vthr overschrijdt, kan een elektron uit de dopering tunnel tot aan de vingertop verlaten de dopering geïoniseerd. Door het vegen van de breedte van de pomp, is de gemiddelde koers waartegen de dopering geïoniseerd is toegewezen. Figuur 6F onderzoekt de afhankelijkheid van ΓLH als een functie van de amplitude van de pomp. Als een DB door een enkele dopering omheinde is, wordt ΓLH verwacht aan schaal exponentieel met de pomp amplitude over het gehele bereik van de bias-16. Dit is te verwachten omdat het dopering van ionisatie tarief afhankelijk van de exponentieel sterkte de lokale veldsterkte, die afhankelijk zijn van de bias toegepast op het uiteinde. Db1, oftewel de DB studeerde in alle voorafgaande cijfers, toont een exponentiële afhankelijkheid tussen-2.1 V-2.25 V en een stap op de-2.05 V. Deze stap is verder bewijs dat de DB1 is gated door twee nabijgelegen dopants. Een exponentiële afhankelijkheid werd waargenomen voor DB2 over het bereik-1.3 V-1.6 V, die aangeeft dat een enkele dopering gated het. DB2 deed niet vertonen dynamiek dan de milliseconde tijdschaal en daarom niet met de andere tijd-resolved technieken werd bestudeerd.

Figure 1
Figuur 1: schematische van het stelsel van de studie en de bijbehorende energie diagram. (A) de huidige bemonsterd door de tip van de STM gepositioneerd direct bovenop een silicium dat DB bestaat voornamelijk uit elektronen passeren van de massa aan de DB en van de DB tot aan de vingertop, met tarieven Γbulk - en Γtip, respectievelijk. Arseen dopants, vertegenwoordigd door groene ballen, ook hebben (ΓHL) vullen en ledigen tarieven (ΓLH) die kunnen worden peilden door time-resolved STM metingen. (B) de geleiding band rand in aanwezigheid van een geïoniseerd dopering (groene kromme) wordt getrokken naar beneden ten opzichte wanneer de dopering is neutraal (zwarte kromme), wat in een verhoogde geleidbaarheid resulteert. Het energie-diagram is berekend voor een steekproef bias van -2,0 V. De blauw gekleurde gebied vertegenwoordigt de gevulde Staten. Dit cijfer is genomen met toestemming van Rashidi et al. 16 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: de vereiste wijzigingen die moeten worden gemaakt om een commerciële STM zodat TR-STM kan worden uitgevoerd met de methoden beschreven in dit werk. Een DC offset vooroordeel wordt toegepast op het monster, en tijdens de STM conventionele en beeldvormende spectroscopie, de STM-tip is geaard. Wanneer gebruikt voor time-resolved metingen, zijn de signalen die zijn gemaakt door een willekeurige functiegenerator met twee onafhankelijke kanalen opgeteld en gevoed naar het uiteinde van de STM, die zijn van hoge-frequentie bekabeling voorzien moet. Twee radiofrequentie switches worden gebruikt om het beheren van de puls-treinen. De huidige tunneling wordt gemeten aan de kant van de steekproef. Dit cijfer is genomen met toestemming van Rashidi et al. 16 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: de spectroscopische gedrag van een geselecteerde DB met conventionele STM. (A) een mestvee meting over de DB verzameld op constante hoogte. (B) Constant-current STM beelden van de DB buiten (links-2.1 V), bij (-2,0 V, midden), en onder (-1.8 V, rechts) de spanning van de drempel. Dimeer rijen van de wederopbouw van de H-Si(100)-(2x1) weergegeven als parallelle staven. (C) bij de huidige feedback controleur van de STM af een trace van de huidige-tijdweergave overgenomen van de DB op de drempel spanning (-2.01 V) tweestaten-Telegraaf lawaai weergegeven op de tijdschaal milliseconde. Dit cijfer is genomen met toestemming van Rashidi et. al. 16 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: een cross-correlatie van de pomp en sonde pulsen de tunnel afslag. (A) schema van de cross-correlatie pulse-sequenties. Een statische DC offset bias (groene balk) wordt toegepast op het monster. De relatieve vertraging tussen de pomp pulsen (rode balken) en de sonde pulsen (blauwe staven) is geveegd door nul vertraging. Elk paar van pomp en sonde pulsen vertegenwoordigt een trein van pulsen gestuurd naar de tip. (B) de tip op H-Si wordt geplaatst en een trein van pomp-sonde paren wordt geleverd naar de kruising van de tunnel. De relatieve vertraging van de sonde wordt gemeten vanaf de achterrand van de pomp aan de voorrand van de sonde, en was een cilinderinhoud van-900 ns tot 900 ns. Een statische DC-offset van -1,0 V werd toegepast op het monster. Pomp en sonde amplitudes werden ingesteld op-0.50 V met 200 ns breedtes. De tijd van de stijging/daling van de pulsen is ingesteld op 25 ns (zwart), 10 ns (rood), en 2.5 ns (blauw). De huidige sonde werd vermenigvuldigd met een factor twintig ter verantwoording voor de taakcyclus van 5% werkzaam in de meting, echter geen poging was gedaan om te corrigeren voor het feit dat de geïntegreerde gebieden van elke puls trein verschillen. Inzet: een vergrote weergave van de beltonen tussen 0 en 900 ns relatieve vertraging. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: Time-resolved scanning tunneling mestvee spectroscopie (TR-STS). (A) schema van de TR-STS pulse sequenties. Een statische DC offset bias (groene balk) wordt toegepast op het monster. Pomp pulsen (rode balken) voorafgaan aan sonde pulsen (blauwe staven). Elk paar van pomp en sonde pulsen vertegenwoordigt een trein van pulsen gestuurd naar de tip. (B) de meting van de TR-STS met 1 µs breedte pomp en sonde pulsen. De hysteresis tussen de bochten zonder de pomp (rode driehoeken) en met de pomp (blauwe cirkels) overlapt het bias bereik waar het systeem bistabiele is. De DC-bias is ingesteld op-1.80 V, het vooroordeel van de pomp is-0.50 V en de sonde bias werd geveegd van 500 tot 50 mV. De pulsen hebben gestegen en gedaald tijden van 25 ns, de relatieve vertraging tussen de trailing edge van de pomp en de voorrand van de sonde puls is 10 ns, en de herverpakking tarief is 25 kHz. Dit cijfer is genomen met toestemming van Rashidi et. al. 16 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6: Time-resolved metingen van dopering excitatie en ontspanning dynamiek. (A,D) Schema van de puls-sequenties. Een statische DC offset bias (groene balk) wordt toegepast op het monster. Pomp pulsen (rode balken) voorafgaan aan sonde pulsen (blauwe staven). Elk paar van pomp en sonde pulsen vertegenwoordigt een trein van pulsen gestuurd naar de tip. (B) meting van ΓHL wordt gemaakt door het vegen van de relatieve vertraging van de pomp en sonde pulsen. De pomp en sonde pulsen hebben breedtes 1 µs. Een DC-offset van-1.80 V wordt toegepast op het monster; de pomp en sonde pulsen hebben amplitudes van-0.4 en-0.21 V, respectievelijk. De ononderbroken lijn is een vlaag van de gegevens met een enkele exponentiële functie. (C) metingen van ΓHL bij verschillende pomp amplitudes. Foutbalken vertegenwoordigen de standaardfouten van de exponentiële hulpstukken. (E) meting van ΓLH wordt gemaakt door het vegen van de duur van de pomp. Een DC-offset van-1.80 V wordt toegepast op het monster en de sonde pulsen hebben een amplitude van-0.21 V. Vthr voor de geselecteerde DB-2.05 V is. De ononderbroken lijn is een vlaag van de gegevens met een enkele exponentiële functie. (F) metingen van ΓLH bij verschillende pomp amplitudes voor twee geselecteerde DBs. DB1 (rode driehoeken) is de DB gebruikt voor alle andere metingen in de tekst. DB2 is een verschillende geselecteerde DB en wordt volledig beschreven in Rashidi et al. 16 ononderbroken lijnen zijn vlagen van de gegevens met een enkele exponentiële functie. Dit cijfer is genomen met toestemming van Rashidi et al. 16 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De variant van de TR-St waarin de pols van de pomp niet wordt toegepast is vergelijkbaar met conventionele St, behalve dat het systeem is op een hoge frequentie in plaats van voortdurend wordt bemonsterd. Als de totale duur van de pulsen sonde geschikt zijn (>ΓLH), de TR-STS signaal verworven zonder de pomp pols vermenigvuldigd kan worden met een constante verhouding staat tot de taakcyclus van het experiment te laten samenvallen met een conventionele St precies meting. Dit is alleen mogelijk omdat de metingen zijn uitgevoerd zonder het gebruik van een versterker van de lock-in, die anders een onbekend deel van het signaal als gevolg van het low-pass filter gebruikt zou verzachten. Dit is een significant verschil tussen de methoden die door Loth et al. 11 en die worden beschreven in dit werk. Het gebruik van een versterker lock-in kan worden gebruikt voor het verbeteren van de gevoeligheid van de metingen, maar voorkomt dat de directe vergelijking van de TR-St met conventionele St-metingen. In systemen waar deze gevoeligheid vereist is, wordt verwacht dat beide methoden kunnen worden gebruikt in concert, met de lock-in versterker uitgeschakeld zodat onderzoekers efficiënt naar dynamiek zoeken kunnen en de lock-in versterker ingeschakeld voor toegevoegd gevoeligheid tijdens de karakterisatie van excitatie en ontspanning dynamiek.

Het belangrijkste nadeel van deze technieken is dat hun temporele resolutie momenteel beperkt tot verschillende nanoseconden is. Het gaat hier om verschillende ordes van grootte langzamer dan wat kan worden bereikt met junction-mengen of optische technieken. Dit is een gevolg van signaal beltonen, die optreedt wanneer de spanning pulsen met sub nanosecond opkomst maal worden gebruikt, als gevolg van de impedantie-mismatch tussen het STM-circuit en de tunnel afslag31. Inderdaad, all-elektronische methoden tijd resolutie zo fijn als 120 ps34 hebben bereikt maar nog niet zijn gebruikt om te onderzoeken van de dynamiek die resolutie. Een optimaal ontworpen STM hadden een perfect impedantie-matched STM circuit tot aan de kruising van de tunnel, dat zou perfect impedantie-mismatch. Dit zou elimineren van vertekening en dissipatie van de pols en zou weerspiegelen de magnetron macht, eerder dan het te leveren over de kruising. Een mogelijke strategie om te elimineren van de resulterende beltonen zou extra dissipatie toevoegen aan het STM-circuit weergegeven pulsen effectief zou worden verzwakt.

In dit werk, werd de eenvoudigste aanpak genomen, dat wil zeggen, geen interne wijziging van de commerciële STM werd uitgevoerd. Een cross-correlatie techniek werd gebruikt voor het karakteriseren de beltoon, die vervolgens werd geminimaliseerd door gewoon de tijden van de opkomst van de pulsen uit te breiden. Omdat de stijgtijd van de pulsen de tijd resolutie beperkt, worden niet deze strategie te karakteriseren van dynamische processen die plaatsvinden in termijnen aan de grenzen van deze technieken (verschillende ns) gebruikt. In deze situaties, kan beltonen worden actief onderdrukt door de technieken ontwikkeld door Grosse et al. 31 , die betrekking hebben op het vormgeven van de pulsen ter verantwoording voor de overdrachtsfunctie van de functiegenerator van willekeurige en de kruising van de tunnel.

De all-elektronische aanpak TR-STM heeft vele voordelen ten opzichte van andere prominente TR-STM benaderingen. Ten eerste, in vergelijking met junction-mengen STM, deze aanpak hoeft niet elke gespecialiseerde monster structuren. Alle voorbeelden die kunnen worden gescand met conventionele STM moet vatbaar voor deze technieken. De all-elektronische aanpak vereist verder geen significante wijzigingen naar de STM of het gebruik van de ultrasnelle optica. Inderdaad, de wijzigingen in de circuits van de STM vereist voor het uitvoeren van deze technieken zijn zeer bescheiden, zoals commerciële STM's met hoge-frequentie bekabeling beschikbaar zijn. Daarnaast zijn de dynamiek met de all-elektronische aanpak gesondeerd zuiver lokaal, zoals de pulsen worden geleverd rechtstreeks aan het uiteinde van de STM. Dit staat in contrast met de SPPX-STM, waar het incident laserpulsen alleen kunnen worden gericht tot enkele vierkante micron. Tot slot, de all-elektronische methode kunnen de mogelijkheid om nauwkeurig manipuleren de vooroordelen van de pomp en de sonde, waardoor een directe vergelijking met STM standaardmaten. Dit staat centraal op een aantal van de technieken die in dit artikel wordt beschreven, en terwijl het kan mogelijk zijn om soortgelijke pulse sequenties in optische benaderingen van TR-STM, is het experimenteel moeilijk.

De experimentele technieken gepresenteerd hier maatregel gratis dynamiek met atomaire ruimtelijke resolutie en nanosecond temporele resolutie. Er is een schat aan nieuwe fysica worden bestudeerd met deze zeer toegankelijke aanpak. Bijvoorbeeld, zijn de dynamiek van enkele atomen fascinerend en belangrijk technologisch. Enkel atoom dynamics eerder binnen de beperkingen van conventionele STM werden bestudeerd, maar deze techniek opent de deur voor onderzoek naar soortgelijke meer dan zes extra ordes van grootte (van milliseconde aan nanosecond verwerkt). Met name overbrugt dit de kloof van de langzame gebeurtenissen meestal waargenomen in STM, de fundamentele processen die ten grondslag liggen aan hen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Acknowledgments

Wij wil Martin Cloutier en Mark Salomons bedanken voor hun technische expertise. Wij danken ook NRC, NSERC en AITF voor financiële steun.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Low Temperature Scanning Tunneling Microscope Scientaomicron Custom-made with 500MHz bandwidth wiring
Arbitarary Function Genorator Tektronix AFG3252C
RF Power Splitter/ Combiner Mini-Circuits ZFRSC-42-S +
RF Switch Mini-Circuits X80-DR230-S +
Non-Contact Infrared Pyrometers Micron Infrared MI 140

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nunes, G., Freeman, M. R. Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), Science. New York, N.Y. 1029-1032 (1993).
  2. Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution. Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).
  3. Takeuchi, O., Morita, R., Yamashita, M., Shigekawa, H. Development of time-resolved scanning tunneling microscopy in femtosecond range. Jpn. J. Appl. Phys. 41 (7 B), 4994-4997 (2002).
  4. Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy. Nat. Photon. 4 (12), 869-874 (2010).
  5. Yoshida, S., Yokota, M., Takeuchi, O., Oigawa, H., Mera, Y., Shigekawa, H. Single-atomic-level probe of transient carrier dynamics by laser-combined scanning tunneling microscopy. Appl. Phys. Express. 6 (3), (2013).
  6. Kloth, P., Wenderoth, M. From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics. Science Ad. 3, (2017).
  7. Cocker, T. L., et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).
  8. Yoshioka, K., et al. Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz electric fields. Nat. Photon. 10 (12), 762-765 (2016).
  9. Jelic, V., et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).
  10. Cocker, T. L., Peller, D., Yu, P., Repp, J., Huber, R. Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging. Nature. 539 (7628), 263-267 (2016).
  11. Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution. Science. 329 (5999), 1628-1630 (2010).
  12. Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science. 335 (6065), (2012).
  13. Baumann, S., Paul, W., Choi, T., Lutz, C. P., Ardavan, A., Heinrich, A. J. Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface. Science. 350 (6259), 417-420 (2015).
  14. Yan, S., Choi, D. -J., Burgess, J. A. J., Rolf-Pissarczyk, S., Loth, S. Control of quantum magnets by atomic exchange bias. Nat. Nano. 10 (1), 40-45 (2014).
  15. Rashidi, M., et al. Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale. Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805 (2016).
  16. Rashidi, M., et al. Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon. Nat. Comm. 7, 13258 (2016).
  17. Koenraad, P. M., Flatté, M. E. Single dopants in semiconductors. Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).
  18. Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).
  19. Freer, S., et al. A single-atom quantum memory in silicon. Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).
  20. Fuechsle, M., et al. A single-atom transistor. Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).
  21. Lyding, J. W., Shen, T. -c, Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2×1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope. Appl. Phys. Lett. 64 (118), 2010-2012 (1994).
  22. Livadaru, L., et al. Dangling-bond charge qubit on a silicon surface. New J. Phys. 12 (8), 83018 (2010).
  23. Haider, M. B., Pitters, J. L., DiLabio, G. A., Livadaru, L., Mutus, J. Y., Wolkow, R. A. Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature. Phys. Rev. Lett. 102 (4), 46805 (2009).
  24. Taucer, M., et al. Single-Electron Dynamics of an Atomic Silicon Quantum Dot on the H - Si (100)-(2x1) Surface. Phys. Rev. Lett. 112 (25), 256801 (2014).
  25. Engelund, M., Papior, N., Brandimarte, P., Frederiksen, T., Garcia-Lekue, A., Sánchez-Portal, D. Search for a Metallic Dangling-Bond Wire on n -Doped H-Passivated Semiconductor Surfaces. J. Phys. Chem. C. 120 (36), 20303-20309 (2016).
  26. Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires. Nano Lett. 17, 322-327 (2017).
  27. Kolmer, M., Zuzak, R., Dridi, G., Godlewski, S., Joachim, C., Szymonski, M. Realization of a quantum Hamiltonian Boolean logic gate on the Si(001):H surface. Nanoscale. 7, 12325-12330 (2015).
  28. Schofield, S. R., et al. Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds. Nat. Comm. 4, 1649 (2013).
  29. Wood, J. A., Rashidi, M., Koleini, M., Pitters, J. L., Wolkow, R. A. Multiple Silicon Atom Artificial Molecules. https://arxiv.org/abs/1607.06050. , (2016).
  30. Pitters, J. L., Piva, P. G., Wolkow, R. A. Dopant depletion in the near surface region of thermally prepared silicon (100) in UHV. J. Vac. Sci. Technol. 30 (2), 21806 (2012).
  31. Grosse, C., Etzkorn, M., Kuhnke, K., Loth, S., Kern, K. Quantitative mapping of fast voltage pulses in tunnel junctions by plasmonic luminescence. Appl. Phys. Lett. 103 (18), (2013).
  32. Boland, J. J. Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces. Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).
  33. Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen. J. Chem. Phys. 124, 204716 (2006).
  34. Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution. Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).

Tags

Engineering kwestie 131 All-elektronische time-resolved scanning tunneling microscopie time-resolved scanning tunneling spectroscopie dopering dynamiek silicium bungelende obligaties all-elektronische pomp-sonde spectroscopie enkel atoom gratis dynamics
All-elektronische Nanosecond-resolved Scanning Tunneling microscopie: Vergemakkelijken van het onderzoek van één dopering gratis Dynamics
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Rashidi, M., Vine, W., Burgess, J.… More

Rashidi, M., Vine, W., Burgess, J. A. J., Taucer, M., Achal, R., Pitters, J. L., Loth, S., Wolkow, R. A. All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics. J. Vis. Exp. (131), e56861, doi:10.3791/56861 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter