Waiting
Login processing...

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

Engineering

כל-אלקטרונית ננו-נפתרה סריקה מינהור מיקרוסקופיה: הקלת החקירה של דינמיקה תשלום יחיד Dopant

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

נדגים שיטה כל-אלקטרונית להתבונן תשלום ננו-נפתרה הדינמיקה של dopant אטומי סיליקון עם מיקרוסקופ מינהור סריקה.

Abstract

המזעור של התקני מוליכים למחצה כדי קני המידה שבה מספר קטן של dopants יכול לשלוט מאפייני התקן דורש פיתוח טכניקות חדשות מסוגל אפיון הדינמיקה שלהם. חוקרים dopants יחיד מחייב רזולוציה מרחבית תת ננומטר, המפעילה את השימוש מינהור מיקרוסקופ מנהור סורק. עם זאת, קונבנציונאלי STM מוגבל רזולוציה טמפורלית אלפיות השנייה. פותחו מספר שיטות להתגבר על זה חסרון, כולל STM זמן לפתור כל-אלקטרונית, אשר משמש במחקר זה לבחון את הדינמיקה dopant של סיליקון עם רזולוציה ננו. השיטות המובאות כאן נגישים נרחב ולאפשר מקומי מידה של מגוון רחב של דינמיקה את המשקל האטומי. רומן זמן לפתור סריקה שיטה ספקטרוסקופית מנהור הציג ואין להשתמש בו כדי לחפש ביעילות דינמיקה.

Introduction

מיקרוסקופ מנהור סורק הפך הכלי בהננו את יכולתו לפתור אטומי בקנה מידה טופוגרפיה ומבנה אלקטרונית. מגבלה אחת של STM קונבנציונאלי, עם זאת, הוא שלה ברזולוציה הטמפורלית הוא מוגבל ציר הזמן של מילי-שניות בגלל רוחב פס מוגבל של מגבר קדם הנוכחי1. עבר זמן רב מאז מטרה להרחיב רזולוציה טמפורלית של STM הכף שעליו בתהליכים אטומיים להתרחש בדרך כלל. חלוצי לעבוד זמן לפתור סריקה מינהור מיקרוסקופית TR-מאת פרימן. et. al. 1 מנוצל קווי תמסורת microstrip בדוגמת על הדגימה להעברת פולסים מתח בעשירית לצומת המנהרה ובוררים photoconductive. טכניקה זו ללישת צומת שימש כדי להשיג החלטות סימולטני של 1 ננומטר ו 20 ps2, אבל זה אף פעם לא אומצה באופן נרחב עקב הדרישה של שימוש מבנים מיוחדים דגימה. למרבה המזל, התובנה הבסיסית צבר מעבודות אלה ניתן להכליל על טכניקות זמן לפתור רבות; אף-על-פי רוחב הפס של המעגלים של ה-STM מוגבל במספר קילוהרץ, תגובת I(V) שאינו ליניארי ב- STM מאפשר דינמיקה מהירה יותר פתור על ידי מדידת הנוכחי המנהרה הממוצע על מחזורים משאבת-בדיקה רבים. לאחר שנים אלו גישות רבות נחקרו, הפופולרי ביותר אשר נבדקות בקצרה להלן.

STM (SPPX) מנוער-דופק-זוג-מתרגש מנצל החידושים בטכנולוגיות לייזר פעמו מרביים החלטה בעשירית משנה על ידי מאיר ישירות לצומת המנהרה ומעניינים נשאים של מדגם3. אור לייזר האירוע יוצר לחברות חינם transiently לשפר הולכה, ומאפשר אפנון של עיכוב בין המשאבה בדיקה (td) dאני/dtd למדוד עם מגבר הנעילה. בגלל העיכוב בין המשאבה בדיקה הוא מווסת במקום האינטנסיביות של הלייזר, כמו גישות אופטי רבות אחרות, SPPX-STM מונע צילום תאורה-induced הרחבה תרמי של עצה3. הרחבות יותר של גישה זו הרחיבו את צירי הזמן שבו SPPX-STM יכול לשמש כדי לחקור dynamics באמצעות חיטוט הדופק טכניקות כדי להגדיל את הטווח של משאבת-בדיקה עיכוב כפול4. חשוב, זו התפתחות מספק גם את היכולת למדוד עקומות אני(td) ישירות ולא דרך שיטות נומריות. היישומים האחרונים של SPPX-STM כללו את חקר נושא רקומבינציה יחיד-(Mn, Fe)/GaAs(110) מבנים dynamics5 ו התורם GaAs6. יישומים של SPPX-STM להתמודד עם הגבלות מסוימות. האות ש-SPPX-STM מודד תלוי נרגש הפולסים אופטי חינם נשאים, והוא מותאם מוליכים למחצה. בנוסף, למרות מינהור הנוכחי הוא מקומי עד הקצה, כי שטח גדול נרגש הפולסים אופטי, האות היא קונבולוציה של מאפיינים מקומיים, תחבורה גשמי. לבסוף, הטיה בצומת קבוע על ציר הזמן מדידה כך הדינמיקה שנבחנה חייב להיות photoinduced.

טכניקה אופטי עדכני יותר, טרה-הרץ STM (THz-STM), זוגות מקום פנוי THz פולסים התמקדו לצומת לקצה ה-STM. שלא כמו ב SPPX-STM, הפולסים בשילוב מתנהג כמו פולסים מתח מהיר המאפשר חקירת excitations מונחה אלקטרונית עם רזולוציה בעשירית משנה7. מעניין, הזרם לתקן להפיק של הפולסים THz תוצאות בצפיפויות קיצוניות השיא הנוכחי לא נגיש על ידי ה-STM קונבנציונאלי8,9. הטכניקה שימש לאחרונה ללמוד אלקטרונים חם Si(111)-(7x7)9 ואף תמונה את הרטט של מולקולה יחידה pentacene10. פולסים THz הזוג באופן טבעי עד הקצה, עם זאת, הצורך לשלב מקור THz לניסוי STM צפוי להיות מאתגר ניסויים רבים. זה מניע את התפתחות טכניקות אחרות החלים נרחב, implementable בקלות.

בשנת 2010 לנבול בסופו של דבר. et al. 11 פיתח טכניקה כל-אלקטרונית משאבה ואיפה לחקור את המערכת11הננו מתח פולסים מוחל על היסט DC באופן אלקטרוני. המבוא של טכניקה זו מוצעים הפגנה קריטי של יישומים ברורה וחד משמעית ומעשי של STM זמן לפתור כדי למדוד את הפיזיקה בעבר unobserved. למרות שהוא לא מהיר כמו צומת ערבוב STM, אשר שקדם לו, החלת מיקרוגל בפולסים עד הקצה ה-STM היתרי דגימות שרירותי להיחקר. טכניקה זו אינה דורשת כל מסובך מתודולוגיות אופטי או גישה אופטי של הצומת STM. זה הופך את הטכניקה הכי קל להסתגל טמפרטורה נמוכה STMs. ההפגנה הראשונה של טכניקות אלה הוחל במחקר של ספין-דינמיקה איפה STM מקוטב-ספין שימש כדי למדוד את הדינמיקה הרפיה של ספין-הברית נרגש על-ידי פולסים משאבת ה11. עד לאחרונה, היישום שלה מוגבלת נשארו adatom מגנטי מערכות12,13,14 , אבל יש מאז הוארך במחקר של קצב הלכידה המוביל מפרצה אמצע דיסקרטית המדינה15 ולחייב דינמיקה של ארסן יחיד dopants סיליקון15,16. המחקר האחרון הוא המוקד של עבודה זו.

מחקרים על המאפיינים של dopants יחיד בתחום המוליכים למחצה לאחרונה משכו תשומת לב משמעותית בגלל משלימים תחמוצת מתכת מוליכים למחצה (CMOS) התקנים נכנסים למשטר שבו dopants יחיד יכול להשפיע על מאפייני התקן17 . בנוסף, מספר מחקרים הראו כי dopants יחיד יכול לשמש כרכיב מהותי של מכשירים עתידיים, למשל כמו qubits עבור חישוב קוונטי18 וקוונטית זיכרון19ו מאטום בודד טרנזיסטורים20 , 15. העתיד התקני רשאים לשלב גם פגמים אטומי בקנה מידה אחרים, כגון סיליקון משתלשלות בונד (DB) אשר יכול להיות בדוגמת עם דיוק אטומית עם ה-STM ליתוגרפיה21. לשם כך, DBs יש כבר הציע כמו qubits תשלום22, נקודות קוונטיות עבור קוונטית האוטומטים התאיים ארכיטקטורות23,24, ו אטומי חוטים25,26 , יש כבר בדוגמת כדי ליצור קוונטית המילטוניאן לוגיקה שערים27 ו28,מולקולות מלאכותי29. . להתקדם, התקני רשאים לשלב dopants יחיד והן DBs. הסיבה לכך היא אסטרטגיית אטרקטיבי DBs הם פגמים משטח זה יכול בקלות להיות מאופיין עם ה-STM ומשמש נקודת אחיזה לאפיון התקנים dopant יחיד. כדוגמה של אסטרטגיה זו, DBs משמשים בעבודה זו תשלום חיישנים להסיק את הדינמיקה טעינה של dopants ליד משטח. הדינמיקות האלה נלכדים עם השימוש של גישה כל-אלקטרונית TR-STM מותאם מן הטכניקות שפותחו על ידי לנבול בסופו של דבר. et al. 11

המדידות מבוצעות ב- DBs שנבחרו על משטח Si(100)-(2x1) מימן הסתיימה. אזור המחסור dopant הרחבת כ 60 ננומטר מתחת לפני השטח, שנוצרו באמצעות טיפול תרמי של קריסטל30, decouples את DB ואת dopants ליד-פני שנותרו כמה מן הלהקות בצובר. ה-STM מחקרים של DBs מצאו כי מוליכות שלהם תלויה פרמטרים מדגם הכללית, כגון הריכוז של dopants, הטמפרטורה, אבל DBs בודדים גם להראות וריאציות חזקה בהתאם שלהם הסביבה המקומית16. במהלך המדידה STM מעל DB יחיד, הזרם הנוכחי נשלטת על ידי הקצב שבו האלקטרונים יכולים מנהרה מן הנפח DB (Γבצובר) ומן את DB לקצה (Γעצה) (איור 1). עם זאת, כי הולכה של DB רגישה לסביבה המקומית שלה, המדינה תשלום של dopants הסמוך השפעות Γבתפזורת (איור 1B), אשר שניתן להסיק על-ידי ניטור מוליכות של DB. כתוצאה מכך, מוליכות של DB יכול לשמש כדי לחוש את מצבי הטעינה של dopants הסמוך, יכול לשמש כדי לקבוע שיעור שבו הן dopants סיפק אלקטרונים מן הנפח (ΓLH) ואת לאבד אותם לקצה ה-STM (ΓHL < / c13 >). כדי לפתור הדינמיקות האלה, TR-STS מתבצע סביב החשמלי הסף (Vחמישי) שבו הטיפ המניע יינון של dopants ליד משטח. תפקידה של משאבת, בדיקה הפולסים הוא זהה בטכניקות שלושה זמן לפתור ניסיוני המוצג כאן. המשאבה transiently מביא את רמת הסטייה מלמטה מעל Vחמישי, אשר גורם dopant יינון. פעולה זו מגדילה את מוליכות של DB, אשר נדגמים על ידי דופק בדיקה העוקב-דעה קדומה נמוכה יותר.

השיטות המתוארות במאמר זה ייהנו אלה המעוניינים לאפיין את הדינמיקה המתרחשים מהפיצוץ לציר הננו עם ה-STM. טכניקות אלה אינם מוגבלים לומד תשלום dynamics, זה חיוני כי הדינמיקה באים לידי ביטוי דרך ארעי לשינויים מוליכות של מדינות שלא פתור על ידי ה-STM (קרי, הברית על או סמוך לפני השטח). אם מוליכות של הברית ארעי אינו שונה משמעותית ממצב של שיווי משקל, כך ההבדל בין הזרמים ארעי ואיזון מוכפל הדופק מחזור חיים בדיקה הוא קטן יותר מאשר הרצפה רעש מערכות (בדרך כלל 1 הרשות הפלסטינית), האות יאבדו על רעש, לא יהיה ניתן לגילוי על ידי שיטה זו. בגלל השינויים ניסיוני של מערכות ה-STM זמינים מסחרית נדרש לבצע את הטכניקות המתוארות במאמר זה צנוע, הוא צפוי שטכניקות אלו יהיו נגישים נרחב לקהילה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ההגדרה הראשונית של מיקרוסקופ וניסויים

  1. התחילו על קוליים ואקום קריוגני התומך ב- STM ומקושרת תוכנת שליטה. מגניב את ה-STM כדי לטמפרטורות קריוגניות.
    הערה: בכל דו ח זה, אבק על קוליים מתייחס למערכות להשיג < 10 x 10-10 טנדר של גוה של. ה-STM צריך להיות מקורר לטמפרטורות קריוגני; הדבר חשוב במיוחד כאשר חוקרים את הדינמיקה תשלום של dopants, אשר מופעלים תרמית בטמפרטורות צנוע. חללים נוספים עשויים להיות בטמפרטורת החדר.
  2. ודא כי הטיפ STM מצויד עם חיווט בתדירות גבוהה (~ 500 MHz).
    הערה: באמצעות הדופק בעיצוב שיטות, עלייה גדולה זמן התגובה של ה-STM עם חום קריוגני סטנדרטי קואקסיאלי חיווט (~ 20 MHz) דווחה על-ידי לגרוס. et al. 31
  3. חבר של מחולל שרירותי לפחות שני ערוצי לקצה (איור 2), אשר ישמש כדי להכין את מחזורי של מתח דופק זוגות משמש משאבה-בדיקה ניסויים.
  4. להגדיר את הגנרטור פונקציה שרירותיות כך הפולסים מתח משאבת, בדיקה שנוצר באופן עצמאי, לסכם לפני שמאכילים לתוך הקצה.
  5. להחיל את מתח DC הסטייה המשמש ספקטרוסקופיה הדמיה, המקובלת על המדגם (VDC).
  6. לחבר שני מתגים תדר רדיו ערוצי פלט של הגנרטור פונקציה שרירותיות.
  7. להגדיר את מתגי כך העצה מקורקעת במהלך ה-STM הדמיה, המקובלת ספקטרוסקופיה, הטיה יעיל הוא VDC + Vעצה במהלך הניסויים משאבת-בדיקה (איור 4A).
  8. לאסוף את מינהור הנוכחי עבור כל המדידות דרך מגבר קדם מחובר המדגם.

2. הכנה של השחזור H-Si(100)-(2x1)

  1. קליב מדגם של 3-4 mΩ·cm ארסן מסוג n מסטול Si(100) רקיק ידי גירוד בגב כשהפחד עם גם סיליקון קרביד בעדינות מצלם את הדגימה את כשהפחד עם שקופיות מיקרוסקופ זכוכית.
  2. מוספית לדוגמה כדי בעל מדגם STM, להציג אותו תא ואקום על קוליים הסמוך לתא ה-STM.
  3. דגה המדגם על-ידי resistively חימום זה עד 600 מעלות צלזיוס (pyrometer ניתן להשתמש כדי לפקח על הטמפרטורה של המדגם) ממושכת זה בטמפרטורה הזו במשך לפחות 6-אייץ ' בואקום על קוליים.
    הערה: הלחץ בתחילה יקומו בעל מדגם ולדגום דגה, אך אמור לייצב ליד הלחץ הבסיסי (< 10-10 טנדר של גוה של) לאחר מספר שעות.
  4. לאפשר את הדגימה כדי להתקרר לטמפרטורת החדר לפני שתמשיך.
  5. דגה נימה טונגסטן בבית הבליעה אותה כמו הדגימה על ידי חימום נימה עד 1800 ° C resistively ומחכה מערכת לשחזר ללחץ הבסיס. כבה את הסיב לפני שתמשיך.
    הערה: המדגם יכולים להישאר בתא במהלך שלב זה בגלל זה היא passivated על-ידי השכבה תחמוצת מקורית על פני השטח שלו, כל זיהום של המשטח מדגם גרם מהשלב הזה יוסר לאחר מכן. הטמפרטורה של הלהט יצטרך להיות מכויל כדי ספציפי זרם/מתח חלה על חוט הלהט באמצעות pyrometer.
  6. להסיר את תחמוצת מהמשטח לדוגמה על-ידי הדגימה עד 900 ° C ועריכת החזקתה בטמפרטורה הזו עבור 10 s לפני קירור אותו לטמפרטורת החדר. הלחץ יגדל במספר סדרי גודל של הלחץ הבסיס במהלך הליך מהבהבים. לאחר כל אחד של ההבזקים בכל הליך זה, חכו המדגם להתקרר לטמפרטורת החדר ומערכת לשחזר ללחץ הבסיס לפני שתמשיך.
    הערה: מהבהב מוגדר בתוך דוח זה כמו חימום וקירור המדגם במחירים הרמפה גבוהה, גודל 100 ° C/s.
  7. בהדרגה פלאש המדגם שהטמפרטורות תוך ניסיון להגיע הבזק הסופי של 1250 מעלות צלזיוס. בטל כל פלאש שבו הלחץ עולה מעל 9 x 10-10 טנדר של גוה של כדי למנוע את השטח מדגם מקבל נגוע. להקליט את הזרם/המתח כדי להשיג את 1250 ° C פלאש (האור ניתנה הנחה על ידי חוט הלהט מחומם בשלב 2.6 תמנע pyrometer נותן קריאת מדויקים לטמפרטורה של המדגם, ובכך setpoint הזה אמור לשמש). על הפלאש הסופי, לקבוע את הזרם/המתח הדרוש כדי לחמם את הדגימה עד 330 ° C כמו הקריסטל הוא מקורר ולאחר מכן תן את הדגימה להתקרר לטמפרטורת החדר, ולתת את המערכת לשחזר ללחץ הבסיס לפני שתמשיך.
  8. דליפות גז2 H לתוך החדר, בלחץ של 1 x 10-6 טנדר של גוה של וחום נימה טונגסטן כדי 1800 ° C.
    הערה: לזה האפקט של פיצוח ה H2 מימן atmoic32.
  9. להחזיק את הדגימה בתנאים אלו למשך 2 דקות לפני מהבהבים המדגם 1250 מעלות, מחזיק אותו בטמפרטורה הזו עבור 5 s וקירור זה עד 330 ° C.
  10. לאחר 1 דקות של חשיפה ב 330 ° C, בו זמנית סגור את השסתום הדליפה2 H, כבה נימה טונגסטן, ומצננים את הדגימה לטמפרטורת החדר.
    הערה: טמפרטורות גבוהות אלו פלאש משפיע על חלוקת dopants במדגם. חימום עד 1250 מעלות צלזיוס נמצאה לזירוז אזור המחסור ~ 60 dopant ננומטר ליד משטח הדגימה30.
  11. לאמת האיכות של המדגם על ידי לקיחת ה-STM תמונות של פני השטח.
    הערה: דגימות טוב יהיה גדול (> 30 nm x 30 ננומטר) מרפסות עם קצב פגם של < 1% (משתלשלות חוב, מולקולות הספוחה, adatoms, וכו ') יהיה להדגים את קלאסי Si(100)-(2x1) שחזור32, אשר כולל שורות דימר שלרוחב antiparallel אחד לשני הקצוות שלב (איור 3B).

3. הערכת האיכות של הפולסים משאבת-בדיקה בצומת המנהרה

  1. הגישה בקצה ה-STM השטח מדגם ומרבה הבקר משוב הנוכחי של setpoint הנוכחית של הרשות הפלסטינית 50 ודעה קדומה דגימה של ה-אוקראינים -1.8 V.
    הערה: בתנאים אלה, הטיפ מוערך < 1 ננומטר מהמשטח הדגימה. הקצה ה-STM המשמש בעבודה זו הופק על ידי כימית תצריב polycrystalline טונגסטן. זה היה חידד עוד יותר באמצעות חנקן תצריב בהליך, אשר מתוארת היטב ב. Rezeq et al. 33.
  2. חפשו אזור על פני מדגם נטול פגמים משטח גדול על ידי לקיחת סריקות שטח גדול (לדוגמה, 50 ננומטר x 50 ננומטר).
  3. המיקום ה-STM עצה מעל H-סי על פני השטח, אשר מופיעים כשורות דיימר בתמונות STM (איור 3B).
  4. לבטל את הבקר משוב הנוכחי
  5. הגדר את רוחב הפולסים משאבת, בדיקה ל-200 Vבדיקה ל- 0.5 V, Vמשאבה ל- 0.5 V, VDC ל--1.0 V ns, ואת הזמן עלייה/סתיו הפולסים כדי 2.5 ns (איור 4A).
  6. לשלוח סדרה של רכבות של פולסים משאבת, בדיקה לאן נסחפת העיכוב היחסי של המשאבה, בדיקה מ-900 ns ל 900 ns.
  7. להתוות את מינהור הנוכחי כפונקציה של העיכוב בין המשאבה בדיקה. זה סביר תדגים חזקה מצלצל (תנודות ב מינהור הנוכחי כפונקציה של ההשהיה היחסי בין הפולסים משאבת, בדיקה, איור 4B).
    הערה: התוכנה פיתון ולמקור שימשו כדי להתוות, לנתח, להעריך את הנתונים שנאספו עבור כתב יד זה.
  8. חזור על שלבים 3.1 – 3.5, אבל להגדיל את הזמנים עלייה/סתיו הפולסים. צלצול יקטן כפי הפעמים עלייה/סתיו הוגדלה.
    הערה: זה יש רצוי לסלק לצלצל כדי לספק את התוצאות המדויקות ביותר ספקטרוסקופיות, עם זאת, הזמן-הרזולוציה של טכניקות אלה מוגבלת רוחב הפולסים בשימוש. 25 פעמים עלייה ns שימשו לעבודה זו.

4. זמן לפתור סורק ספקטרוסקופיה (TR-STS)

  1. המיקום ה-STM עצה מעל סיליקון DB, אשר מופיעות בליטות בהיר-טיפ-sample שלילי הטיות (איור 3B).
  2. כבה את בקר ה-STM הנוכחי משוב.
  3. שלח שרכבת המורכבת רק דופק בדיקה עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. על סדרה של הדופק רכבות, לטאטא משוא הפנים של הדופק בדיקה על טווח של 500 mV מ- DC משוא הפנים של ה אוקראינים -1.8 V.
    הערה: ניסוי פשוט זה הוא אנלוגי לאופרטור STS קונבנציונלי שבו מוליכות נדגמים על טווח של הטיות.
    1. להגדיר את משך הזמן של הרכבות הדופק (כל אחד עם דעה קדומה שונים) כגון הספקטרום המתקבל יש אות יחס הרעש > 10.
  4. שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כך VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC Vמשאבות, Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V, 500 mV ו--2.0 V, בהתאמה.
    הערה: משאבות פולסים יכול יש המשכים ארוכים באופן שרירותי (1 µs מספיקה בדרך כלל).
  5. שלח רכבת המורכבת הפולסים משאבה עם הפולסים בדיקה ולאחריה עיכוב של 10 ns. בניסויים אלה, הגדר את משרעת של הדופק משאבה 500 mV של מחוג דופק בדיקה מ-50 500 mV.
    הערה: בניסוי זה, דופק בדיקה היא דגימה המדינה שהוכנו על ידי משאבת הדופק, יותר מאשר מצב שיווי משקל שנדגמו ב- STS קונבנציונלי.
    1. להחסיר את האות המתקבל כאשר רק משאבה הדופק היה מוחל בעת הצגת/הערכת האות שנאסף שלב זה.
  6. להשוות את המכשיר רק למשאבה + בדיקה אותות על ידי התוויית אותם באותו תרשים. כל היסטרזיס בין שני אותות הוא אינדיקציה אשר פתור עם טכניקות ה-STM זמן לפתור.
    הערה: על ידי שמירה על טווח הדופק בדיקה קבועה וסריקת גס ה-DC אחד היסט (בשלבים 0.25 V, למשל), ניתן ביעילות למפות את הטווח כולו אנרגיה לדוגמה כדי לזהות dynamics להנגיש הטכניקה. משכים הדופק ניתן לשנות בהתאם הניסוי. רוחב הדופק המשאבה צריכה להיות יותר מאשר הקצב שבו dopant זה מיונן, כזה כי זה בעקביות ionizes את dopant. באופן כללי, משכי זמן בדיקה צריך להיות של אותו סדר כמו תהליך דינמיות שנבחנה, כזה כי ניתן למדוד את האות המרבי ללא דגימה ממוצע של המדינות שתי מוליכות. כאשר מחפשים אנרגיות אילו דיינמיקס קיימים, מומלץ כי המשכים של המכשיר הן מזעריות כך המצב היחיד של המערכת נמדדת לשיפור היסטרזיס. כפי נמצאו הקבועים בזמן רגיעה, ניתן להגדיל את משך דופק בדיקה כדי לשפר את האות לרעש יחס.

5. זמן לפתור STM מדידות של הרפיה דינמיקה

  1. מקמו את הטיפ STM סיליקון DB וכבה את בקר ה-STM הנוכחי משוב.
  2. שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כך VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC Vמשאבות, Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V, 400 mV ו--2.0 V, בהתאמה.
    הערה: משאבות פולסים יכול יש המשכים ארוכים באופן שרירותי (1 µs מספיקה בדרך כלל).
  3. שלח רכבת של פולסים משאבת, בדיקה. להבטיח הפולסים בדיקה יש של משרעת קטן יותר המשאבות מתרחשת להשוות הטווח ב אילו היסטרזיס (Vבדיקה < Vמשאבות, Vבדיקה + VDC≈ Vhystersis).
  4. לטאטא ההשהיה בין הדופק משאבת, בדיקה עד כמה עשרות µs.
  5. להחסיר את האות המתקבל כאשר רק משאבה הדופק היה מוחל. בניסויים אלה, הגדר את VDC, Vמשאבהו Vגשושית ה אוקראינים -1.8 V, 400 mV ו- 210 mV, בהתאמה. הגדר לטאטא את עיכוב יחסיות מ-5 μs 35 μs.
    הערה: אם האות המתקבל הצעד הקודם הוא בכושר טוב (R2 > 0.80) על-ידי פונקציה אחת דעיכה מעריכית, ואז החיים של המדינה ארעי שהוכנו על ידי משאבת הדופק יכול להיות מופק התאם.

6. זמן לפתור STM מדידות של עירור דינמיקה

  1. שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כזה גדול מ- VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC ו- Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V ו--2.0 V, בהתאמה. הגדר Vמשאבה בין 220 ו- 450 mV.
  2. לטאטא את משך הדופק משאבה של ננו שניות מספר כדי ננו שניות מספר מאות.
  3. שלח רכבת של פולסים משאבת, בדיקה. הפולסים בדיקה צריך של משרעת קטן יותר המשאבות ומתרחשת להשוות הטווח ב אילו היסטרזיס (Vבדיקה < Vמשאבות, Vבדיקה + VDC≈V hystersis). בניסויים אלה, הגדר Vבדיקה 210 mV.
  4. להחסיר את האות המתקבל כאשר הוחל רק דופק בדיקה.
    הערה: האות מתקבל הוא אקספוננציאלי, מציין כי הדופק משאבת נערכת המדינה ארעי (dopant מיונן) בקצב זה יכול להיות מופק התאם (R2> 0.80). פרוטוקול המתואר לעיל הוא ספציפי הניסויים וציוד כפי שיתואר בהמשך. ישנם רבים אפיקים פוטנציאל עבור הקוראים להתאים אישית משלהם הגדרת הניסוי ללימודים של מערכות אחרות. לדוגמה, טכניקות כללי אינם מוגבלים cryogenically מקורר STMs; ניתן להשתמש בחומר של עצה, הם אינם דורשים איכול חנקן. יתר על כן, גנרטור פונקציה שרירותיות מתוכנת כראוי יכול לשמש ליצירת ואת הדופק-כפולה, אשר לשלול את הצורך לסכם בשני ערוצים עצמאיים. לבסוף, כבלים רוחב פס נמוך יכול להיות בשימוש31.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

התוצאות שהוצגו בסעיף זה של הטקסט כבר שפורסמו בעבר15,16. איור 3 מדגימה את אופן הפעולה של דוגמה שנבחרו DB עם ה-STM קונבנציונלי. מידה I(V) קונבנציונלי (איור 3 א) מתאר בבירור שינוי חד מוליכות ב Vחמישי DB =-2.0 V. התנהגות זו נצפית גם ב- STM תמונות שצולמו-2.1 V (איור 3B, פאנל שמאלי),-2.0 V (לוח באמצע) ו ה אוקראינים -1.8 V (לוח נכון), איפה DB יש את המראה של בליטה בהיר, בליטה מנומר ודיכאון כהה, בהתאמה. מעבר זה גם יכול להיות שנצפו על ידי הסתכלות מינהור הנוכחי שנאסף עם קצה הממוקמים ישירות על במסד הנתונים עם z-הבקר כבוי, הטיה להגדיר Vחמישי, שתוצאתה שני ברמת הטלגרף רעש (איור 3 ג). ויותר חשוב, במדידות האלה, קצה STM הונחה ישירות מעל DB. בסידור זה, התנודות של המדינה תשלום של DB מתרחשת על צירי הזמן מתחת e / אניT = 2ns, וזה הרבה יותר מהר מאשר המעבר שנצפו. ככזה, נצפתה התנהגות מיוחס הדינמיקות טעינה של dopants הסמוך אשר משפיע על מוליכות של DB. חשוב לציין כי מכיוון מורחב-פונקציית הגל של DB באמצע פער האנרגיה קובע חוק כגשר לערוך אלקטרונים מן הלהקה הולכה בצובר לקצה, נצפתה התנהגות בולטת רק הקצה ממוקם ישירות מעל DBs. כמו הטיה הוגדל, התדירות של הרעש הטלגרף גם גדל, כך--2.02 V, ההתנהגות מיתוג כבר לא ניתן לפענחם ישירות על ידי מגבר קדם של ה-STM. זה מונע את השימוש זמן לפתור סריקה מינהור מיקרוסקופית TR- ולא זמן לפתור סריקה ספקטרוסקופית מנהור (TR-STS).

איור 4 מדגימה שיטה שבה ניתן להשתמש כדי להעריך את האיכות של הפולסים מועברים לצומת. מצלצל הוא ציין כאשר עלייה מהירה פעמים משמשים הפולסים משאבת, בדיקה בגלל ההתאמה עכבה בין המעגלים STM, צומת המנהרות. מתאם בין הפולסים משאבת, בדיקה יכול להיווצר על ידי גורף העיכוב היחסי של הדופק בדיקה באמצעות אפס-עיכוב. עלייה חזקה מינהור הנוכחי מתרחש כאשר הפולסים משאבת, בדיקה חופפים עקב ההתנהגות שאינו ליניארי האופיינית של מדידות I(V). צלצולים מתבטאת דרך קטן משרעת תנודות ב מינהור הנוכחי משני הצדדים של המקור. על ידי הגדלת את זמני עליית בלוח הפולסים מ 2.5 ns ל 25 ns, נצפית של הדיכוי של הצלצול. ההיסט היחסי של האותות שנוצר עם בכל עליית הדופק היא תוצאה של העובדה כי רוחב הדופק נמדד כדי לכלול את הזמנים עלייתו של הפולסים. לכן, פולסים עם ns עלייה פי 2.5 יש אזור משולב רחב יותר, ולכן גדול משולב הנוכחי, לעומת פולסים עם 25 פעמים עלייה ns. זה מדגיש את השוואה כמותית של TR-STM מדידות רק לבצע בעת טיימס עלייתו של הפולסים בשימוש שווים.

איור 5 מדגים TR-STS. מדידות אלה, דופק משאבת מביא transiently את המערכת מעל Vחמישי, ואני מיד לאחר דופק בדיקה חוקר את מוליכות של המדינה ארעית. אפשרות למפות את מוליכות של המדינה ארעי על-ידי חיסור האות רכשה עם בדיקה רק מתוך האות שהושג עם משאבה + רגש. כאשר האותות היחידים משאבת + בדיקה, בדיקה מושווים ישירות, כל היסטרזיס הוא מרמז על תהליכים דינאמיים פתור מאת TR-STS. על-ידי שינוי הערך של קבוע DC היסט הטיה, הדינמיקה של המערכת יכול שנבדק על-ידי TR-STS ניתן ביעילות לזהות.

ב- TR-STS, חשוב לשקול את משך הזמן של הפולסים משאבת, בדיקה. הדופק המשאבה צריכה להיות ארוכה דיה כדי לגרום למצב יציב של המערכת (קרי, לנפח את זה למצב מוליכות גבוהה). אם משך דופק בדיקה ארוכה, עם זאת, ואז בדיקה נמוכה amplitudes, מוליכות של DB יכולים להירגע במהלך המדידה. במקרה זה, דופק בדיקה לטעום שתי המדינות מוליכות גבוהות ונמוכות של במסד הנתונים, להפחית הניראות של היסטרזיס. לכן, כדי להגדיל את הנראות של היסטרזיס, משך דופק בדיקה צריך להיות קצר יותר מאשר הקצב הרפיה של המדינה מוליכות גבוהה.

איור 6 מדגים זמן לפתור מדידות של דינמיקה הרפיה ו עירור dopant. כמו TR-STS, המדגם מוגדר דעה קדומה קבוע DC היסט מתחת Vחמישי, ולהביא פולסים משאבת transiently המערכת מעל Vחמישי. הרפיה dynamics היו שנבדק על-ידי גורף העיכוב היחסי של הפולסים בדיקה (איור 6A). מתאים מגרש של המכשיר הנוכחי כפונקציה של העיכוב היחסי (איור 6B) עם דעיכה מעריכית יחיד מותר ΓHL לחלץ. חשוב לציין כי בקצב הזה לא נצפתה על מחזור יחיד, אלא ΓHL היא להסיק מן הזרם מינהור זמן ממוצע אשר מורכבת אירועים רבים. זה מקביל ספקטרוסקופיה אופטי, איפה החיים של מדינה נרגש יכול להיקבע מן המידות יחיד של אנסמבל, חוץ מזה במקרה זה החיים של dopant יחיד ניתן לאפיין דרך הרכב של מדידות בגלל זה פתור ישירות על-ידי קצה ה-STM. חשוב לציין כי המכשיר הנוכחי שנצפתה איור 6B לא ריקבון לאפס, אלא של היסט קבוע. זה בגלל דופק משאבת מרגש הדינמיקה (ציין כמו רעש הטלגרף אלפית שנייה-סולם איור 3C) זה לא ריקבון בתוך מסגרת הזמן המדידה. אפשרות זו מציינת מוליכות של DB שנבחנה יש פיקוח על ידי שני dopants עם קבועים בזמן רגיעה ברורים. איור 6C מדגים ניסוי שליטה בו משרעת של המשאבה מגוונת של-0.25 V כדי-0.6 V. שינוי משך חיי המדינה מיונן, כפונקציה של משרעת המשאבה, מצביע על כי תהליכים דינמיות נוספים קיימים קרוב אנרגיה Vחמישי. מכיוון ΓHL מתמיד מעבר-2.05 V, הוא הוא סיכם כי רק תשלום ב dopants מזוהה שני הם gating את מוליכות של במסד הנתונים.

עירור dynamics היו שנבדק על ידי גורף רוחב הדופק משאבה (איור 6D). Γ LH היה שחולצו מן מתאים מעריכית של הזרם זמן ממוצע כפונקציה של משאבת רוחב (איור 6E). כאשר הטיה שאוב לא תחרוג Vחמישי, יש ללא תלות שנצפה בין הרוחב משאבת ומינהור את הנוכחי. כי dopants להישאר נייטרלי. הטיה שאוב חורג Vחמישי, אלקטרון יכול לחפור. מנהרה דרך dopant לקצה עוזב את dopant מיונן. מאת גורף את הרוחב של המשאבה, הקצב הממוצע בו dopant הוא מיונן ממופה. איור 6F חוקר את התלות של ΓLH כפונקציה של משרעת של המשאבה. אם DB הוא פיקוח על-ידי dopant יחיד, ΓLH יש לצפות לשינוי גודל אקספוננציאלית עם משרעת המשאבה על פני כל הטווח הסטייה ה-16. זה צפוי כי קצב יינון של dopant תלוי באופן אקספוננציאלי על כוחו של השדה החשמלי המקומי, אשר מאזני עם הטיה חלה על הטיפ. DB1, המהווה DB למדתי במספרים קודם כל, מדגים התלות המעריכית בין-2.1 V-2.25 V ו צעד--2.05 V. שלב זה הוא הוכחה נוספת כי DB1 יש פיקוח על ידי שני dopants הסמוך. התלות מעריכי נצפתה עבור DB2 על פני הטווח-1.3 V כדי-1.6 V, המציין כי dopant יחיד פיקוח זה. DB2 לא מוצג כל הדינמיקה מעבר ציר הזמן מילי-שניות, לכן לא נבדק עם טכניקות אחרות זמן לפתור.

Figure 1
איור 1: סכימטי של המערכת של המחקר ודיאגרמה האנרגיה המשויכת שלו. (א) הנוכחי שנדגמו. על ידי ה-STM הממוקמים ישירות על סיליקון ש-DB מורכב ברובו של אלקטרונים עובר מן הנפח כדי במסד הנתונים ומן את DB לקצה, עם המחירים Γבתפזורת וγעצה, בהתאמה. ארסן dopants, המיוצגים על ידי כדורים ירוקים, יש גם מילוי (ΓHL) וריקון המחירים (ΓLH) זה יכול להיות נחקר על ידי מדידות ה-STM זמן לפתור. (B) בקצה פס הולכה בנוכחות dopant מיונן (עיקול ירוק) מורד יחסית כאשר dopant הוא נייטרלי (עיקול שחור), אשר התוצאות מוליכות מוגברת. הדיאגרמה אנרגיה היה שחושב עבור דעה קדומה מדגם של-2.0 V. השטח בצבע הכחול מייצג את הברית מלא. איור זה נלקח באישור Rashidi. et al. 16 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: השינויים הנדרשים נעשה של STM מסחרי כזה ניתן לבצע בשיטות המתוארות בעבודה זו TR-STM. דעה קדומה נגדי DC מוחל על המדגם, במהלך ה-STM הדמיה, המקובלת ספקטרוסקופיה בקצה ה-STM. היא מקורקעת. כאשר נעשה שימוש עבור מדידות זמן לפתור, האותות שנוצרו על-ידי מחולל שרירותי עם שני ערוצים עצמאיים מסוכם והאכיל עד הקצה של ה-STM, אשר חייב להיות מצויד הכבלים בתדירות גבוהה. שני מתגים גלי רדיו משמשים כדי לשלוט הרכבות דופק. מינהור הנוכחי נמדד על הצד הדגימה. איור זה נלקח באישור Rashidi. et al. 16 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: ההתנהגות ספקטרוסקופיות של DB שנבחרו עם ה-STM קונבנציונאלי. (א) מדידה I(V) מעל במסד הנתונים שנאספו בגובה קבוע. תמונות (B) STM זרם קבוע של DB מעבר (-2.1 V, שמאלה), ב (-2.0 V, התיכון), ומתחת (ה אוקראינים -1.8 V, ימין) מתח הסף. דימר שורות של השחזור H-Si(100)-(2x1) מופיעים מקבילים. (ג) באמצעות המשוב הנוכחי בקר של ה-STM את עקבות הזמן הנוכחי רכשה במהלך DB-מתח הסף (-2.01 V) מציגה שתי המדינות הטלגרף רעש בציר אלפיות השנייה. איור זה נלקח באישור. Rashidi et. al. 16 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: קרוס-מתאם הפולסים משאבת, בדיקה בצומת המנהרה. תיאור סכמטי של הרצפים קרוס-המתאם הדופק (A). דעה סטטי DC היסט קדומה (בר ירוק) מוחל על המדגם. ההשהיה היחסי בין הפולסים משאבה (ברים אדומה) וקטניות בדיקה (סרגל כחול) הוא נסחף דרך עיכוב אפס. כל זוג של פולסים משאבת, בדיקה מייצג רכבת של פולסים שלח אל קצה. (B) העצה ממוקם על H-סי, רכבת של משאבת-בדיקה זוגות מועבר לצומת המנהרה. העיכוב היחסי של המכשיר נמדד מהקצה נגרר של המשאבה בחוד החנית של המכשיר, טואטא מ-900 ns ל 900 ns. קיזוז DC סטטי של-1.0 V הוחל על המדגם. משאבת, בדיקה amplitudes הוגדרו-0.50 V עם 200 ns רוחב. בפעם עלייתה/סתיו הפולסים הוגדר ל 25 ns (שחור), 10 ns (אדום), ו 2.5 ns (כחול). המכשיר הנוכחי היה כפול במקדם של עשרים להביא בחשבון 5% מחזור המועסקים במדידה, עם זאת, לא נעשה ניסיון לתיקון על העובדה כי האזורים משולבת של כל הרכבת הדופק חלוקים. שיבוץ: תצלום מוגדל של צלצול בין 0 ו- 900 ns היחסי עיכוב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: זמן לפתור סורק I(V) ספקטרוסקופיה (TR-STS). תיאור סכמטי של הרצפים הדופק TR-STS (A). דעה סטטי DC היסט קדומה (בר ירוק) מוחל על המדגם. משאבות פולסים (ברים אדומה) להקדים בדיקה פולסים (סרגל כחול). כל זוג של פולסים משאבת, בדיקה מייצג רכבת של פולסים שלח אל קצה. (B) TR-STS מדידה עם 1 µs רוחב משאבת, בדיקה פולסים. היסטרזיס בין העקומות ללא המשאבה (משולשים אדומים), עם המשאבה (עיגולים כחולים) חופף את טווח הסטייה איפה המערכת bistable. הטיה DC מוגדר-1.80 V, הטיה משאבת-0.50 V, הטיה בדיקה נסחף בין 500 ל-50 mV. הפולסים קמו ונפלו פעמים של 25 ns, העיכוב היחסי בין את trailing edge של המשאבה בחוד החנית של הדופק בדיקה הוא 10 ns ואת קצב כסיגנל הוא 25 קילו-הרץ. איור זה נלקח באישור. Rashidi et. al. 16 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: זמן לפתור מדידות של דינמיקה עירור ומרגוע dopant. (A,D) . השרטוטים של הרצף דופק דעה סטטי DC היסט קדומה (בר ירוק) מוחל על המדגם. משאבות פולסים (ברים אדומה) להקדים בדיקה פולסים (סרגל כחול). כל זוג של פולסים משאבת, בדיקה מייצג רכבת של פולסים שלח אל קצה. (B) מדידה של ΓHL נעשית על ידי גורף העיכוב היחסי של פולסים משאבת, בדיקה. הפולסים משאבת, בדיקה יש רוחב 1 µs. קיזוז DC של-1.80 V מוחל על המדגם; הפולסים משאבת, בדיקה יש amplitudes של-0.4,-0.21 V, בהתאמה. הקו המלא הוא התאמה של הנתונים עם פונקציה מעריכית יחיד. (ג) מדידות של ΓHL -משאבת שונה amplitudes. קווי שגיאה מייצגים את השגיאות תקן ביחס מעריכי. (E) מדידה של ΓLH נעשית על ידי גורף את משך הזמן של המשאבה. קיזוז DC של-1.80 V מוחל על המדגם ויש הפולסים בדיקה של משרעת של-0.21 נ' Vחמישי במסד הנתונים שנבחר הוא-2.05 V. הקו המלא הוא התאמה של הנתונים עם פונקציה מעריכית יחיד. מדידות (F) של ΓLH -משאבת שונים amplitudes לשניים שנבחרו DBs. DB1 (משולשים אדומים) הוא במסד הנתונים המשמש עבור כל המדידות אחרים בטקסט. DB2 DB שנבחר שונה, מתואר באופן מלא ב-. Rashidi et al. 16 קווים מלאים הם מתאים של הנתונים עם פונקציה מעריכית יחיד. איור זה נלקח באישור Rashidi. et al. 16 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הווריאציה של TR-STS שבו אינו מוחל על הדופק משאבת משולה STS קונבנציונאלי, חוץ מזה להיות נדגמים המערכת בתדירות גבוהה יותר מאשר ללא הרף. אם משך הזמן של הפולסים בדיקה מתאימים (>ΓLH), ה-TR-STS אות רכשה ללא יכול להכפיל את הדופק משאבת קבוע פרופורציונליים למחזור חיים של הניסוי חופפים בדיוק STS קונבנציונלי מדידה. זה אפשרי רק כי המדידות נעשות ללא שימוש הנעילה מגבר, אשר אחרת להחליש את החלק לא ידוע של האות עקב נמוך לעבור את הסינון משמש. זה הבדל משמעותי בין השיטות מועסק על ידי לנבול בסופו של דבר. et al. 11 , אלה הציג בעבודה זו. השימוש של מגבר הנעילה יכול לשמש כדי להגדיל את הרגישות. של המדידות, אבל מונע את ההשוואה הישירה של TR-STS עם מדידות STS קונבנציונלי. המערכות שבו נדרשת רגישות זו, הוא צפוי כי שתי השיטות יכול לשמש בהופעה, עם המגבר הנעילה כבויים כאלה ניסויים באפשרותך לחפש ביעילות dynamics, והוסיף המגבר הנעילה מופעל עבור רגישות במהלך האפיון של דינמיקה עירור ורגיעה.

החיסרון העיקרי של טכניקות אלה הוא כי רזולוציה טמפורלית שלהם מוגבלת כעת מספר ננו שניות. זה במספר סדרי גודל איטי יותר מאשר מה ניתן להשיג באמצעות טכניקות ערבוב צומת או אופטי. זוהי תוצאה של האות מצלצל, אשר מתרחשת כאשר מתח פולסים עם ננו תת עלייה פעמים משמשים, בשל ההתאמה עכבה בין המעגל STM, צומת המנהרות31. אכן, שיטות כל-אלקטרונית השיגו רזולוציה זמן בסדר כמו 120 ps34 אבל שלא נוצלו כבר לחקור dynamics ברזולוציה זו. STM מעוצב בצורה אופטימלית יש מעגל ה-STM עכבה-מתאימים עד לצומת המנהרה, אשר יהיה לגמרי תואמים עכבה. זה לחסל את העיוות פיזור של הדופק, לשקף את הכוח מיקרוגל, במקום להעביר אותו על פני הצומת. אסטרטגיה אפשרית כדי לחסל את צלצול וכתוצאה מכך יהיה להוסיף פיזור נוסף המעגל STM כך לידי ביטוי פולסים attenuated ביעילות.

בעבודה זו, הגישה הפשוטה ביותר נלקח, קרי, לא הוכנס שינוי פנימי STM מסחריות בוצע. טכניקה קרוס-המתאם שימש לאפיין את הצלצול, אשר היה אז ממוזער על-ידי הרחבת בפשטות את הזמנים עלייתו של הפולסים. משום בפעם עלייתה של הפולסים מגביל את הרזולוציה זמן, אסטרטגיה זו לא ניתן להשתמש כדי לאפיין תהליכים דינאמיים המתרחשים צירי זמן-הגבולות של טכניקות אלה (מספר ns). במצבים אלה, צלצול ניתן באופן פעיל לדכא באמצעות שימוש בטכניקות שפותחו על ידי לגרוס. et al. 31 , אשר כרוכות בעיצוב הפולסים להביא בחשבון פונקציית ההעברה של הגנרטור פונקציה שרירותיות, צומת המנהרות.

הגישה כל-אלקטרונית TR-STM יתרונות רבים לעומת גישות בולטות אחרות TR-STM. ראשית, בהשוואה ללישת צומת ה-STM, גישה זו אינה דורשת כל מבנה מדגם מיוחדים. דוגמיות זה ניתן לסרוק עם ה-STM קונבנציונאלי צריך להיות נוטה טכניקות אלה. יתר על כן, הגישה כל-אלקטרונית אינו דורש שינויים משמעותיים של STM או השימוש של אופטיקה מרביים. ואכן, השינויים שביצעת המעגלים STM נדרש לבצע טכניקות אלה הם מאוד צנוע, STMs מסחרי עם הכבלים בתדירות גבוהה הינם זמינים. בנוסף, הדינמיקה שנבדק עם הגישה כל-אלקטרונית הם מקומי גרידא, כמו הפולסים מסופקים ישירות לקצה ה-STM. זה מנוגד SPPX-STM, איפה פעימות לייזר האירוע יכול רק להיות ממוקד כדי מספר מיקרונים מרובע. לבסוף, השיטה כל-אלקטרונית מאפשרת את היכולת לטפל במדויק את הטיות של המשאבה ואת המכשיר, המאפשר השוואה ישירה ל STM מידות סטנדרטיות. זה מקום מרכזי מספר אחת מהטכניקות שתוארו במאמר זה, אמנם זה עשוי להיות אפשרי ליישם רצפים הדופק דומה גישות אופטי TR-STM, קשה השפעול.

טכניקות ניסיוני המוצג כאן אמצעי תשלום dynamics עם רזולוציה מרחבית אטומי, הננו רזולוציה טמפורלית. יש שפע של פיזיקה חדשה שילמדו עם גישה מאוד נגיש זו. לדוגמה, הדינמיקה של אטומים בודדים הם מרתק וחשוב מבחינה טכנולוגית. דינמיקה מאטום בודד נחקרו בעבר בתחומי ה-STM קונבנציונאלי, אך טכניקה זו פותח את הדלת עבור חוקרים דומה תהליכים יותר משש נוספים סדרי גודל (מתוך אלפית שנייה כדי ננו שנייה). ראוי לציין, זה מגשרת על הפער מן האירועים איטי בדרך כלל שנצפו ב- STM, התהליכים הבסיסיים העומדים בבסיס אותם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי יש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

Acknowledgments

ברצוננו להודות מרטין Cloutier, מארק Salomons. מומחיות טכנית שלהם. אנו מודים גם NRC, NSERC ו- AITF עבור תמיכה כספית.

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

הנדסה גיליון 131 כל-אלקטרונית זמן לפתור סריקה מינהור מיקרוסקופ זמן לפתור סריקה ספקטרוסקופית מנהור dopant dynamics חוב משתלשלות סיליקון משאבת כל-אלקטרונית-בדיקה ספקטרוסקופיה דינמיקה תשלום מאטום בודד
כל-אלקטרונית ננו-נפתרה סריקה מינהור מיקרוסקופיה: הקלת החקירה של דינמיקה תשלום יחיד Dopant
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