Waiting
Login processing...

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

Engineering

Entièrement électronique résolue en nanosecondes Tunneling microscope à balayage : Faciliter l’Investigation de la dynamique de Charge unique de 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

Nous démontrons une méthode entièrement électronique afin d’observer la dynamique de l’accusation résolue en nanosecondes d’atomes de dopant dans le silicium avec un microscope à effet tunnel.

Abstract

La miniaturisation des dispositifs à semi-conducteurs pour échelles où un petit nombre de dopants peut contrôler les propriétés du périphérique exige le développement de nouvelles techniques capables de caractériser leur dynamique. Enquêter sur des dopants unique nécessite résolution spatiale sous nanomètre, qui motive l’utilisation de la microscopie à effet tunnel (STM). Cependant, STM conventionnelle est limitée à la résolution temporelle de milliseconde. Plusieurs méthodes ont été développées pour pallier cet inconvénient, y compris tout électronique STM résolution temporelle, qui est utilisée dans cette étude pour examiner la dynamique de dopant dans le silicium avec résolution de nanosecondes. Les méthodes présentées ici sont largement accessibles et permettant de mesurer les locaux d’une grande variété de dynamique à l’échelle atomique. Un roman résolution temporelle analyse technique de la spectroscopie tunneling est présentée et est utilisée pour rechercher efficacement la dynamique.

Introduction

Scanning tunneling microscope (STM) est devenu le premier outil en nanoscience pour sa capacité à résoudre la topographie de l’échelle atomique et de la structure électronique. Une des limitations des STM classique, cependant, sont que sa résolution temporelle est restreinte à l’échelle de temps de milliseconde à cause de la largeur de bande limitée du préamplificateur actuel1. Il a longtemps été un but de prolonger la résolution temporelle de la STM à l’échelle sur laquelle se produisent généralement des processus atomiques. Le pionnier de travailler résolution temporelle microscopie à effet tunnel (STM-TR) par Freeman et al. 1 utilisé photoconducteurs commutateurs et lignes de transmission microruban calquées sur l’échantillon pour transmettre des impulsions de tension picoseconde à la jonction du tunnel. Cette technique de jonction-mélange a été utilisée pour atteindre la résolution simultanée de 1 nm et 20 ps2, mais elle n’a jamais été largement adoptée en raison de l’exigence de l’utilisation de structures spécialisées d’échantillon. Heureusement, l’intuition fondamentale tirée de ces œuvres peut être généralisée aux nombreuses techniques de résolution temporelle ; même si la bande passante du circuit de la STM est limitée à plusieurs kilohertz, la réponse non linéaire d’embouche dans STM permet une dynamique plus rapide à être sondé par le tunnel d’actuel moyens obtenu au cours de plusieurs cycles de pompe-sonde de mesure. Dans l’intervalle, plusieurs approches ont été explorées, dont les plus populaires sont brièvement examinés ci-dessous.

Secoué-paire-pompés par impulsion (SPPX) STM profite des avancées dans les technologies de laser pulsé ultrarapide de parvenir à picoseconde par éclairant directement la jonction tunnel et excitant des transporteurs dans l' exemple3. Lumière laser incident crée des porteurs libres qui augmentent transitoirement conduction et modulation du délai entre la pompe et la sonde (td) permet dI/dtd à mesurer avec un amplificateur à verrouillage. Parce que le délai entre la pompe et la sonde est modulé plutôt que l’intensité du laser, comme dans nombreuses autres approches optiques, SPPX-STM évite photo induite par l’illumination dilatation thermique de l' extrémité3. Les extensions plus récentes de cette approche ont prolongé les délais sur lesquels SPPX-STM peut être utilisé pour étudier la dynamique en utilisant des techniques de cueillette des impulsions pour augmenter la gamme de pompe-sonde retard fois4. Ce qui est important, cette évolution récente fournit également la possibilité de mesurer les courbes j’ai(td) directement plutôt que par l’intermédiaire de l’intégration numérique. Les applications récentes de SPPX-STM ont inclus l’étude de la recombinaison de transporteur en single-(Mn, Fe)/GaAs(110) structures dynamiques5 et donateurs GaAs6. Demandes de SPPX-STM face à certaines restrictions. Le signal QUE SPPX-STM mesures dépend des porteurs libres excités par les impulsions optiques et est mieux adapté aux semi-conducteurs. En outre, bien que le tunnel actuel est localisé à la pointe, parce qu’une grande surface est excitée par les impulsions optiques, le signal est une convolution des propriétés locales et transport des matériaux. Finalement, le biais à la jonction est fixé à l’échelle de temps de mesure afin que la dynamique à l’étude doit être photoinduit.

Une technique plus récente optique, térahertz (THz-STM), de STM couples impulsions THz d’espace libre centrées sur la jonction à la pointe de la STM. Contrairement à dans SPPX-STM, les impulsions couplées se comportent comme des impulsions de tension rapide permettant à l’enquête d’excitations pilotées électroniquement avec picoseconde résolution7. Fait intéressant, le courant redressé générée à partir des impulsions THz résultats dans les densités de courant de pointe extrême n’est pas accessibles par conventionnel STM8,9. La technique a été utilisée récemment pour étudier les électrons chauds en Si(111)-(7x7)9 et l’image de la vibration d’une molécule de pentacène unique10. THz-impulsions couple naturellement à la pointe, cependant, la nécessité d’intégrer une source THz à une expérience de la STM est susceptible d’être difficile de nombreux expérimentateurs. Ce qui motive l’élaboration d’autres techniques largement applicables et facilement réalisables.

En 2010, Loth et al. 11 a développé une technique entièrement électronique où nanoseconde de tension appliquée sur le dessus un offset DC électroniquement pompe et sonde le système11. L’introduction de cette technique a offert une démonstration critique d’applications sans ambiguïté et pratiques de résolution temporelle STM pour mesurer auparavant non prise en charge physique. Bien qu’il n’est pas aussi rapide que la jonction mélange STM, qui l’a précédée, appliquant des impulsions de micro-ondes à la pointe de la STM permet les échantillons arbitraires à être l’objet d’une enquête. Cette technique ne nécessite pas des méthodes optiques compliquées ou accès optique à la jonction de la STM. Ce qui rend la technique plus facile de s’adapter à basse température STMs. La première de la démonstration de ces techniques a été appliqué à l’étude de spin-dynamique où un spin polarisé STM a été utilisé pour mesurer la dynamique de relaxation de spin-états excités par les impulsions de pompe11. Jusqu'à tout récemment, son application est restée limité à atome adsorbé magnétique systèmes12,13,14 , mais a depuis été étendu à l’étude des taux de capture de porteurs d’un écart moyen discret d’état15 et charge dynamique des dopants unique de l’arsenic dans le silicium15,16. Cette étude fait l’objet de ce travail.

Études sur les propriétés des dopants unique dans les semi-conducteurs ont récemment attiré beaucoup d’attention parce que les dispositifs à semiconducteurs (CMOS) oxyde de métal complémentaire entrent maintenant dans le régime où seul dopants peuvent affecter les propriétés du périphérique17 . En outre, plusieurs études ont démontré que les dopants unique peuvent servir la composante fondamentale des futurs appareils, par exemple comme qubits pour quantum computation18 et quantique mémoire19, ainsi que seul atome transistors20 , 15. dispositifs d’avenir peuvent également incorporer des autres défauts de l’échelle atomique, tels que le silicium balançant bond (DB) qui peut être modelé avec une précision atomique avec STM Lithographie21. À cette fin, DBs ont été proposés comme frais qubits22, boîtes quantiques pour quantum automates cellulaires architectures23,24et fils atomique25,26 et ont été modelés pour créer quantique logique hamiltonien portes27 et molécules artificielles28,29. Aller de l’avant, dispositifs peuvent incorporer des dopants unique et DBs. Il s’agit d’une stratégie séduisante car DBs sont des défauts de surface qui peuvent facilement être caractérisées avec la STM et utilisées comme poignée pour caractériser les dispositifs dopant unique. Comme exemple de cette stratégie, DBs sont utilisés dans ce travail comme capteurs de charge pour déduire la charge dynamique des dopants près de la surface. Ces dynamiques sont capturés à l’aide d’une approche entièrement électronique de TR-STM qui est une adaptation des techniques développées par Loth et al. 11

Des mesures sont effectuées sur DBs sélectionnés sur une surface de Si(100)-(2x1) d’hydrogène résilié. Une région de déplétion de dopant s’étendant approximativement de 60 nm sous la surface, créé par traitement thermique du cristal30, dissocie la DB et les quelques dopants restants de près de la surface des bandes en vrac. Études de la STM de DBs ont constaté que leur conductance dépend des paramètres de l’échantillon global, tel que la concentration des dopants et la température, mais DBs individuels montrent également de fortes variations selon leur environnement local16. Au cours d’une mesure de la STM sur une base de données unique, le flux de courant est régi par le taux auquel peuvent passer les électrons de la majeure partie de la DB (Γen vrac) et de la DB à l’extrémité (AstuceΓ) (Figure 1). Cependant, parce que la conduction de la DB est sensible à son environnement local, l’état de charge des dopants à proximité des influences Γen vrac (Figure 1 b), qui peuvent être déduites en surveillant la conductance de la DB. En conséquence, la conductance d’une DB peut être utilisée pour détecter les États de charge des dopants à proximité et peut être utilisée pour déterminer le taux auquel les dopants sont fournis des électrons de la masse (ΓLH) et les perdre à la pointe de la STM (ΓHL < / c13 >). Pour résoudre ces dynamiques, TR-STS s’effectue autour de la tension de seuil (Vthr) au cours de laquelle la pointe induit d’ionisation des dopants près de la surface. Le rôle d’impulsions de la pompe et la sonde est identique dans les trois techniques expérimentales temporelle présentées ici. La pompe transitoirement amène le biais niveau par-dessous à au-dessus de Vthr, qui induit une ionisation de dopant. Cela augmente la conductance de la DB, ce qui est échantillonné par l’impulsion de la sonde qui fait suite à un biais plus bas.

Les techniques décrites dans cet article permet aux gens souhaitant caractériser la dynamique qui se produisent sur la milliseconde à nanoseconde calendrier avec la STM. Bien que ces techniques ne se limitent pas à l’étude dynamique de la charge, il est crucial que la dynamique se manifestent par des modifications passagères de la conductance des États qui peuvent être sondé par STM (c'est-à-dire les États sur ou près de la surface). Si la conductance des États transitoires ne diffère pas significativement de l’état d’équilibre, tel que la différence entre les courants transitoires et équilibre multipliée par le cycle d’utilisation de pulsation sonde est plus petit que le bruit de fond des systèmes (en général 1 pA), le signal se perdra dans le bruit et ne sera pas détectable par cette technique. Parce que les modifications expérimentales des systèmes STM commercialement disponibles requis pour effectuer les techniques décrites dans cet article sont modestes, il est prévu que ces techniques seront également accessibles à la communauté.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. installation du Microscope et expériences

  1. Commencez par un ultra STM cryogéniques capable de vide et le logiciel de contrôle associé. Cool la STM à des températures cryogéniques.
    Remarque : Tout au long de ce rapport, ultravide se rapporte aux systèmes qui atteindre < 10 x 10-10 Torr. La STM devrait être refroidie à des températures cryogéniques ; Ceci est particulièrement important lors de l’enquête sur la dynamique de la charge des dopants, thermiquement activées à des températures modestes. Autres chambres peuvent être à température ambiante.
  2. Veiller à ce que la pointe de la STM est équipée de câblage haute fréquence (~ 500 MHz).
    Remarque : En utilisant une impulsion méthodes de mise en forme, une grande augmentation dans le temps de réponse d’un STM avec câblage coaxial standard température cryogénique (~ 20 MHz) a été rapportée par Grosse et al. 31
  3. Connecter un générateur de fonctions arbitraires au moins deux canaux jusqu'à l’extrémité (Figure 2), qui serviront à préparer les cycles des paires de pulse de tension utilisés pour des expériences de pompe-sonde.
  4. Configurer le générateur de fonctions arbitraires afin que les impulsions de tension pompe et la sonde sont générées de manière indépendante et a résumé avant d’être introduit dans la pointe.
  5. Appliquer la tension de polarisation DC utilisée pour la spectroscopie d’imagerie et conventionnelle à l’échantillon (VDC).
  6. Connectez deux commutateurs de radiofréquence aux canaux de sortie du générateur fonctions arbitraires.
  7. Configurer les commutateurs afin que la pointe est fondée au cours de la spectroscopie d’imagerie et conventionnelle du STM, et la partialité apparente est VDC + Vpointe au cours d’expériences de pompe-sonde (Figure 4 a).
  8. Recueillir le tunnel actuel pour toutes les mesures par un préamplificateur relié à l’échantillon.

2. préparation de la Reconstruction de H-Si(100)-(2x1)

  1. Cliver un échantillon d’une plaquette de Si(100) de 3-4 mΩ·cm-taper l’arsenic dopé en grattant l’arrière de la plaquette avec une pointe à tracer en carbure de silicium et en coupant délicatement l’échantillon au large de la tranche avec des lames de microscope de verre.
  2. Apposer l’échantillon à un porte-échantillon STM et l’introduire à une chambre à vide ultra adjacente à la chambre de la STM.
  3. Une solution contenant l’échantillon en chauffant resistively à 600 ° C (un pyromètre peut être utilisé pour surveiller la température de l’échantillon) et en tenant à cette température pendant au moins 6 h en ultravide.
    Remarque : La pression va augmenter au départ que l’échantillon et le porte-échantillon et dégazer, mais devraient se stabiliser près de la pression de base (< 10-10 Torr) après plusieurs heures.
  4. Laisser l’échantillon refroidir à température ambiante avant de continuer.
  5. Une solution contenant un filament de tungstène dans la même chambre que l’échantillon par resistively chauffage filament à 1800 ° C et attendre pour le système à récupérer à base pression. Désactiver le filament avant de continuer.
    Remarque : L’échantillon peut rester dans la chambre au cours de cette étape car il est passivé par la couche d’oxyde natif à sa surface, et toute contamination de la surface de l’échantillon de cette étape sera supprimée par la suite. La température du filament devra être étalonné à une spécifique courant/tension appliquée au filament à l’aide d’un pyromètre.
  6. Retirer l’oxyde de la surface de l’échantillon en clignotant de l’échantillon jusqu'à 900 ° C et en tenant à cette température pendant 10 s avant de refroidir à température ambiante. La pression augmente plusieurs ordres de grandeur de la pression de base au cours de la procédure de clignotante. Après chacune des flashes trouvés tout au long de cette procédure, attendez que l’échantillon se refroidir à température ambiante et le système pour récupérer de la pression de base avant de continuer.
    NOTE : Le clignotant est défini dans le présent rapport comme le chauffage et le refroidissement de l’échantillon avec des taux de rampe haute, l’ordre de 100 ° C/s.
  7. Flash progressivement l’échantillon à des températures plus élevées alors qu’il tentait d’atteindre un final flash de 1250 ° C. Abandonner tout flash où la pression s’élève au-dessus de 9 x 10-10 Torr pour empêcher la surface de l’échantillon d’avoir contaminé. Enregistrer la tension/courant utilisé pour atteindre les 1250 ° C flash (la lumière émise par le filament chauffé à l’étape 2.6 empêchera un pyromètre de donner une lecture précise de la température de l’échantillon, et donc cette consigne devrait être utilisé). Sur le final flash, déterminer la tension/courant nécessaire pour chauffer l’échantillon à 330 ° C que le cristal est refroidi, puis laissez l’échantillon refroidir à température ambiante et laisser le système récupérer à base pression avant de continuer.
  8. Fuite de gaz de2 H dans la chambre à une pression de 1 x 10-6 Torr et chauffer le filament de tungstène à 1800 ° C.
    Remarque : Cela a pour effet de fissuration de l’H2 atmoic hydrogène32.
  9. Maintenez l’échantillon dans ces conditions pendant 2 min avant de flasher l’échantillon à 1250 ° C, , tenant à cette température pendant 5 s et refroidissement à 330 ° C.
  10. Après 1 min d’exposition à 330 ° C, en même temps fermer la vanne de fuite de2 H, éteignez le filament de tungstène et laisser refroidir les échantillons à la température ambiante.
    Remarque : Ces hautes températures flash affectent la distribution des dopants dans l’échantillon. Chauffage à 1250 ° C s’est avéré d’induire une région de déplétion ~ 60 nm dopant près de la surface de l’échantillon30.
  11. Vérifier la qualité de l’échantillon en prenant des images de la surface de la STM.
    NOTE : Les bons échantillons auront grande (> 30 nm x 30 nm) terrasses avec un taux de défaut de < 1 % (balançant les molécules adsorbées, atomes adsorbés, obligations, etc.) et fera la démonstration de la classique Si(100)-(2x1) reconstruction32, qui comporte des lignes de dimère traversant antiparallèles les uns bords (Figure 3 b).

3. évaluation de la qualité des impulsions pompe-sonde à la jonction Tunnel

  1. Approcher l’extrémité de la STM à la surface de l’échantillon en se livrant à l’actuel contrôleur de feedback avec une consigne actuelle de 50 pA et un biais d’échantillon de -1.8 V.
    Remarque : Dans ces conditions, la pointe est estimée à < 1 nm de la surface de l’échantillon. La pointe de la STM utilisée dans ce travail a été produite par gravure chimique tungstène polycristallin. Il était affûté en utilisant un azote gravure intérieur, qui est bien décrite dans Rezeq et al. 33.
  2. Recherchez une zone sur la surface de l’échantillon exempt de gros défauts de surface en prenant des scans de grande surface (p. ex., 50 nm x 50 nm).
  3. Position de la STM basculer un H-Si sur la surface, qui apparaissent comme les lignes de dimère d’images STM (Figure 3 b).
  4. Désactiver le régulateur de courant commentaires
  5. La valeur VDC à -1,0 V, Vpompe à -0,5 V, Vsonde à -0,5 V, la largeur des impulsions pompe et sonde à 200 ns et le temps de montée/descente des impulsions à 2,5 ns (Figure 4 a).
  6. Envoyer une série de trains d’impulsions de la pompe et la sonde où le retard relatif de la pompe et la sonde est balayé de -900 ns à 900 ns.
  7. Tracer le tunnel actuel en fonction du délai entre la pompe et la sonde. Il démontrera probablement fortes sonneries (oscillations dans le tunnel actuel en fonction du délai relatif entre les impulsions de la pompe et sonde, Figure 4 b).
    Remarque : Logiciel Python et origine servaient à tracer, d’analyser et évaluer les données rassemblées pour ce manuscrit.
  8. Répétez les étapes 3.1 à 3.5, mais augmenter les temps de montée/descente des impulsions. La sonnerie va diminuer car les temps de montée/descente sont augmentés.
    Remarque : On a voulu éliminer sonne pour fournir les résultats spectroscopiques plus précises, toutefois, la résolution temporelle de ces techniques est limitée à la largeur des impulsions utilisées. 25 ns montée fois ont été utilisés pour ce travail.

4. time-Resolved Scanning Tunneling spectroscopie (TR-m)

  1. Position de la STM basculer un silicium DB, qui apparaissent comme des saillies lumineuses à des biais de pointe-échantillon négatifs (Figure 3 b).
  2. Désactiver le contrôleur de rétroaction actuel de STM.
  3. Envoyer qu'un train composé de seulement l’impulsion de la sonde avec un taux de répétition de 25 kHz. Au cours d’une série de trains d’impulsions, balayer la partialité de l’impulsion de la sonde sur une plage de 500 mV de la partialité de DC de -1,8 V.
    Remarque : Cette expérience simple est analogue au STS classiques où la conductance est échantillonnée sur une gamme de biais.
    1. Configurer la durée des trains d’impulsions (chacun avec un biais différent) tels que les spectres qui en résultent ont un rapport signal sur bruit > 10.
  4. Envoyer un train composé d’impulsions pompe fixée à une polarisation fixe (tel que VDC + Vpompe > Vthr) avec un taux de répétition de 25 kHz. Dans ces expériences, affectez à la VDC, Vpompeet Vthr -1,8 V, 500 mV et -2,0 V, respectivement.
    NOTE : Les impulsions de la pompe peuvent avoir arbitrairement longues durées (1 µs est généralement suffisant).
  5. Envoyer un train composé des impulsions de la pompe avec les impulsions de sonde suivies d’un retard de 10 ns. Dans ces expériences, réglez l’amplitude de l’impulsion de la pompe que 500 mV et du balayage pulsation sonde de 50 à 500 mV.
    Remarque : Dans cette expérience, le pouls de la sonde est d’échantillonnage l’état établi par le pouls de la pompe, plutôt que l’état d’équilibre échantillonnés en STS classiques.
    1. Soustraire le signal obtenu seulement le pouls de la pompe a été appliquée lors de l’affichage/évaluer le signal prélevé à cette étape.
  6. Comparer la sonde seulement et la pompe + sonde signaux en leur traçant dans le même graphe. Toute hystérésis dans les deux signaux est une indication de la dynamique qui peut être sondée avec résolution temporelle des techniques STM.
    Remarque : En maintenant la gamme de l’impulsion de sonde fixée et numérisation grossièrement le DC offset (incréments de 0,25 V, par exemple), un peut mapper efficacement la gamme d’énergie totale de l’échantillon afin d’identifier la dynamique accessible à la technique. Durées d’impulsion peuvent être modifiées selon l’expérience. La largeur de l’impulsion de la pompe doit être plus long que le taux auquel le dopant est ionisé, telle qu’il ionise constamment le dopant. En général, durées de la sonde doivent être du même ordre que le processus dynamique à l’étude, telles que le signal maximal peut être mesuré sans goûter une moyenne des conductance de deux États. Lorsque la recherche d’énergies à la dynamique qui existe, il est recommandé que les durées de la sonde sont minimisées telles que seul un État du système est mesuré afin d’améliorer l’hystérésis. Que se trouvent les constantes de temps de relaxation, la durée de l’impulsion de la sonde peut être augmentée pour améliorer le rapport signal sur bruit.

5. time-resolved STM mesures de Relaxation dynamique

  1. Placer l’extrémité de la STM sur un silicium DB et désactiver le contrôleur de rétroaction actuel de STM.
  2. Envoyer un train composé d’impulsions pompe fixée à une polarisation fixe (tel que VDC + Vpompe > Vthr) avec un taux de répétition de 25 kHz. Dans ces expériences, affectez à la VDC, Vpompeet Vthr -1,8 V, 400 mV et -2,0 V, respectivement.
    NOTE : Les impulsions de la pompe peuvent avoir arbitrairement longues durées (1 µs est généralement suffisant).
  3. Envoyer un train d’impulsions de la pompe et la sonde. Faire en sorte que les impulsions de la sonde ont une amplitude plus petits que les pompes et comparable à la gamme à laquelle hystérésis (Vsonde < Vpompe,sonde de V+ VDC≈ Vhystersis).
  4. Balayer le délai entre la pompe et la sonde impulsion jusqu'à plusieurs dizaines de µs.
  5. Soustraire le signal obtenu lorsque seulement le pouls de la pompe a été appliqué. Dans ces expériences, affectez à la VDC, Vpompeet Vsonde -1,8 V, 400 mV et 210 mV, respectivement. Régler le balayage de retard relatif de μs-5 à 35 μs.
    Remarque : Si le signal obtenu de l’étape précédente est bien adapté (R2 > 0,80) par une fonction simple de décroissance exponentielle, alors la durée de vie de l’état transitoire, préparé par l’impulsion de la pompe peut être extraites de l’ajustement.

6. time-resolved STM mesures d’Excitation dynamique

  1. Envoyer un train composé d’impulsions pompe fixée à une polarisation fixe (tel que supérieur à VDC + Vpompe > Vthr) avec un taux de répétition de 25 kHz. Dans ces expériences, affectez le VDC et Vthr -1,8 V et -2,0 V, respectivement. Mettre lapompe de Ventre 220 et 450 mV.
  2. Balayer la durée de l’impulsion de la pompe de nanosecondes plusieurs à plusieurs cent nanosecondes.
  3. Envoyer un train d’impulsions de la pompe et la sonde. Les impulsions de la sonde doivent avoir une amplitude plus petits que les pompes et comparable à la gamme à laquelle hystérésis se produit (Vsonde < Vpompe,sonde de V+ VDC≈V hystersis). Dans ces expériences, la valeur Vsonde 210 mV.
  4. Soustraire le signal obtenu lorsque seulement le pouls de la sonde a été appliqué.
    Remarque : Si le signal obtenu est exponentiel, cela indique que le pouls de la pompe se prépare l’état transitoire (ionisé dopant) à un taux qui peut être extraite de la fit (R2> 0,80). Le protocole décrit ci-dessus est spécifique pour les expériences et le matériel décrit ci-après. Il y a beaucoup d’avenues possibles pour les lecteurs de personnaliser leur propre montage expérimental pour l’étude des autres systèmes. Par exemple, les techniques générales ne sont pas limités à STMs refroidi par cryogénie ; tout matériau de pointe peut être utilisé, et ils ne nécessitent pas de mordançage de l’azote. En outre, un générateur de fonctions arbitraires opportunément programmée pourrait être utilisé pour générer des signaux de deux impulsions, qui nient la nécessité de faire la somme des deux canaux indépendants. Enfin, le câblage de bande passante inférieure pourrait être utilisé31.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Les résultats présentés dans cette section du texte ont été publiées antérieurement15,16. La figure 3 illustre le comportement d’un exemple choisi DB avec STM classique. Une mesure conventionnelle de l’embouche (Figure 3 a) illustre clairement un changement brusque de la conductance de la DB à Vthr = -2,0 V. Ce comportement s’observe aussi dans STM images prises à -2,1 V (Figure 3 b, le panneau de gauche), -2,0 V (panneau central) et -1,8 V (panneau de droite), où la DB a l’apparence d’une saillie lumineuse, une saillie mouchetée et une dépression sombre, respectivement. Cette transition peut également être observée en regardant le tunnel actuel recueillies avec la pointe placée directement sur le dessus de la DB avec le z-contrôleur hors tension et le biais de la valeur Vthr, qui se traduit par deux niveaux telegraph bruit (Figure 3C). c’est essentiel, dans ces mesures, la pointe de la STM a été placée directement au-dessus de la DB. Dans cet arrangement, la fluctuation de l’état de charge de la DB se produit sur des périodes ci-dessous e / IT = 2ns, qui est beaucoup plus rapide que le changement observé. Par conséquent, le comportement observé est attribué à la charge dynamique de dopants à proximité qui affecte la conductance de la DB. Il est important de noter que, parce que la fonction d’onde prolongée d’énergie moyenne écart de DB déclare Loi comme un pont pour mener les électrons de la bande de conduction en vrac jusqu'à la pointe, le comportement observé n’est qu’apparent lorsque la pointe est placée directement au-dessus des DBs. Le biais a augmenté, la fréquence du bruit télégraphe également fortement augmenté, tel qu’à-2.02 V, le comportement de commutation pu n’est plus être résolu directement par préamplificateur de la STM. Cela a motivé l’utilisation du microscope effet tunnel à balayage résolution temporelle (TR-STM) et scanning tunneling spectroscopie (TR-STS) résolue dans le temps.

La figure 4 illustre une méthode qui peut être utilisée pour évaluer la qualité des impulsions envoyées à la jonction. Sonnerie est observée lorsque fois montée rapide sont utilisées pour les impulsions de la pompe et la sonde, en raison de la différence d’impédance entre les circuits de la STM et la jonction tunnel. Une corrélation croisée d’impulsions de la pompe et la sonde peut être générée en balayant le retard relatif de l’impulsion de la sonde par le biais de délai nul. Une forte progression dans le tunnel actuel se produit lorsque les impulsions de la pompe et la sonde se chevauchent en raison du comportement non linéaire caractéristique des mesures d’embouche. Sonnerie se manifeste par l’intermédiaire de plus petite amplitude oscillations dans le tunnel actuelles des deux côtés de l’origine. En augmentant les temps de montée sur les impulsions de 2,5 ns à 25 ns, on observe une forte suppression de la sonnerie. L’offset relatif des signaux générés avec chaque temps de montée est le résultat du fait que la largeur d’impulsion est mesurée afin d’inclure les temps de montée des impulsions. Par conséquent, impulsions avec 2,5 fois de lieu de ns ont une plus grande zone intégrée, et donc une plus grande intégrées actuel, comparativement aux impulsions de 25 ns montée fois. Cela met en évidence cette comparaison quantitative de TR-STM mesures ne doivent être effectuées lorsque les temps de montée des impulsions utilisées sont égales.

La figure 5 illustre TR / STS. Dans ces mesures, une impulsion de pompe apporte transitoirement le système ci-dessus Vthr, et immédiatement après qu’une pulsation sonde interroge la conductance de l’état transitoire. La conductance de l’état transitoire peut être mappée en soustrayant le signal acquis avec sonde uniquement à partir du signal obtenu avec pompe + sonde. Lorsque les signaux seules pompe + sonde et sonde sont comparées directement, toute hystérésis est révélateur des processus dynamiques qui peuvent être sondés par TR-STS. En changeant la valeur de la correction de décalage DC fixe, la dynamique du système qui peut sondé par TR-STS peut être efficacement identifiée.

TR-env, il est important de tenir compte de la durée des impulsions pompe et sonde. Le pouls de la pompe doit être suffisamment long pour induire un état d’équilibre du système (c'est-à-dire, la pompe dans l’état de haute conductivité). Si la durée de l’impulsion de la sonde est trop longue, toutefois, puis à amplitudes faibles sonde, la conductance de la DB peut vous détendre pendant la mesure. Dans ce cas, le pouls de la sonde va goûter les deux les États de haute et basse de la conductance de la DB et réduire la visibilité de l’hystérésis. Donc, afin de maximiser la visibilité de l’hystérésis, la durée de l’impulsion de la sonde doit être plus courte que la vitesse de relaxation de l’état de grande conductance.

La figure 6 illustre mesures résolution temporelle de la dynamique de détente et d’excitation dopant. Comme TR-m, l’échantillon est réglé à un biais de décalage de DC fixe ci-dessous Vthret les impulsions de la pompe mettre transitoirement le système ci-dessus Vthr. Relaxation dynamique ont été sondée en balayant le retard relatif des impulsions sonde (Figure 6 a). Juste une parcelle de la sonde de courante en fonction du retard relatif (Figure 6 b) avec une décroissance exponentielle simple permise ΓHL à extraire. Il est important de noter que ce taux n’est jamais observé pour un seul cycle, plutôt ΓHL est déduit de l’actuel tunnel moyennée dans le temps, constitué de nombreux événements. Ceci est analogue à la spectroscopie optique, où la durée de vie d’un état excité peut être déterminée par des mesures simples d’un ensemble, sauf que dans ce cas la durée de vie d’un dopant unique peut être caractérisée par un ensemble de mesures car il peut être sondée directement par la pointe de la STM. Il est important de noter que la sonde courante observée dans la Figure 6 b se désintègrent pas à zéro, mais plutôt à un décalage fixe. C’est parce que l’impulsion de pompe excite dynamique (observée comme un bruit de télégraphe à l’échelle de la milliseconde dans la Figure 3) qui ne pas se désintégrer dans le laps de temps de mesure. Cela indique que la conductance de la DB à l’étude est fermée par deux dopants avec des constantes de temps de relaxation distinctes. La figure 6 montre une expérience de contrôle où l’amplitude de la pompe est variait de -0.25 V à -0,6 V. Un changement dans la vie de l’État ionisé, en fonction de l’amplitude de la pompe, indiquerait que supplémentaires processus dynamiques existent proches en énergie à Vthr. ΓHL étant constante au-delà de-2.05 V, il est conclu que seuls les États de frais des deux dopants identifiés sont bloquant la conductance de la DB.

Excitation dynamique ont été sondée par balayage de la largeur de l’impulsion de la pompe (Figure 6). Γ LH a été extraite d’un ajustement exponentiels du courant moyennée dans le temps en fonction de la largeur de la pompe (Figure 6E). Lorsque le biais pompé ne dépasse pas Vthr, il n’y a aucune dépendance observée entre la largeur de la pompe et le tunnel actuel car les dopants restent neutres. Lorsque le biais pompé dépasse Vthr, un électron peut créer un tunnel depuis le dopant jusqu’au bout, laissant le dopant ionisé. En balayant la largeur de la pompe, le taux moyen au cours de laquelle le dopant est ionisé est mappé. Figure 6F étudie la dépendance des ΓLH en fonction de l’amplitude de la pompe. Si un DB est contrôlé par un seul dopant, ΓLH devrait évoluer exponentiellement avec l’amplitude de la pompe sur l' ensemble de la gamme biais16. C’est prévu, car le taux d’ionisation de la dopant dépend exponentiellement le champ électrique local, qui s’ajuste sur le biais appliqué à la pointe. DB1, qui est le DB a étudié dans tous les chiffres antérieurs, montre une dépendance exponentielle entre -2,1 V-2.25 V et une étape à-2.05 V. Cette étape est une preuve supplémentaire que DB1 est contrôlé par deux dopants à proximité. Une dépendance exponentielle a été observée pour DB2 sur la plage -1,3 V à -1,6 V, ce qui indique qu’un dopant unique fermée il. DB2 ne montrent pas toute dynamique au-delà de l’échelle de temps de milliseconde et n’a donc pas étudié avec les autres techniques de résolution temporelle.

Figure 1
Figure 1 : schéma du système d’étude et de son diagramme d’énergie associée. (A), le courant prélevé par la pointe de la STM positionnée directement sur le dessus un silicium que DB est principalement composé d’électrons passant de la plus grande partie de la DB et de la DB à la pointe, avec des taux Γen vrac et ΓAstuce, respectivement. L’arsenic dopants, représentées par les boules vertes, ont également (ΓHL) de remplissage et la vidange des tarifs (ΓLH) qui peuvent être sondées par des mesures de STM résolue dans le temps. (B) le bord de bande de conduction en présence d’un dopant ionisé (courbe verte) est tiré vers le bas comparativement à lorsque le dopant est neutre (courbe noire), qui se traduit par une conductance accrue. Le diagramme d’énergie a été calculé pour un biais d’échantillon de -2,0 V. La zone de couleur bleue représente les États remplis. Ce chiffre a été pris avec la permission de Roselyne et al. 16 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : les modifications nécessaires qu’il faut faire un STM commerciale telle que TR-STM peut être effectuée avec les méthodes décrites dans cet ouvrage. Une polarisation offset DC est appliquée à l’échantillon, et au cours de la STM d’imagerie et conventionnelle de la spectroscopie, la pointe de la STM est reliée à la terre. Lorsqu’il est utilisé pour les mesures de résolution temporelle, les signaux créés par un générateur de fonctions arbitraires avec deux canaux indépendants sont additionnées et nourris à la pointe de la STM, qui doit être équipée d’un câblage de haute fréquence. Deux commutateurs de radiofréquence sont utilisés pour contrôler les trains d’impulsions. Le tunnel actuel est mesuré sur le côté de l’échantillon. Ce chiffre a été pris avec la permission de Roselyne et al. 16 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : le comportement spectroscopique d’un DB sélectionné avec la STM conventionnel. (A) une mesure d’embouche au cours de la DB recueillie à hauteur constante. (B) à courant Constant STM images du DB au-delà (-2,1 V, gauche), à (-2,0 V, milieu) et en dessous (-1,8 V, droite) la tension de seuil. Lignes de dimère de la reconstruction de H-Si(100)-(2x1) apparaissent sous forme de barres parallèles. (C) avec la rétroaction actuelle contrôleur de la STM au large d’une trace de l’instant acquise au cours de la DB à la tension de seuil (-2.01 V) affiche deux États télégraphe bruit sur l’échelle de temps de milliseconde. Ce chiffre a été pris avec la permission de Roselyne et al. 16 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : une corrélation croisée des impulsions pompe et sonde à la jonction tunnel. (A) schéma des séquences d’impulsions de corrélation croisée. Un biais de décalage DC statique (barre verte) est appliqué à l’échantillon. Le retard relatif entre les impulsions de la pompe (barres rouges) et les impulsions de la sonde (barres bleues) est balayé de zéro délai. Chaque paire d’impulsions pompe et sonde représente un train d’impulsions envoyées à la pointe. (B), la pointe est positionné au-dessus de H-Si et un train de paires de pompe-sonde est livré à la jonction du tunnel. Le retard relatif de la sonde est mesuré à partir du bord de fuite de la pompe à la fine pointe de la sonde et a été balayé de -900 ns à 900 ns. Un décalage CC statique de -1,0 V a été appliqué à l’échantillon. Amplitudes de pompe et de la sonde furent installées pour -0.50 V avec des 200 largeurs ns. Le temps de montée/descente des impulsions a été fixé à 25 ns (noir), 10 ns (rouge) et 2,5 ns (bleu). La sonde actuelle a été multipliée par un facteur de vingt ans pour expliquer le cycle 5 % employé dans la mesure, cependant, aucune tentative n’a été effectuée pour corriger le fait que les domaines intégrées de chaque train d’impulsions diffèrent. En médaillon : une vue agrandie de la sonnerie entre 0 et 900 retard relatif de ns. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Time-resolved scanning tunneling embouche spectroscopie (TR-STS). (A) schéma des séquences d’impulsions TR / STS. Un biais de décalage DC statique (barre verte) est appliqué à l’échantillon. Impulsions de la pompe (barres rouges) précèdent sonde impulsions (barres bleues). Chaque paire d’impulsions pompe et sonde représente un train d’impulsions envoyées à la pointe. (B) TR-STS mesure avec 1 µs largeur pompe et sonde impulsions. L’hystérésis entre les courbes sans la pompe (triangles rouges) et avec la pompe (cercles bleus) chevauche la plage biais où le système est bistable. Le biais de DC a la valeur -1,80 V, la partialité de la pompe est -0.50 V et le biais de la sonde a été balayé de 500 à 50 mV. Les impulsions ont augmenté et diminué fois de 25 ns, le retard relatif entre l’interstice de la pompe et le bord d’attaque de l’impulsion de la sonde est 10 ns et le taux de réplétion est 25KHz. Ce chiffre a été pris avec la permission de Roselyne et al. 16 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : mesures de résolution temporelle du dopant excitation et relaxation dynamique. (A,D) Schémas des séquences d’impulsions. Un biais de décalage DC statique (barre verte) est appliqué à l’échantillon. Impulsions de la pompe (barres rouges) précèdent sonde impulsions (barres bleues). Chaque paire d’impulsions pompe et sonde représente un train d’impulsions envoyées à la pointe. (B) mesure de ΓHL est effectuée en balayant le retard relatif d’impulsions de la pompe et la sonde. Les impulsions de la pompe et la sonde ont des largeurs de 1 µs. Un offset DC de -1,80 V est appliqué à l’échantillon ; les impulsions de la pompe et la sonde ont des amplitudes de -0,4 et -0,21 V, respectivement. La ligne continue est un ajustement des données avec une seule fonction exponentielle. (C) des mesures de ΓHL à amplitudes différentes de pompe. Barres d’erreur représentent les erreurs-types des raccords exponentielles. (E) mesure de ΓLH faite en balayant la durée de la pompe. Un offset DC de -1,80 V est appliqué à l’échantillon et les impulsions de la sonde ont une amplitude de -0,21 V. Vthr pour la DB sélectionnée est-2.05 V. La ligne continue est un ajustement des données avec une seule fonction exponentielle. (F) mesures de ΓLH à amplitudes différentes pompe pour deux sélectionné DBs. DB1 (triangles rouges) est le DB utilisé pour toutes les autres mesures dans le texte. DB2 est un DB sélectionné différent et est décrite en détail dans Rouillard et al. 16 lignes pleines sont des ajustements des données avec une seule fonction exponentielle. Ce chiffre a été pris avec la permission de Roselyne et al. 16 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

La variante de TR-STS dans lequel les impulsions de la pompe ne sont pas appliquée est comparable à mailles classiques, sauf que le système est à échantillonner à une fréquence élevée plutôt qu’en continu. Si les durées d’impulsions de la sonde sont appropriées (>ΓLH), le TR-STS signal acquis sans l’impulsion de la pompe peut être multipliée par une constante proportionnelle à rapport cyclique de l’expérience pour coïncider exactement avec une maille conventionnelle mesure. Cela n’est possible car les mesures sont effectuées sans l’utilisation d’un amplificateur de lock-in, qui serait sinon atténuer une partie inconnue du signal en raison de filtrage passe-bas utilisé. Il s’agit d’une différence significative entre les méthodes employées par Loth et al. 11 et ceux qui sont présentés dans cet ouvrage. L’utilisation d’un amplificateur de lock-in peut être utilisée pour augmenter la sensibilité des mesures, mais empêche la comparaison directe des TR-STS avec les mesures classiques de STS. Dans les systèmes où cette sensibilité est requise, il est prévu que les deux méthodes pourraient servir de concert, avec l’amplificateur de lock-in éteint telle que les expérimentateurs peuvent effectuer des recherches efficaces pour la dynamique et l’amplificateur à verrouillage activé pour ajoute sensibilité lors de la caractérisation de l’excitation et relaxation dynamique.

Le principal inconvénient de ces techniques est que leur résolution temporelle est actuellement limitée à plusieurs nanosecondes. Il s’agit de plusieurs ordres de grandeur plus lents que ce qui peut être réalisé avec les techniques de mixage de jonction ou optiques. Il s’agit d’une conséquence du signal de sonnerie, qui se produit lorsque les impulsions de tension avec des temps de montée sous nanosecondes sont utilisées, en raison de la différence d’impédance entre le circuit de la STM et le tunnel junction31. En effet, les méthodes entièrement électronique ont obtenu une résolution temporelle aussi fine que 120 ch34 mais n’ont pas encore été utilisés pour étudier la dynamique à cette résolution. Un STM idéalement conçu aurait un circuit parfaitement assortie impédance de STM jusqu'à la jonction tunnel, ce qui serait parfaitement impédance-ne correspondent pas. Cela serait éliminer la distorsion et la dissipation de l’impulsion et serait reflètent la puissance des micro-ondes, plutôt que livrer à travers la jonction. Une stratégie possible pour éliminer la sonnerie qui en résulte serait d’ajouter dissipation supplémentaire sur le circuit de la STM afin que reflètent les impulsions pourraient être efficacement atténuées.

Dans cet ouvrage, l’approche la plus simple a été prise, c'est-à-dire, aucune modification interne de la STM commerciale s’est déroulée. Une technique de corrélation croisée a été utilisée pour caractériser la sonnerie, qui a été ensuite minimisé en prolongeant simplement les temps de montée des impulsions. Car le temps de montée des impulsions limite la résolution temporelle, cette stratégie ne peut servir à caractériser les processus dynamiques qui se produisent sur des échelles de temps aux limites de ces techniques (plusieurs ns). Dans ces situations, sonnerie peut être activement supprimée en utilisant les techniques développées par Grosse et al. 31 , qui impliquent la mise en forme des impulsions pour tenir compte de la fonction de transfert, le générateur de fonctions arbitraires et la jonction du tunnel.

L’approche entièrement électronique à TR-STM a de nombreux avantages par rapport aux autres approches TR-STM éminents. Tout d’abord, en comparaison de la jonction-mélange STM, cette approche ne nécessite pas de structures spécialisées d’échantillon. Tous les échantillons qui peuvent être scannés avec STM conventionnel devraient être favorable à ces techniques. En outre, l’approche entièrement électronique ne nécessite pas de modifications importantes à la STM ou l’utilisation de l’optique ultrarapide. En effet, les modifications apportées à la circuiterie STM requis pour effectuer ces techniques sont extrêmement modestes, comme STMs commerciaux à haute fréquence de câblage sont disponibles. En outre, la dynamique sondée avec l’approche entièrement électronique est purement locale, comme les impulsions sont délivrées directement à l’extrémité de la STM. Cela contraste avec SPPX-STM, où les impulsions laser incident peuvent uniquement se concentrer à plusieurs micromètres carrés. Enfin, la méthode entièrement électronique permet la possibilité de manipuler avec précision les biais de la pompe et la sonde, ce qui permet une comparaison directe avec les mesures standards de STM. C’est au cœur de plusieurs des techniques décrites dans cet article, et bien qu’il soit possible de mettre en œuvre des séquences d’impulsions similaires dans des approches optiques pour TR-STM, il est expérimentalement difficile.

Les techniques expérimentales présentées ici mesure charge dynamique avec atomique résolution spatiale et résolution temporelle de nanosecondes. Il y a une richesse de la nouvelle physique à étudier avec cette approche très accessible. Par exemple, la dynamique des atomes est fascinants et important sur le plan technologique. Dynamique de l’atome ont été étudiée précédemment dans les limites de la STM classique, mais cette technique ouvre la porte pour l’enquête similaire traite plus de six ordres de grandeur supplémentaires (à partir de milliseconde de nanosecondes). Notamment, cela comble le fossé des événements lents typiquement observée chez STM, aux processus fondamentaux qui sous-tendent les.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier concurrentes.

Acknowledgments

Nous tenons à remercier Martin Cloutier et Mark Salomons pour leur expertise technique. Nous remercions également le NRC, le CRSNG et AITF pour un soutien financier.

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

Ingénierie numéro 131 entièrement électronique résolution temporelle tunneling microscope à balayage balayage dynamique de dopant obligations qui pendent de silicium spectroscopie pompe-sonde entièrement électronique spectroscopie tunnel dynamique de charge seul atome résolue en temps
Entièrement électronique résolue en nanosecondes Tunneling microscope à balayage : Faciliter l’Investigation de la dynamique de Charge unique de 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