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Engineering

Vollelektronische Nanosekunde gelöst Scanning Tunneling Microscopy: Erleichterung der Untersuchung der einzelnen Dotierstoff kostenlos Dynamik

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

Wir zeigen eine elektronische Methode um Nanosekunden gelöst kostenlos Dynamik von Dotierstoffen Atomen in Silizium mit einem Rastertunnelmikroskop zu beobachten.

Abstract

Die Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen, Skalen, wo die kleine Zahl der Dotierstoffe Geräteeigenschaften kontrollieren kann, erfordert die Entwicklung neuer Techniken in der Lage, ihre Dynamik zu charakterisieren. Untersuchung einzelner Dotierstoffe erfordert räumliche Auflösung Sub-Nanometer, der was den Einsatz von scanning tunneling Microscopy (STM) motiviert. Konventionelle STM ist jedoch beschränkt auf Millisekunden Zeitauflösung. Verschiedene Methoden wurden entwickelt, um dieses Manko, einschließlich elektronische zeitaufgelösten STM, die in dieser Studie verwendet wird, um Dotierstoff Dynamik in Silizium mit einer Nanosekunde Auflösung zu überwinden. Die hier vorgestellten Methoden sind leicht zugänglich und ermöglichen lokalen Messung einer Vielzahl von Dynamik auf atomarer Skala. Ein Roman zeitaufgelösten scanning tunneling Spektroskopie Technik präsentiert und effiziente Suche nach Dynamik verwendet.

Introduction

Scanning tunneling Microscopy (STM) geworden, das erste Werkzeug im Bereich der Nanowissenschaften für seine Fähigkeit, atomarer Ebene Topographie und elektronische Struktur zu lösen. Eine Einschränkung der konventionellen STM ist jedoch, dass seine zeitliche Auflösung wegen der begrenzten Bandbreite des aktuellen Vorverstärker1Millisekunde Zeitskala beschränkt ist. Es ist seit langem ein Ziel, STM zeitlichen Auflösung auf die Waage zu verlängern auf die atomare Prozesse häufig auftreten. Die Pionierarbeit zeitaufgelösten scanning tunneling Microscopy (TR-STM) von Freeman et. al. 1 verwendete Unterätzung Schalter und Mikrostreifen-Übertragungsleitungen gemustert auf die Probe, Pikosekunde Spannungsimpulse bis zur Kreuzung Tunnel übertragen. Diese Kreuzung mischen Technik verwendet wurde, um gleichzeitige Auflösung von 1 nm und 20 Ps2zu erreichen, aber es wurde nie weit angenommen aufgrund der Voraussetzung für die Verwendung von spezialisierten Probe Strukturen. Glücklicherweise kann die grundlegenden Erkenntnisse aus diesen Werken zu vielen zeitaufgelösten Techniken verallgemeinert werden; Obwohl die Bandbreite der STM-Schaltung auf mehreren Kilohertz beschränkt ist, ermöglicht die nichtlinearen I(V) Reaktion in STM schneller Dynamik, sondiert werden, durch die Messung der durchschnittlichen Tunnelstrom über viele Zyklen Pumpe-Sonde erreicht. In den vergangenen Jahren viele Ansätze erforscht, die beliebtesten davon sind kurz unten überprüft.

Geschüttelt-Puls-paar-angeregten (SPPX) STM nutzt die Zuführungen in ultraschnellen gepulste Lasertechnologien, Sub-Pikosekunden Auflösung direkt beleuchtet die Tunnel Junction und spannende Träger in der Probe3zu erreichen. Einfallenden Laserlicht schafft freie Trägern, die Wärmeleitung vorübergehend zu erhöhen, und Modulation der Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde (td) ermöglicht dich/dtd mit einem Lock-in-Verstärker gemessen werden. Weil die Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde anstatt der Laserintensität, wie in vielen anderen optischen Ansätzen moduliert ist vermeidet SPPX STM Foto Beleuchtung-induzierte thermische Ausdehnung der Tipp3. Neuere Erweiterungen dieses Ansatzes sind die Fristen verlängert über die SPPX-STM verwendet werden, um die Dynamik zu untersuchen, durch die Verwendung von Puls-Picking-Techniken zur Erhöhung der Reichweite der Pumpe-Sonde Verzögerung Mal4. Wichtig ist, bietet diese neue Entwicklung auch die Möglichkeit, ich(td) Kurven direkt statt über numerische Integration zu messen. Aktuelle Anwendungen von SPPX STM haben das Studium der Träger Rekombination in Single-aufgenommen (Mn, Fe)/GaAs(110) Strukturen5 und Spender Dynamik in GaAs-6. Anwendungen des SPPX-STM stehen einige Einschränkungen. Das Signal, das SPPX-STM misst hängt von freien Trägern aufgeregt durch die optischen Impulsen und eignet sich am besten für Halbleiter. Obwohl der Tunnelstrom bis zur Spitze lokalisiert ist, weil eine große Fläche durch die optischen Impulsen angeregt wird, ist das Signal zusätzlich eine Faltung der lokalen Eigenschaften und Materialtransport. Zu guter Letzt ist die Vorspannung an der Kreuzung an der Messung Zeitskala fixiert, so dass die Dynamik unter Studie photoinduzierte sein muss.

Eine neuere optische Technik, Terahertz (THz-STM), STM Paare Freiraum-THz Impulse konzentrierte sich auf der Kreuzung an der Spitze der STM. Im Gegensatz zu SPPX-STM, die gekoppelte Impulse Verhalten sich wie schnell Spannungsimpulse ermöglicht die Untersuchung der elektronisch gesteuerte Erregungen mit Sub-Pikosekunden Auflösung7. Interessant ist, generiert der gleichgerichtete Strom aus der THz-Pulses Ergebnisse in extremen Höhepunkt Stromdichten nicht zugänglich durch konventionelle STM8,9. Die Technik wurde vor kurzem zu studieren heiße Elektronen in Si(111)-(7x7)9 und Bild die Schwingung eines einzigen Pentacene Molekül10eingesetzt. THz-Pulse natürlich paar an der Spitze, die Notwendigkeit, eine THz-Quelle zu einem STM-Experiment zu integrieren dürfte jedoch schwierig, viele Experimentatoren. Dies motiviert die Entwicklung anderer überall anwendbar und leicht umsetzbare Techniken.

Im Jahr 2010 Loth Et Al. 11 entwickelt eine elektronische Technik wo Nanosekunde Spannungsimpulse elektronisch auf einem DC-Offset aufgetragen Pumpen und Sonde System11. Die Einführung dieser Technik angeboten eine kritische Demonstration eindeutig und praktische Anwendungen von zeitaufgelösten STM, bisher unbeobachteten Physik zu messen. Obwohl es nicht so schnell wie Kreuzung mischen STM, die ihr vorausging ist, ermöglicht die Anwendung Mikrowelle Impulse auf die STM Spitze willkürliche Proben untersucht werden. Diese Technik erfordert keine komplizierte optische Methoden oder optischen Zugang bis zur Kreuzung STM. Dies erleichtert die einfachste Technik, Niedertemperatur STMs anzupassen. Die erste Demonstration dieser Techniken wurde zur Erforschung der Spindynamik angewendet, wo eine Spin-polarisierten STM verwendet wurde, um die Entspannung Dynamik der Spinzustände aufgeregt von der Pumpe Impulse11messen. Bis vor kurzem seine Anwendung blieb beschränkt auf magnetische Adatom Systeme12,13,14 , hat aber seit dem Studium der Träger Aufnahmerate von einer diskreten Mid Lücke erweitert15 staatliche und Dynamik berechnen der einzelnen Arsen Dotierstoffe in Silizium15,16. Die letztere Studie liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit.

Studien über die Eigenschaften der einzelnen Dotierstoffe Halbleiter haben vor kurzem erhebliche Aufmerksamkeit erregt, weil komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) betreten jetzt das Regime wo einzelne Dotierstoffe Geräteeigenschaften17 Einfluss auf . Darüber hinaus haben mehrere Studien gezeigt, dass einzelne Dotierstoffe die grundlegende Komponente der zukünftige Geräte, zum Beispiel als Qubits für Quantum Computation18 und Quantum Speicher19sowie als einzelnes Atom Transistoren20 dienen kann , 15. Zukunft Geräte können auch andere atomarer Skala Mängel, wie z. B. das Silizium dangling Bond (DB) die mit atomarer Präzision mit STM Lithographie21angeordnet werden kann enthalten. Zu diesem Zweck DBs als kostenlos Qubits22, Quantenpunkte für Quantum zelluläre Automaten Architekturen23,24, atomare Drähte25,26 vorgeschlagen worden und haben erstellen gemustert worden Quantum Hamiltonian Logik Tore27 und künstliche Moleküle28,29. Nach vorne verschieben, können Geräte einzelne Dotierstoffe und DBs zu integrieren. Dies ist eine attraktive Strategie, denn DBs Oberflächenfehler, die problemlos mit STM gekennzeichnet und als Griff verwendet werden, um einzelne Dotierstoff Geräte zu charakterisieren. Als ein Beispiel für diese Strategie DBs in diesem Werk kostenlos Sensoren dienen als die Ladestation Dynamik der oberflächennahen Dotierstoffe abzuleiten. Diese Dynamik werden mit dem Einsatz eines All-elektronischen Ansatzes für TR-STM erfasst, die von den von Loth Et Al. entwickelten Techniken angepasst ist 11

Messungen werden auf ausgewählten DBs auf einer Wasserstoff beendet Si(100)-(2x1) Oberfläche ausgeführt. Ein Dotierstoff Raumladungszone Verlängerung ca. 60 nm unter der Oberfläche erstellt durch thermische Behandlung der Kristall30entkoppelt die DB und die paar restlichen oberflächennahe Dotierstoffe von Bulk-Bands. STM Studien des DBs haben festgestellt, dass ihre Leitfähigkeit Gesamtprobe Parameter, wie die Konzentration der Dotierstoffe und der Temperatur abhängig, aber einzelne DBs auch starke Schwankungen je nach ihrer Umgebung16 zeigen. Während eine STM-Messung über einen einzigen DB, unterliegt der Stromfluss die Rate, mit der Elektronen von der Masse der DB (ΓMasse) und von der DB bis zur Spitze (ΓSpitze Tunneln können) (Abbildung 1). Da die Wärmeleitung der DB auf seine Umgebung reagiert, beeinflusst der Ladezustand des nahe gelegenen Dotierstoffe aber ΓMasse (Abbildung 1 b), die durch die Überwachung der DB Leitwert abgeleitet werden kann. Infolgedessen der Leitwert eines DB kann verwendet werden, um die Ladungszustände des nahe gelegenen Dotierstoffe zu spüren und kann verwendet werden, um festzustellen, liegen die Preise bei der die Dotierstoffe sind Elektronen von der Masse (ΓLH) und verlieren sie bis zur Spitze der STM (ΓHL < / c13 >). Um diese Dynamik zu beheben, wird TR-STS durchgeführt, um die Schwelle Spannungen (VThr) an der Spitze Ionisierung der oberflächennahen Dotierstoffe induziert. Die Rolle der Pumpe und Sonde Impulse ist in die drei zeitaufgelösten experimentelle hier vorgestellten Techniken gleich. Die Pumpe bringt vorübergehend die Bias Ebene von unten oben VThr, dem Dotierstoff Ionisation induziert. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit der DB, die durch die Prob-Puls abgetastet wird, die auf eine geringere Tendenz folgt.

In diesem Artikel beschriebenen Techniken profitieren diejenigen, die Dynamik auf die Millisekunde genau zu Nanosekunden Zeitskala mit STM auftretenden charakterisieren. Obwohl diese Techniken nicht auf Untersuchung kostenlos Dynamik begrenzt sind, ist es entscheidend, dass die Dynamik über vorübergehende Änderungen in den Leitwert von Staaten manifestiert sind, die von STM (d. h. Staaten auf oder nahe der Oberfläche) sondiert werden kann. Wenn der Leitwert der Übergangszuständen nicht deutlich von den Gleichgewichtszustand unterscheidet so, dass der Unterschied zwischen der Transienten und Gleichgewicht Strömungen multipliziert ist das Tastverhältnis Sonde Puls kleiner als das Hintergrundrauschen Systeme (in der Regel 1 pA), das Signal wird in den Lärm verloren und werden nicht von dieser Technik erkannt. Da die experimentelle Änderungen der im Handel erhältlichen STM-Anlagen erforderlich, um die in diesem Artikel beschriebenen Techniken auszuführen bescheiden sind, ist davon auszugehen, dass diese Techniken der Community allgemein zugänglich sein werden.

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Protocol

1. die Ersteinrichtung des Mikroskops und Experimente

  1. Beginnen Sie mit einem ultrahigh Vakuum-Kryo-fähigen STM und die damit verbundenen Steuerungssoftware. Die STM zu kryogenen Temperaturen abkühlen.
    Hinweis: In diesem Bericht Ultrahochvakuum bezeichnet Systeme, die zu erreichen < 10 x 10-10 Torr. Die STM sollte zur kryogenen Temperaturen abgekühlt werden; Dies ist besonders wichtig, wenn die Ladung Dynamik der Dotierstoffe, untersucht die bei geringen Temperaturen thermisch aktiviert werden. Andere Kammern können bei Raumtemperatur sein.
  2. Sicherstellen Sie, dass die STM-Spitze mit Hochfrequenz-Verkabelung (~ 500 MHz) ausgestattet ist.
    Hinweis: Mithilfe von Puls Gestaltung Methoden wurde eine große Zunahme des Zeitverhaltens von STM mit kryogenen Standardtemperatur koaxiale Verkabelung (~ 20 MHz) durch Grosse Et Al. berichtet 31
  3. Schließen Sie eine beliebige Funktionsgenerator mit mindestens zwei Kanälen an der Spitze (Abbildung 2), die verwendet wird, um die Zyklen der Spannung Puls Paare verwendet für Pumpe-Sonde Experimente vorzubereiten.
  4. Konfigurieren Sie die willkürliche Funktionsgenerator so, dass die Pumpe und Sonde Spannungsimpulse unabhängig erzeugt und fasste vor gefüttert in der Spitze.
  5. Gelten Sie die DC-Bias-Spannung für Bildgebung und konventionellen Spektroskopie zur Probe (VDC) verwendet.
  6. Schließen Sie zwei Hochfrequenz-Schalter an der willkürlichen Funktionsgenerator Ausgabekanäle.
  7. Konfigurieren Sie die Schalter, so dass die Spitze bei STM Bildgebung und konventionellen Spektroskopie geerdet werden wird, und die effektive Vorspannung VDC + VSpitze während der Pumpe-Sonde Experimente (Abb. 4A).
  8. Sammeln der Tunnelstrom für alle Messungen durch einen Vorverstärker verbunden zur Probe.

2. Vorbereitung der H-Si(100)-(2x1) Rekonstruktion

  1. Cleave eine Probe aus einem 3-4 mΩ·cm n-Typ Arsen dotiert Si(100) Wafer durch Kratzen der Rückseite des Wafers mit einer Silizium-Karbid Scriber und die Probe aus dem Wafer mit Glas-Objektträger vorsichtig einrasten.
  2. Befestigen Sie die Probe auf eine STM-Probenhalter und eine höchste Vakuumkammer angrenzend an die STM-Kammer vorzustellen.
  3. Entgasen Sie die Probe, indem ohmisch erhitzen bis 600 ° C (ein Pyrometer kann verwendet werden, um die Probentemperatur überwachen) und halten bei dieser Temperatur für mindestens 6 h im Ultrahochvakuum.
    Hinweis: Der Druck steigt zunächst, wie die Probe und Probenhalter entgasen, sondern sollte in der Nähe der Basisdruck stabilisieren (< 10-10 Torr) nach mehreren Stunden.
  4. Lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen, bevor Sie fortfahren.
  5. Entgasen Sie ein Wolfram-Glühfaden im gleichen Raum wie die Probe durch ohmisch das Filament bis 1800 ° C erhitzen und warten auf das System wiederherstellen, Basisdruck. Schalten Sie das Filament, bevor Sie fortfahren.
    Hinweis: Die Probe kann in der Kammer während dieses Schrittes bleiben, weil es durch die native Oxidschicht auf der Oberfläche passiviert ist und jegliche Verunreinigung der Oberfläche der Probe von diesem Schritt verursacht werden anschließend entfernt. Das Filament Temperatur müssen kalibriert werden, um einen bestimmten Strom/Spannung auf das Filament mit einem Pyrometer angewendet.
  6. Entfernen Sie das Oxid aus der Probenoberfläche durch Blinken der Probe auf 900 ° C und halten es bei dieser Temperatur für 10 s vor Abkühlung auf Raumtemperatur. Der Druck wird mehrere Größenordnungen von der Basisdruck während des blinkenden Verfahrens erhöhen. Warten Sie nach jeder von den Blitzen während dieses Verfahrens gefunden auf die Probe abkühlen auf Raumtemperatur und das System wiederherstellen, Basisdruck bevor Sie fortfahren.
    Hinweis: Flashen versteht man in diesem Bericht als Heizung und Kühlung der Probe mit hohen Rampe Preise in der Größenordnung von 100 ° C/s.
  7. Flash-nach und nach der Probe zu höheren Temperaturen beim Versuch, einen endgültigen Blitz von 1250 ° c erreichen Brechen Sie jeder Blitz ab, wo steigt der Druck über 9 x 10-10 Torr zu verhindern, dass die Oberfläche der Probe verunreinigt immer. Notieren Sie die Spannung/Strom zur Erreichung der 1250 ° C flash (das Licht durch die beheizte Glühdraht in Schritt 2.6 gegeben wird verhindert, dass ein Pyrometer geben eine genaue Messung der Temperatur der Probe, und so sollte dieser Sollwert verwendet werden). Bestimmen Sie auf dem letzten Blitz die Spannung/Strom benötigt, um die Probe bis 330 ° C erhitzen, da der Kristall gekühlt wird, dann lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen, und lassen Sie das System wiederherstellen Basisdruck bevor Sie fortfahren.
  8. Austreten Sie H2 Gas in die Kammer mit einem Druck von 1 x 10-6 Torr und erhitzen Sie die Wolfram-Glühfaden bis 1800 ° C.
    Hinweis: Dies hat den Effekt der Rissbildung der H-2 bis Atmoic Wasserstoff32.
  9. Halten Sie die Probe unter diesen Bedingungen für 2 min vor dem Flashen der Probe bis 1250 ° C, , hielt sie bei dieser Temperatur für 5 s und abkühlen bis 330 ° C.
  10. Nach 1 min Belichtung bei 330 ° C gleichzeitig schließen Sie H2 Leck Ventil, deaktivieren Sie den Wolframheizfaden und lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen.
    Hinweis: Diese Flash-Temperaturen beeinflussen die Verteilung der Dotierstoffe in der Probe. Heizung bis 1250 ° C wurde festgestellt, eine Raumladungszone in der Nähe der Probe Oberfläche30~ 60 nm Dotierstoff induzieren.
  11. Überprüfen Sie die Sample-Qualität von STM Bilder der Oberfläche.
    Hinweis: Gute Beispiele müssen große (> 30 nm X 30 nm) Terrassen mit einer Fehlerrate von < 1 % (baumelt adsorbierten Molekülen, Adatoms, Anleihen, etc.) und die klassischen Si(100)-(2x1) Wiederaufbau32, verfügt über Dimer Zeilen zeigen quer antiparallel zueinander Stufenkanten (Abb. 3 b).

3. die Beurteilung der Qualität der Pumpe-Sonde Impulse an der Tunnel-Kreuzung

  1. Nähern Sie die STM-Tipp auf der Probenoberfläche durch die Einbindung der aktuellen Rückkopplungsregler mit einem aktuellen Sollwert von 50 pA und bei einer Probe-Neigung von -1,8 V.
    Hinweis: Unter diesen Bedingungen die Spitze wird voraussichtlich < 1 nm von der Probenoberfläche. Die STM-Tipp in dieser Arbeit verwendet wurde durch chemisch Ätzen polykristallinen Wolfram hergestellt. Es wurde geschärft, weiter mit einem Stickstoff Ätzen Verfahren, das in Rezeq Et Al. beschrieben ist 33.
  2. Suchen Sie einen Bereich auf der Oberfläche der Probe frei von großen Oberflächenfehler durch Einnahme von großflächigen Scans (z. B. 50 nm X 50 nm).
  3. Position der STM Umkippen eines H-Si auf der Oberfläche, die erscheinen als Dimer Zeilen in STM Bilder (Abb. 3 b).
  4. Schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler
  5. Set VDC -1,0 V, VPumpe -0,5 V, V-Sonde -0,5 V, die Breite der Pumpe und Sonde Impulse bis 200 ns und zugleich steigen/fallen der Impulse auf 2,5 ns (Abb. 4A).
  6. Eine Reihe von Zügen der Pumpe und Sonde Impulse zu senden, wo die relative Verzögerung der Pumpe und der Sonde von-900 gefegt ns bis 900 ns.
  7. Plot der Tunnelstrom als Funktion der Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde. Es wird wahrscheinlich zeigen starke klingelnde (Oszillationen in der Tunnelstrom in Abhängigkeit von der relativen Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde Pulsen, Abbildung 4 b).
    Hinweis: Python und Herkunft Software wurden verwendet, um Grundstück, analysieren und Auswerten der Daten für diese Handschrift.
  8. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 bis 3.5, aber erhöhen Sie die Zeiten steigen/fallen der Impulse zu. Das Klingeln wird zurückgehen, da die steigen/fallen Mal erhöht werden.
    Hinweis: Es ist gewünscht, zu beseitigen, klingeln, um die genauesten spektroskopische Ergebnisse liefern, jedoch die zeitliche Auflösung dieser Techniken beschränkt sich auf die Breite der Impulse verwendet. 25 ns Anstiegszeiten wurden für diese Arbeit verwendet.

(4) zeitaufgelöste Scanning Tunneling Spectroscopy (TR-STS)

  1. Position der STM Umkippen einer Silizium DB, die erscheinen als helle Vorsprünge an negativen Spitze-Probe-Vorurteile (Abb. 3 b).
  2. Schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler STM.
  3. Senden Sie ein Zug, bestehend aus nur die Prob-Puls mit einer Wiederholrate von 25 kHz. Über eine Reihe von Impulsfolgen, fegen die Vorspannung der prob-Puls über einen Bereich von 500 mV aus dem DC-Bias -1,8 V.
    Hinweis: Dieses einfache Experiment ist analog zu konventionellen STS wo der Leitwert über einen Bereich von Vorspannungen gesampelt wird.
    1. Die Dauer der Impulsfolgen (jeweils mit einem anderen Bias) so konfigurieren, dass die resultierenden Spektren ein Signal Rauschabstand haben > 10.
  4. Senden Sie ein Zug, bestehend aus Pumpe Impulse auf einer festen Vorspannung eingestellt (so dass VDC + VPumpe > VThr) mit einer Wiederholrate von 25 kHz. In diesen Experimenten soll die VDC VPumpeund VThr -1,8 V, 500 mV und -2,0 V, beziehungsweise.
    Hinweis: Pumpe Impulse können beliebig lange Laufzeiten haben (1 µs ist normalerweise ausreichend).
  5. Senden Sie ein Zug, bestehend aus der Pumpe Impulse mit der Sonde Impulse, gefolgt von einer Verzögerung von 10 ns. In diesen Experimenten, legen Sie die Amplitude der Pump-Puls als 500 mV und der Sonde Puls Austragung von 50 bis 500 mV.
    Hinweis: In diesem Experiment ist prob-Puls der Staat durch die Pump-Puls vorbereitet, anstatt der herkömmlichen STS in der Stichprobe Gleichgewichtszustand abtasten.
    1. Subtrahieren Sie das Signal erhält man, wenn nur die Pump-Puls angewendet wurde, wenn das Signal von diesem Schritt gesammelt anzeigen/auswerten.
  6. Vergleichen Sie die Sonde nur und die Pumpe + Sonde signalisiert durch Plotten sie in der gleichen Grafik. Hysterese in den beiden Signalen ist ein Hinweis auf Dynamik, die mit zeitaufgelösten STM Techniken geprüft werden können.
    Hinweis: Durch das Leistungsspektrum der prob-Puls fest zu halten und grob Scannen der DC kann Offset (in 0,25 V Schritten, zum Beispiel), man effizient die gesamte Energiespektrum der Probe, Dynamik der Technik zugänglich zu identifizieren zuordnen. Pulsdauern können je nach dem Experiment geändert werden. Die Breite des Pump-Puls muss länger als die Rate, an der der Dotierstoff ionisiert wird, so dass es konsequent den Dotierstoff ionisiert. Im Allgemeinen sollten Sonde Dauer der gleichen Reihenfolge wie die dynamischen Prozess unter Studie, so sein, daß das maximale Signal ohne Probenahme durchschnittlich zwei Leitwert Staaten gemessen werden kann. Wenn vorhanden sind auf der Suche nach Energien auf die Dynamik, empfiehlt es sich, dass die Dauer der Sonde minimiert werden, so dass nur ein Zustand des Systems gemessen wird, um die Hysterese zu verbessern. Sobald die Relaxationszeit konstanten gefunden werden, kann die Sonde Impulsdauer erhöht werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

(5) zeitaufgelöste STM-Messungen der Entspannung Dynamik

  1. Positionieren Sie die STM-Tipp über ein Silizium DB und schalten Sie den aktuellen Rückkopplungsregler STM.
  2. Senden Sie ein Zug, bestehend aus Pumpe Impulse auf einer festen Vorspannung eingestellt (so dass VDC + VPumpe > VThr) mit einer Wiederholrate von 25 kHz. In diesen Experimenten soll die VDC VPumpeund VThr -1,8 V, 400 mV und -2,0 V, beziehungsweise.
    Hinweis: Pumpe Impulse können beliebig lange Laufzeiten haben (1 µs ist normalerweise ausreichend).
  3. Einen Zug der Pumpe und Sonde Impulse zu senden. Sicherzustellen, dass die Sonde Impulse eine Amplitude kleiner als die Pumpen und vergleichbar mit den Bereich bei der Hysterese auftritt (VSonde < VPumpe, VSonde + VDC≈ VHystersis).
  4. Fegen Sie die Verzögerung zwischen der Pumpe und Sonde Puls bis zu mehreren Dutzend µs.
  5. Subtrahieren Sie das Signal erhält man, wenn nur die Pump-Puls angewendet wurde. In diesen Experimenten soll die VDC, V-Pumpeund V-Sonde -1,8 V, 400 mV und 210 mV, beziehungsweise. Legen Sie die relative Verzögerung Sweep von-5 μs auf 35 µs.
    Hinweis: Wenn das Signal entnommen der vorherige Schritt ist gut angepasste (R2 > 0,80) von einer einzigen exponentiellen Zerfall Funktion, dann die Lebensdauer des Übergangszustands vorbereitet durch den Pump-Puls kann aus der Fit extrahiert werden.

(6) zeitaufgelöste STM-Messungen der Erregung Dynamik

  1. Senden Sie ein Zug, bestehend aus Pumpe Impulse auf einer festen Vorspannung eingestellt (so dass größer als VDC + VPumpe > VThr) mit einer Wiederholrate von 25 kHz. In diesen Experimenten soll VDC und VThr -1,8 V und -2,0 V, beziehungsweise. V-Pumpe zwischen 220 und 450 mV eingestellt.
  2. Fegen Sie die Pumpe Impulsdauer von mehreren Nanosekunden bis mehrere hundert Nanosekunden.
  3. Einen Zug der Pumpe und Sonde Impulse zu senden. Die Sonde Impulse sollten eine Amplitude kleiner als die Pumpen und vergleichbar mit den Bereich bei der Hysterese auftritt (VSonde < VPumpe, VSonde + VDC≈V Hystersis). In diesen Experimenten soll VSonde 210 mV.
  4. Subtrahieren Sie das Signal erhält man, wenn nur die Prob-Puls angewendet wurde.
    Hinweis: Wenn das Signal erhalten exponential ist, es zeigt, dass der Pump-Puls der Übergangszustand (ionisierte Dotierstoff) mit einer Rate bereitet, die die Passform entnommen werden kann (R2> 0,80). Das oben beschriebene Protokoll ist spezifisch für die Experimente und die hierin beschriebene Ausstattung. Es gibt viele mögliche Wege für die Leser ihre eigenen Versuchsaufbau für Studien anderer Systeme anpassen. Beispielsweise sind die allgemeinen Techniken nicht auf tiefkalt gekühlten STMs beschränkt; jede Spitze Material kann verwendet werden, und sie benötigen keine Stickstoff-Radierung. Darüber hinaus könnte ein entsprechend programmierte willkürliche Funktionsgenerator verwendet werden, um Doppel-Puls Wellenformen zu erzeugen, die die Notwendigkeit, zwei unabhängige Kanäle sum zunichte machen würde. Zu guter Letzt könnte niedriger Bandbreite Verkabelung verwendeten31.

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Representative Results

In diesem Abschnitt des Textes dargestellten Ergebnisse wurden bisher veröffentlichten15,16. Abbildung 3 veranschaulicht das Verhalten eines ausgewählten Beispiels DB mit konventionellen STM. Eine konventionelle I(V)-Messung (Abb. 3A) zeigt deutlich eine drastischen Veränderung der Leitwert der DB am VThr = -2,0 V. Dieses Verhalten ist auch bei STM Aufnahmen mit -2,1 V (Abb. 3 b, links), -2,0 V (mittleren Feld) und -1,8 V (rechte Abbildung), wo die DB hat das Aussehen einer hellen Protrusion, einer gesprenkelten Protrusion und eine dunkle Depression bzw. beobachtet. Dieser Übergang kann auch beobachtet werden, durch die Betrachtung der Tunnelstrom gesammelt mit dem Tipp direkt auf die DB mit dem Z-Controller ausgeschaltet und die Vorspannung soll VThr, die Ergebnisse in zwei Ebenen Lärm (Abbildung telegraph positioniert 3 C). entscheidend ist, bei diesen Messungen wurde die Spitze der STM direkt über die DB gelegt. In dieser Anordnung die Fluktuation der Ladezustand der DB tritt auf Zeitskalen unten e / IT = 2ns, was sehr viel schneller als die Umschaltung beobachtet. Als solche ist das beobachtete Verhalten zurückzuführen auf die Ladestation Dynamik des nahe gelegenen Dotierstoffe betrifft den Leitwert der DB. Es ist wichtig zu beachten, dass, weil es in die erweiterten Wellenfunktion des DB Mitte Lücke Energie heißt Akt als eine Brücke, Elektronen aus der Masse Leitungsband an der Spitze, das beobachtete Verhalten ist nur ein scheinbarer durchzuführen, wenn die Spitze direkt über der DBs platziert wird. Da die Vorspannung erhöht wurde, die Frequenz des Rauschens Telegraph auch stark gestiegen, so dass auf-2.02 V, das Schaltverhalten nicht mehr direkt durch die STM Vorverstärker gelöst werden könnten. Dies motiviert die Verwendung von zeitaufgelösten scanning tunneling Microscopy (TR-STM) und zeitaufgelöste scanning tunneling Spektroskopie (TR-STS).

Abbildung 4 zeigt eine Methode, die verwendet werden kann, zur Bewertung der Qualität der Impulse an der Kreuzung geliefert. Klingeln wird beobachtet, wenn schnelle Anstiegszeiten für die Pumpe und Sonde Impulse durch das Impedance Mismatch zwischen die STM-Schaltung und der Tunnel Kreuzung verwendet werden. Kreuzkorrelation der Pumpe und Sonde Impulse kann erzeugt werden, durch kehren die relative Verzögerung der prob-Puls durch Null-Verzögerung. Eine starke Zunahme der Tunnelstrom tritt auf, wenn die Pumpe und Sonde Impulse aufgrund des charakteristischen nichtlinearen Verhaltens der I(V) Messungen überlappen. Klingeln manifestiert sich durch kleinere Amplitude Schwingungen in den Tunnelbau aktuelle auf beiden Seiten des Ursprungs. Durch die Erhöhung der Anstiegszeiten auf die Impulse von 2,5 ns bis 25 ns, eine starke Unterdrückung der Beringung wird beobachtet. Den relativen Abstand der Signale generiert mit jedem Puls Anstiegszeit ergibt sich aus der Tatsache, dass die Impulsbreite gemessen wird, um die Anstiegszeiten der Impulse erweitert. Daher Impulse mit 2,5 ns Anstiegszeiten haben eine integrierte Großraum und daher eine größere integriert aktuelle, im Vergleich zu Impulse mit 25 ns Anstiegszeiten. Dies unterstreicht den quantitativen Vergleich der TR-STM Messungen sollte nur durchgeführt werden, wenn die Anstiegszeiten der Impulse verwendet gleich sind.

Abbildung 5 zeigt TR-STS. Bei diesen Messungen bringt ein Pump-Puls vorübergehend das System über VThr, und sofort, nachdem ein Prob-Puls den Leitwert des Übergangszustands verhört. Durch Subtraktion des Signals mit Sonde nur aus dem Signal mit Pumpe + Sonde erhalten erworben, kann der Leitwert des Übergangszustands zugeordnet werden. Wenn die Pumpe + Sonde und Sonde nur Signale direkt verglichen werden, ist Hysterese bezeichnend für dynamische Prozesse, die von TR-STS sondiert werden können. Ändern Sie den Wert von der festen Offset DC-Bias, kann die Dynamik des Systems, die von TR-STS sondiert effizient identifiziert werden.

Im TR-STS ist es wichtig, die Dauer der Pumpe und Sonde Impulse zu berücksichtigen. Die Pump-Puls sollte lang genug, um einen stabilen Zustand des Systems zu induzieren (d. h. in der hohen Leitwert Staat Pumpen). Wenn die Sonde Impulsdauer zu lang ist, jedoch entspannen dann bei niedrigen Sonde Amplituden der Leitwert der DB während der Messung. In diesem Fall werden die Prob-Puls probieren Sie beide die hohen und niedrigen Leitwert Staaten der DB und reduziert die Sichtbarkeit der Hysterese. Um die Sichtbarkeit der Hysterese zu maximieren, sollte daher die Sonde Impulsdauer kürzer als die Entspannung bei den hohen Leitwert Zustand.

Abbildung 6 zeigt die zeitaufgelöste Messungen der Dotierstoff Entspannung und Anregung Dynamik. Wie TR-STS die Probe auf eine feste DC-Offset-Bias unter VThrfestgelegt ist und die Pumpe Impulse bringen vorübergehend das System oben VThr. Entspannung Dynamik wurden sondiert durch kehren die relative Verzögerung der Sonde Impulse (Abb. 6A). Passend ein Grundstück von der Sonde in Abhängigkeit von der relativen Verzögerung (Abb. 6 b) aktuelle mit einer einzigen exponentiellen Zerfall erlaubt ΓHL extrahiert werden. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Rate wird nie für einen einzigen Zyklus beobachtet, eher ΓHL wird abgeleitet aus der Zeit gemittelt tunneling-Strom, der aus vielen Veranstaltungen besteht. Dies ist analog zu optischen Spektroskopie, wo kann die Lebensdauer von einem angeregten Zustand von Einzelmessungen eines Ensembles bestimmt werden, mit der Ausnahme, dass in diesem Fall die Lebensdauer der einzelnen Dotierstoff durch ein Ensemble von Messungen charakterisiert werden kann weil es kann direkt von der STM Spitze sondiert werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Sonde aktuelle beobachtet in Abbildung 6 b nicht auf Null, sondern auf einem festen Offset zerfallen ist. Und zwar deshalb, weil die Pump-Puls Dynamik (zu beobachten als die Millisekunde-Skala Telegraph Rauschen in Abbildung 3) erregt, die nicht innerhalb des Zeitrahmens Messung Verfall zu tun. Dies bedeutet, dass der Leitwert der DB unter Studie von zwei Dotierstoffe mit deutlichen Entspannung Zeitkonstanten eingezäunt ist. Abbildung 6 zeigt ein Kontrollexperiment, wo die Amplitude der Pumpe von -0,25 V bis -0,6 V variiert wird. Eine Änderung in der Lebenszeit der ionisierten Zustand, als eine Funktion der Pumpe Amplitude, würde bedeuten, dass zusätzliche dynamische Prozesse schließen in Energie, VThrvorhanden. Weil ΓHL jenseits-2.05 V konstant ist, wird der Schluss gezogen, dass nur die Ladungszustände von zwei identifizierten Dotierstoffe den Leitwert der DB Anspritzung sind.

Erregung Dynamik wurden untersucht, durch die Kehrbreite von Pump-Puls (Abbildung 6). Γ LH wurde eine exponentielle Passform der aktuellen Zeit gemittelt als Funktion der Pumpe Breite (Abb. 6E) entnommen. Wenn die gepumpte Vorspannung VThrnicht überschreitet, gibt es keine beobachtete Abhängigkeit zwischen der Pumpe Breite und den Tunnelbau aktuelle weil die Dotierstoffe neutral bleiben. Überschreitet die gepumpte Vorspannung VThr, kann ein Elektron aus der Dotierstoff bis zur Spitze verlassen den Dotierstoff ionisiert tunnel. Durch die Kehrbreite von der Pumpe, ist der durchschnittliche Zinssatz, zu dem der Dotierstoff ionisiert wird, abgebildet. Abbildung 6F untersucht die Abhängigkeit des ΓLH in Abhängigkeit von der Pumpe Amplitude. Wenn ein DB durch einen einzigen Dotierstoff eingezäunt ist, soll ΓLH exponentiell mit der Pumpe Amplitude über Bias Gesamtsortiment16skalieren. Dies wird erwartet, da der Dotierstoff Ionisation Rate exponentiell auf die Stärke der lokalen elektrischen Feldes abhängt, die mit der Vorspannung angewendet an der Spitze skaliert. DB1, die der DB studierte in allen vorherigen Figuren ist, zeigt eine exponentielle Abhängigkeit zwischen-2.1 V-2.25 V und einen Schritt auf-2.05 V. Dieser Schritt ist ein weiterer Beweis, dass DB1 von zwei nahe gelegenen Dotierstoffe eingezäunt ist. Eine exponentielle Abhängigkeit wurde für DB2 über den Bereich V -1,3 bis -1,6 V, darauf hinweist, dass es einen einzigen Dotierstoff gated beobachtet. DB2 nicht aufweisen, Dynamik jenseits der Millisekunde Zeitskala und wurde daher nicht mit den anderen zeitaufgelösten Techniken untersucht.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische des Systems der Studie und die damit verbundene Energie Diagramm. (A) die aktuelle Stichprobe durch die STM Spitze direkt auf einem Siliziumwafer positioniert, dass DB vorwiegend aus Elektronen bestehen aus den Großteil der DB und DB an der Spitze, mit Raten ΓMassen- und ΓSpitze, besteht bzw.. Arsen Dotierstoffe, vertreten durch grünen Kugeln, auch haben (ΓHL) befüllen und entleeren Raten (ΓLH), die von zeitaufgelösten STM Messungen untersucht werden können. (B) wird die Wärmeleitung Bandrand in Anwesenheit einer ionisierten Dotierstoffen (grüne Kurve) relativ zum heruntergezogen wird der Dotierstoff Neutral (schwarze Kurve), führt zu einer erhöhten Leitwert. Das Energie-Diagramm wurde Stichprobenverzerrungen von -2,0 V berechnet. Der blaue farbige Bereich stellt die gefüllten Zustände dar. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Rashidi Et Al. übernommen 16 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: die erforderlichen Änderungen, die an einer kommerziellen STM vorgenommen werden müssen, so dass TR-STM mit den in dieser Arbeit beschriebenen Methoden ausgeführt werden kann. Ein DC-Offset-Bias auf der Probe angewendet wird, und während STM Bildgebung und konventionellen Spektroskopie, die STM Spitze geerdet. Wenn für zeitaufgelöste Messungen verwendet, werden die Signale durch eine willkürliche Funktionsgenerator mit zwei unabhängigen Kanälen erstellt summiert und gefüttert bis zur Spitze der STM, die mit Hochfrequenz-Verkabelung ausgestattet werden muss. Zwei Hochfrequenz-Schalter dienen zur Steuerung der Impulsfolgen. Der Tunnelstrom wird auf der Seite der Probe gemessen. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Rashidi Et Al. übernommen 16 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: die spektroskopische Verhalten eines ausgewählten DB mit konventionellen STM. (A) eine I(V) Messung über die DB auf konstanter Höhe gesammelt. (B) Konstantstrom-STM-Bilder von der DB über (-2,1 V, links), bei (-2,0 V, Mitte) und unten (-1,8 V, rechts) die Schwellenspannung. Dimer Zeilen der H-Si(100)-(2x1) Rekonstruktion erscheinen als Barren. (C) mit dem aktuellen Feedback zeigt Controller der STM aus aktuelle Zeit spurlos über die DB bei der Schwellenspannung (-2.01 V) erworbene Zweistaaten-Telegraph Lärm auf die Millisekunde Zeitskala. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Rashidi et. al. übernommen 16 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: eine Kreuzkorrelation der Pumpe und Sonde Impulse an der Kreuzung Tunnel. (A) schematische Darstellung der Kreuzkorrelation Impulsfolgen. Die Probe wird ein statische DC-Offset-Bias (grüner Balken). Die relative Verzögerung zwischen der Pumpe Impulse (roter Balken) und die Sonde Impulsen (blaue Balken) wird durch Null Verzögerung gefegt. Jedes Paar der Pumpe und Sonde Impulse stellt einen Zug von Impulsen geschickt, um die Spitze. (B) die Spitze über H-Si positioniert und ein Zug der Pumpe-Sonde Paare bis zur Kreuzung Tunnel geliefert. Die relative Verzögerung der Sonde ist von der Hinterkante der Pumpe auf der Vorderkante der Sonde gemessen und war von-900 gefegt ns bis 900 ns. Ein statische DC-Offset von -1,0 V wurde auf der Probe angewendet. Pumpe und Sonde Amplituden wurden -0,50 V 200 ns breiten vertont. Gleichzeitig steigen/fallen von den Impulsen wurde gegründet um 25 ns (schwarz), 10 ns (rot) und 2,5 ns (blau). Die aktuelle Sonde wurde multipliziert mit einem Faktor von 20 bis 5 % Einschaltdauer beschäftigt bei der Messung berücksichtigt, jedoch wurde kein Versuch unternommen, die Tatsache zu korrigieren, dass die integrierten Bereiche jedes Impulsfolge unterscheiden. Einschub: eine vergrößerte Ansicht des Ruftons zwischen 0 und 900 ns relative Verzögerung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: zeitaufgelöste scanning tunneling I(V) Spektroskopie (TR-STS). (A) schematische Darstellung der TR-STS-Impulsfolgen. Die Probe wird ein statische DC-Offset-Bias (grüner Balken). Pumpe Impulse (roter Balken) vorausgehen Sonde Impulse (blaue Balken). Jedes Paar der Pumpe und Sonde Impulse stellt einen Zug von Impulsen geschickt, um die Spitze. (B) TR-STS-Messung mit 1 µs breite Pumpe und Sonde Impulse. Die Hysterese zwischen den Kurven ohne Pumpe (rote Dreiecke) und mit der Pumpe (blaue Kreise) überschneidet sich den Bias Bereich, wo das System bistabil. Die DC-Bias auf-1.80 V festgelegt ist und die Pumpe Vorspannung ist -0,50 V der Sonde Bias wurde von 500 auf 50 gefegt mV. Die Impulse haben gestiegen und gefallen Mal von 25 ns, die relative Verzögerung zwischen der Schaufelkante der Pumpe und die Vorderkante des prob-Puls ist 10 ns und die Kalorienzahl Rate ist 25 kHz. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Rashidi et. al. übernommen 16 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6: zeitaufgelöste Messungen der Dotierstoff Anregung und Entspannung Dynamik. (A,D) Schaltpläne der Impulsfolgen. Die Probe wird ein statische DC-Offset-Bias (grüner Balken). Pumpe Impulse (roter Balken) vorausgehen Sonde Impulse (blaue Balken). Jedes Paar der Pumpe und Sonde Impulse stellt einen Zug von Impulsen geschickt, um die Spitze. (B) Messung der ΓHL erfolgt durch Abtasten der relativen Verzögerung der Pumpe und Sonde Impulse. Die Pumpe und Sonde Impulse haben breiten von 1 µs. Ein DC-Offset des-1.80 V wird zum Beispiel angewendet; die Pumpe und Sonde Impulse haben Amplituden -0,4 und-0.21 V, beziehungsweise. Die durchgezogene Linie ist eine Ergänzung der Daten mit einem einzigen Exponentialfunktion. (C) Messungen der ΓHL an verschiedenen Pumpe Amplituden. Fehlerbalken repräsentieren die Standardfehler der exponentiellen Armaturen. (E) die Messung von ΓLH erfolgt durch kehren die Dauer der Pumpe. Ein DC-Offset des-1.80 V gilt für die Probe und die Sonde Impulse haben eine Amplitude von-0.21 V. VThr für die ausgewählten DB-2.05 V ist. Die durchgezogene Linie ist eine Ergänzung der Daten mit einem einzigen Exponentialfunktion. (F) Messungen der ΓLH an verschiedenen Pumpe Amplituden für zwei ausgewählte DBs. DB1 (rote Dreiecke) ist der DB für alle anderen Messungen im Text verwendet. DB2 ist eine verschiedene ausgewählte DB und ist vollständig in Rashidi Et Al. beschrieben 16 durchgezogenen Linien sind passt der Daten mit einem einzigen Exponentialfunktion. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Rashidi Et Al. übernommen 16 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Die Variante des TR-STS in der Pump-Puls nicht angewendet wird ist vergleichbar mit herkömmlichen STS, abgesehen davon, dass das System mit einer hohen Frequenz, anstatt ständig abgetastet wird. Wenn die Dauer der Sonde Impulse geeignet sind (>ΓLH), TR-STS signal erworben ohne die Pump-Puls mit einer konstanten proportional auf das Experiment Einschaltdauer genau mit einem konventionellen STS zusammen multipliziert werden kann Messung. Dies ist nur möglich, weil die Messungen ohne den Einsatz von Lock-in-Verstärker gestellt werden, die sonst einen unbekannten Teil des Signals durch die Tiefpass-Filterung verwendet dämpfen würde. Dies ist ein signifikanter Unterschied zwischen den Methoden Loth Et al. 11 und denen, die in dieser Arbeit vorgestellt. Die Verwendung von einem Lock-in-Verstärker kann verwendet werden, um die Empfindlichkeit der Messung zu erhöhen, aber verhindert den direkten Vergleich der TR-STS mit konventionellen STS Messungen. In Systemen, in denen diese Sensibilität erforderlich ist, wird davon ausgegangen, dass beide Methoden könnte im Konzert mit dem Lock-in-Verstärker ausgeschaltet verwendet werden, so dass Experimentatoren effizient für Dynamik suchen können und der Lock-in-Verstärker eingeschaltet für Empfindlichkeit hinzugefügt während die Charakterisierung von Erregung und Entspannung Dynamik.

Der größte Nachteil dieser Verfahren ist, dass ihre zeitliche Auflösung derzeit auf mehreren Nanosekunden begrenzt ist. Das ist mehrere Größenordnungen langsamer als was mit Kreuzung mischen oder optischen Techniken erreicht werden kann. Dies ist eine Folge von Signal zu klingeln, die auftritt, wenn Spannungsimpulse mit Sub Nanosekunde Anstiegszeiten, durch das Impedance Mismatch zwischen der STM-Schaltung und dem Tunnel Ausfahrt31 verwendet werden. In der Tat, elektronische Methoden Zeitauflösung so fein wie 120 Ps34 erreicht aber noch nicht zu untersuchen, Dynamik bei dieser Auflösung verwendet wurde. Eine optimal ausgelegte STM hätte eine perfekt aufeinander abgestimmte der Impedanz STM Schaltung bis zur Kreuzung Tunnel, die perfekt stimmen nicht überein Impedanz wäre. Dies würde beseitigen Wettbewerbsverzerrungen und Ableitung des Impulses und würde reflektieren die Mikrowellenleistung, anstatt über die Kreuzung zu liefern. Eine mögliche Strategie, die sich daraus ergebenden Klingeln zu beseitigen wäre die STM-Schaltung zusätzliche Verlustleistung hinzu, so dass reflektiert, dass Impulse effektiv gedämpft werden würde.

In diesem Werk wurde das einfachste Verfahren aufgenommen, d. h. , keine internen Änderungen an der kommerziellen STM durchgeführt wurde. Eine Kreuzkorrelation Technik wurde verwendet, um charakterisieren das Klingeln, die dann durch die Erweiterung einfach die Anstiegszeiten der Impulse minimiert wurde. Da die Anstiegszeit der Impulse die zeitlichen Auflösung begrenzt, kann diese Strategie verwendet werden, um dynamische Vorgänge auf Fristen an den Grenzen dieser Techniken (mehrere ns) zu charakterisieren. In diesen Situationen kann Klingeln aktiv unterdrückt werden durch den Einsatz von Techniken entwickelt, um Grosse Et al. 31 , die Gestaltung die Impulse für die Übertragungsfunktion der willkürlichen Funktionsgenerator und der Tunnel Kreuzung Konto miteinbeziehen.

Die vollelektronische Annäherung an TR-STM hat viele Vorteile gegenüber anderen prominenten TR-STM-Ansätze. Erstens erfordert dieser Ansatz im Vergleich zur Kreuzung mischen STM, keine spezialisierte Probe Strukturen. Alle Proben, die mit herkömmlichen STM gescannt werden können sollte diese Techniken zugänglich sein. Darüber hinaus erfordert die vollelektronische Ansatz keine bedeutende Änderungen an den STM oder die Verwendung von ultraschnellen Optik. In der Tat sind die Änderungen an den STM-Schaltung erforderlich, um diese Techniken auszuführen äußerst bescheiden, da kommerzielle STMs mit Hochfrequenz-Verkabelung zur Verfügung stehen. Darüber hinaus sind die Dynamik, mit dem elektronische Ansatz sondiert rein lokal, wie die Impulse direkt an den STM-Tipp versorgt werden. Dies kontrastiert mit SPPX-STM, wo der Vorfall Laserpulse nur bis mehrere Quadratmeter Mikron fokussiert werden kann. Schließlich erlaubt die elektronische Methode die Möglichkeit, genau die Vorurteile der Pumpe und der Sonde, ermöglicht einen direkten Vergleich zu standard-STM-Messungen zu manipulieren. Dies ist zentral für mehrere der in diesem Artikel beschriebenen Techniken, und während es ähnliche Pulssequenzen in optischen Ansätze für TR-STM umgesetzt werden kann, ist es experimentell schwierig.

Die experimentellen Techniken, die hier vorgestellte Maßnahme kostenlos Dynamik mit atomarer Auflösung und Nanosekunden zeitlicher Auflösung. Es gibt eine Fülle von neuen Physik untersucht werden, dadurch sehr gut zu erreichen. Beispielsweise sind der Dynamik einzelner Atome technologisch faszinierend und wichtig. Einzelnes Atom Dynamik waren zuvor innerhalb der Grenzen der herkömmlichen STM untersucht, aber diese Technik öffnet die Tür für ähnliche Untersuchung über sechs weitere Größenordnungen (von Millisekunden zu Nanosekunden) verarbeitet. Vor allem, schließt dies die Lücke von den langsamen Ereignissen in der Regel in STM, beobachtet, um die grundlegenden Prozesse, die ihnen zugrunde liegen.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

Acknowledgments

Wir möchten danken Martin Cloutier und Mark Salomons für ihr technisches Know-how. Wir danken auch NRC, NSERC und AITF für finanzielle Unterstützung.

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

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References

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