Waiting
Login processing...

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

Engineering

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

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

Мы показываем все электронного метода с сканирующий туннельный микроскоп наблюдать динамику решена НС заряда примеси атомов кремния.

Abstract

Миниатюризация полупроводниковых приборов шкалы, где небольшое количество активаторов можно управлять свойствами устройства требует разработки новых методов, способных характеризующие их динамику. Расследование одного активаторов требует суб нанометра пространственным разрешением, которая стимулирует использование сканирующей микроскопии туннелирования (СТМ). Однако обычные STM ограничивается миллисекунды временного разрешения. Были разработаны несколько методов для преодоления этого недостатка, включая все электронные время решена STM, который используется в данном исследовании для изучения динамики примеси в кремнии с резолюцией НС. Представленные здесь методы широко доступны и позволяют местные измерения широкий спектр динамики атомного масштаба. Роман времени решена сканирование технология туннелирования спектроскопии представлена и используется для эффективного поиска динамики.

Introduction

Сканирование, туннелирование микроскопии (СТМ) стал премьер инструментом в нанотехнологий для его способности решать атомного масштаба топографии и электронной структуры. Одно ограничение обычных STM, однако, является его временное разрешение ограничивается миллисекунды сроки из-за ограниченной пропускной способности текущего предусилитель1. Он уже давно цель расширить STM в временное разрешение на весы, на которых часто происходят атомные процессы. Пионерские работы в раз решается сканирующей микроскопии туннелирования (TR-STM) Фримен et. al. 1 использовать светопроводящих переключатели и микрополосковые линии электропередачи узором на образце для передачи пикосекундных импульсов напряжения до перекрестка туннеля. Эта Джанкшн смешивание техника использовалась для достижения одновременного резолюций 1 Нм и 20 ps2, но он никогда не был широко принят из-за требования об использовании специализированных образец структуры. К счастью основные опыт из этих работ может быть обобщена на много времени решены методов; даже несмотря на то, что пропускная способность STM схемы ограничивается несколько килогерц, нелинейных ответ I(V) в STM позволяет быстрее динамика быть исследован путем измерения среднего туннеля текущего получено над много циклов насоса зонд. В последующие годы были изучены многие подходы, наиболее популярными из которых кратко рассматриваются ниже.

Потрясенный пульс пара возбужденных STM (SPPX) использует достижений в сверхбыстрого импульсных лазерных технологий для достижения резолюции Подкомиссии пикосекундной непосредственно светящиеся перекрестка туннеля и захватывающие перевозчиков в в образца3. Инцидент лазерный свет создает свободных носителей, которые временно повысить теплопроводности, и модуляции задержки между насосом и зонд (td) позволяет d,я/dtd измеряется с усилителем блокировки. Потому что задержка между насосом и зонд модулируется вместо интенсивности лазера, как и многие другие оптические подходы, SPPX-STM избегает фото освещение индуцированной теплового расширения отзыв3. Более поздние расширения этого подхода продлили сроки, над которой SPPX-STM может использоваться для изучения динамики, используя пульс рудоразборка методы для увеличения диапазона насоса зонд задержки раза4. Важно отметить, что это недавнее развитие также обеспечивает возможность измерения, я(td) кривых непосредственно, а не посредством численного интегрирования. Последние приложения SPPX-СТМ включают исследование несущей рекомбинации в одно-(Mn, Fe)/GaAs(110) структуры5 и доноров динамика в GaAs6. Применение SPPX-STM сталкиваются некоторые ограничения. Сигнал, который SPPX-STM мер зависит от свободных носителей возбуждается оптических импульсов и лучше всего подходит для полупроводников. Кроме того хотя туннелирование текущего локализован к кончику, потому что большой площади возбужденные оптических импульсов, сигнал является свертки свойств локальной и перевозки материалов. Наконец уклон на стыке фиксируется на шкалу измерений так, что динамика исследуемых должны быть фотоиндуцированной.

Более поздние оптической техники, терагерцевого STM (ТГц-STM), пары свободного пространства ТГц импульсов сосредоточена на стыке до кончика STM. В отличие от в SPPX-STM, спаренных импульсов ведут себя как импульсов напряжения быстро, позволяя для расследования электронно управляемые возбуждений с суб пикосекундной резолюции7. Интересно, что выпрямленный ток порожденных от импульсов ТГц результаты в экстремальных пик плотностях тока не доступны обычные STM8,9. Техника недавно использовался для изучения горячих электронов в Si(111)-(7x7)9 и изображения вибрации молекул одного Пентацен10. ТГц импульсы естественно пара на кончике, однако, необходимость интеграции ТГц источник STM эксперимент может быть сложным для многих экспериментаторов. Это мотивирует развитие других широко применяемых и легко осуществимых методов.

В 2010 году лот и др. 11 разработал все электронная техника, где наносекундных импульсов напряжения применяется поверх DC смещение электронным насоса и датчика системы11. Введение этой техники предложил критический демонстрация недвусмысленные и практических приложений времени решены STM для измерения ранее ненаблюдаемых физики. Хотя это не так быстро, как перекрестка смешивания STM, которые ей предшествовали, применяя микроволновые импульсы к кончику STM позволяет произвольным образцы должны расследоваться. Этот метод не требует каких-либо сложных оптических методологий или оптический доступ к перекрестка STM. Это делает простой метод адаптироваться к низкой температуре STM. Первая демонстрация этих методов был применен к изучению динамики спин-где вращательно поляризованный STM был использован для измерения динамики релаксации спина-государств возбуждается импульсами насоса11. До недавнего времени, его применение, остался только для магнитных adatom систем12,13,14 , но имеет с расширен к изучению скоростью захвата перевозчика от дискретных середины разрыва государства15 и заряд динамика из одного мышьяка активаторов в Силиконовой15,16. Последние исследования находится в центре внимания этой работы.

Исследования свойств одного активаторов в полупроводниках недавно привлекли большое внимание, потому что комплементарный металло-оксидный полупроводник (CMOS) устройства теперь вступаем режима где один активаторов может повлиять на свойства устройства17 . Кроме того несколько исследований показали, что один активаторов могут служить как основных компонентов будущих устройств, например кубитов для квантовых вычислений18 и квантовой памяти19, а также один атом транзисторов20 , 15. будущее устройства может также включать другие атомного масштаба дефектов, таких как кремний, оборванных Бонд (DB), который может быть рисунком с атомной точностью с STM литографии21. С этой целью были предложены как заряд кубитов22, квантовых точек для квантовой клеточных автоматов архитектуры23,24и атомной провода25,26 DBs и был рисунком для создания Квантовая логика Гамильтониан ворота,27 и28,искусственные молекулы29. Продвигаясь вперед, устройства могут включать одного активаторов и DBs. Это привлекательный стратегия, потому что DBs дефекты поверхности, которые легко могут быть охарактеризованы с STM и используется как ручка для характеристики одного легирующего устройств. В качестве примера этой стратегии DBs используются в этой работе как заряда датчики для выведения зарядки динамика активаторов вблизи поверхности. Эти динамики регистрируются с использованием ВС электронные подход к TR-STM, который заимствован из методики, разработанные Loth et al. 11

Измерения выполняются на выбранных DBs на поверхности Si(100)-(2x1) водорода прекращено. Примеси обедненной области расширения примерно 60 Нм ниже поверхности, созданные с помощью термической обработки кристалл30, отделяет DB и немногих оставшихся вблизи поверхности активаторов от основной полосы. STM исследования DBs показали, что их проводимости зависит от глобальной выборки параметров, как концентрация активаторов и температуры, но отдельные DBs также показывают сильные вариации в зависимости от их местных условий16. Во время измерения STM над одной БД, текущий поток регулируется скорость, на которой электроны может проложить туннель от основную БД (МассоваяΓ) и DB на кончике (наконечникΓ) (рис. 1). Однако потому что проводимости DB чувствителен к местной окружающей среды, состояние заряда рядом активаторов влияет Γсыпучих (рис. 1B), который может быть выведен путем мониторинга DB проводимости. В результате, проводимость БД может использоваться для смысл государства заряда рядом активаторов и может использоваться для определения ставки, на которых являются активаторов поставляется электроны из массовых (LHΓ) и потерять их до кончика STM (ΓHL < / c13 >). Чтобы устранить эти динамики, TR-STS выполняется вокруг порог напряжения (ЧетV), на которых кончик индуцирует ионизации активаторов вблизи поверхности. Роль насоса и датчика импульсов является то же самое в трех время решена экспериментальные методы, представленные здесь. Насос временно приносит уровень смещения снизу выше Vthr, который индуцирует примеси ионизации. Это повышает проводимость дБ, что пробы от датчика пульса, который следует на нижней уклоном.

Методы, описанные в настоящем документе выиграют желающих характеризовать динамику происходящих на миллисекунду для наносекундных шкалы с STM. Хотя эти методы не ограничены для изучения динамики заряда, важно, что динамики проявляются через временные изменения в проводимости государств, которые могут быть исследован STM (т.е. государства, на территории или вблизи поверхности). Если проводимость переходных состояний существенно не отличается от состояния равновесия, таким образом, что разница между равновесие и переходных токов умножается Скважность импульсов зонд меньше, чем слово шум систем (обычно 1 ПА), сигнал будет потеряно в шум и не будет обнаружить по этой методике. Потому что экспериментальные изменения коммерчески доступных STM систем, необходимых для выполнения методов, описанных в данном документе являются скромными, предполагается, что эти методы будут широко доступными для сообщества.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Начальная настройка микроскоп и экспериментов

  1. Начните с ультравысокой вакуумные криогенных поддержкой STM и связанного с ней программного обеспечения управления. Прохладный STM для криогенных температур.
    Примечание: В настоящем докладе, сверхвысокого вакуума относится к системам, которые достигают < 10 x 10-10 Торр. STM должно охлаждаться до криогенных температур; Это особенно важно при расследовании заряд динамика активаторов, которые термически активированный при скромных температурах. Другие камеры может быть при комнатной температуре.
  2. Убедитесь, что кончик STM оснащен высокой частоты проводки (~ 500 МГц).
    Примечание: С помощью импульсного формирования методы, значительное увеличение времени реакции STM с стандартных криогенных температур коаксиальный проводки (~ 20 МГц) сообщалось Гроссе и др. 31
  3. Подключите произвольные функции генератора с по крайней мере два канала на кончике (рис. 2), который будет использоваться для подготовки циклов напряжения пульс пар используется для насоса зонд экспериментов.
  4. Настройте генератор произвольной функции создаются самостоятельно и кратко прежде чем кормят в наконечник насоса и датчика импульсов напряжения.
  5. Примените DC напряжения смещения, используемые для визуализации и обычных спектроскопии для образца (VDC).
  6. Подключите два радиочастотные переключатели к произвольной функции генератора выходных каналов.
  7. Настройка коммутаторов, так, что кончик будет основываться в СТМ изображений и обычных спектроскопии и эффективного предвзятости VDC + VСовет во время экспериментов насос зонд (рис. 4A).
  8. Собирайте, Туннельный ток для всех измерений через предусилитель подключен к образцу.

2. Подготовка реконструкции H-Si(100)-(2x1)

  1. Рассекающий удар образца из 3-4 mΩ·cm n типа мышьяка легированных Si(100) пластины царапин задней пластины с Чертилка карбид кремния и аккуратно Привязка образца от пластины с стеклянных скольжениях микроскопа.
  2. Аффикс образец держатель образца STM и ввести его в сверхвысоких вакуумной камере, прилегающих к палате STM.
  3. Дега образца, resistively Отопление до 600 ° C (пирометр может использоваться для мониторинга температуры образца) и удерживая ее при такой температуре по крайней мере 6 часов в сверхвысокого вакуума.
    Примечание: Давление первоначально будет расти, как образец и держателя образца составляла Дега, но следует стабилизировать вблизи базы давления (< 10-10 торр) после нескольких часов.
  4. Разрешить образец остыть до комнатной температуры перед продолжением.
  5. Дега накаливания вольфрама в той же камере как образец resistively Отопление накаливания до 1800 ° C и ожидания для системы, чтобы восстановить базовые давления. Выключите нити перед продолжением.
    Примечание: Образец может оставаться в камере во время этого шага потому что он пассивируется родной окиси слой на ее поверхности, и впоследствии будут удалены любые загрязнения поверхности образца, в результате этого шага. Температура накаливания должны быть откалиброваны для конкретных тока/напряжения накала с помощью пирометра.
  6. Удалить оксида из поверхности образца, мигает образца до 900 ° C и удерживая ее при этой температуре 10 s до охлаждения до комнатной температуры. Давление будет увеличиваться несколько порядков от базового давления во время процедуру прошивки. После каждой вспышки, найденных во время этой процедуры дождитесь образца остыть до комнатной температуры и системы для восстановления базового давление перед продолжением.
    Примечание: Мигает определяется в настоящем докладе как нагрева и охлаждения образца с высоким рамп цены, порядка 100 ° C/сек.
  7. Постепенно флэш образца до более высоких температур при попытке достичь окончательного flash 1250 ° c. Прервать выполнение любой вспышки, где давление поднимается выше 9 x 10-10 Торр, чтобы предотвратить получение загрязненной поверхности образца. Запись напряжение/ток, используемые для достижения 1250 ° C флэш (света, выделяемых подогревом накаливания на шаге 2.6 пирометра помешает дает точные показания температуры образца, и таким образом должен использоваться этот ПВ). На заключительном flash определить напряжение/ток, необходимых для нагрева образца до 330 ° C как кристалл охлаждается, то пусть образец остыть до комнатной температуры и пусть система восстановления базы давление перед продолжением.
  8. Утечка газа2 H в камеру при давлении 1 x 10-6 Торр и тепла накаливания вольфрама до 1800 ° C.
    Примечание: Это имеет эффект растрескивания H2 atmoic водорода32.
  9. Держите образец в этих условиях в течение 2 мин до прошивки образца до 1250 ° C, , держа его при этой температуре для 5 s и охлаждения до 330 ° C.
  10. После 1 мин воздействия на 330 ° C одновременно закрыть клапан утечки2 H, выключить накаливания вольфрама и пусть образец остыть до комнатной температуры.
    Примечание: Эти высокие температуры вспышки влияют на распределение активаторов в образце. Было установлено, что Отопление до 1250 ° C побудить ~ 60 Нм примеси обедненной области вблизи поверхности образца30.
  11. Проверьте образец качества, принимая СТМ изображений поверхности.
    Примечание: Хорошие образцы будут иметь большие (> 30 Нм x 30 Нм) террасы с частотой дефект < 1% (висячие облигаций, адсорбированных молекул, Адатом и т.д.) и продемонстрируют классический Si(100)-(2x1) реконструкции32, которая включает димер строк Запуск antiparallel друг с другом через шаг ребра (рис. 3B).

3. Оценка качества насоса зондирующих импульсов на стыке тоннель

  1. Подход STM кончика к поверхности образца путем привлечения текущий контроллер обратной связи с текущей setpoint 50 ПА и образец уклона -1.8 V.
    Примечание: В этих условиях, кончик оценивается как < 1 Нм от поверхности образца. Кончик STM, используемые в этой работе был продюсирован химически травления Поликристаллический вольфрам. Он был заостренные, далее с помощью азота, травления процедура, которая хорошо описана в Rezeq et al. 33.
  2. Посмотрите на область на поверхности образца, от крупных дефектов поверхности, приняв большую площадь сканирования (например, 50 Нм x 50 Нм).
  3. Положение STM опрокинуться H-Si на поверхности, которые появляются как димер строк в СТМ изображений (рис. 3B).
  4. Выключить текущий контроллер обратной связи
  5. Установите VDC -1,0 V, Vнасос -0,5 V, Vзонд -0,5 V, ширина насоса и датчика импульсов до 200 НС и время нарастания/спада импульсов до 2,5 НС (рис. 4A).
  6. Отправить целый ряд поездов насоса и датчика импульсов, где относительная задержка насоса и датчика прокатилась от-900 НС до 900 НС.
  7. Участок, туннелирование текущий как функция задержки между насосом и зонд. Он скорее всего будет демонстрировать сильные звон (колебания в туннельного тока как функция относительной задержки между насоса и датчика импульсов, рис. 4B).
    Примечание: Python и происхождение программного обеспечения были использованы для печати, анализировать и оценивать данные, собранные для этой рукописи.
  8. Повторите шаги 3.1-3.5, но увеличить время нарастания/спада импульсов. Звон будет уменьшаться как увеличилось время нарастания/спада.
    Примечание: Желательно избавиться от звона предоставить наиболее точные результаты спектроскопических, однако, является ограниченной ширины импульсов используется время разрешение этих методов. для этой работы были использованы 25 раз подъем ns.

4. время решена сканирование туннелирование спектроскопии (TR-STS)

  1. Положение STM опрокинуться кремния DB, которые появляются как яркие выступы на негативные предубеждения образца tip (рис. 3B).
  2. Выключите STM текущий контроллер обратной связи.
  3. Отправьте поезд, состоящий из только датчик импульсов с частотой повторения 25 кГц. За серию импульсных поездов, развертки смещения датчика пульса в диапазоне 500 мВ от смещения -1.8 V DC.
    Примечание: Этот простой эксперимент аналогичен обычным STS, где проводимость пробы в диапазоне предубеждения.
    1. Настройка длительности импульса поезда (каждый с различным уклоном), таким образом, чтобы результирующий спектры имеют отношение сигнал-шум > 10.
  4. Отправить поезд состоит из насоса импульсов в фиксированной уклоном (что VDC + Vнасос > VЧет) с частотой повторения 25 кГц. В этих экспериментах, установите VDC,насос Vи VЧет -1.8 V, 500 МВ и -2,0 V, соответственно.
    Примечание: Насос импульсов может иметь произвольно длинные длительности (обычно достаточно 1 МКС).
  5. Отправить поезд состоит из насоса импульсов с зондирующих импульсов, после чего задержка 10 НС. В этих экспериментах, значение амплитуды импульса насоса как 500 МВ и зонд пульс развертки от 50 до 500 мВ.
    Примечание: В этом эксперименте, датчика пульса является выборка государства, подготовленный насоса импульса, а не состояние равновесия в обычных STS.
    1. Вычтите сигнал, когда только насос пульс был применен при отображении/оценке сигнала собранные от этого шага.
  6. Сравнить только зонд и насос + датчик сигналов путем построения их в том же графе. Любые гистерезиса в двух сигналов является показателем динамики, которая может быть исследован с раз решить методами STM.
    Примечание: Сохраняя диапазон датчика пульса фиксированной и грубо сканирование DC смещение (в 0,25 V шаги, например), один можно эффективно карта весь энергетический диапазон выборки для определения динамики доступны к технике. Длительность импульса может быть изменен в зависимости от эксперимента. Ширина импульса насоса должна быть больше, чем скорость, с которой ионизированный примеси, таким образом, чтобы он последовательно ионизирует примеси. В общем зонд длительности должны быть того же порядка, как динамичный процесс под исследование, таким образом, чтобы максимальный сигнал может быть измерена без отбора проб в среднем двух проводимость государств. При поиске энергий в которых динамика существует, рекомендуется, что длительности зонда минимизированы таким образом, что только одно состояние системы измеряется для повышения гистерезиса. Как найти время релаксации константы, длительность импульса зонд может быть увеличена до улучшить соотношение сигнал-шум.

5. время решена STM измерения динамики релаксации

  1. Поместите кончик STM кремния DB и выключить STM текущий контроллер обратной связи.
  2. Отправить поезд состоит из насоса импульсов в фиксированной уклоном (что VDC + Vнасос > VЧет) с частотой повторения 25 кГц. В этих экспериментах, установите VDC,насос Vи VЧет -1.8 V, 400 МВ и -2,0 V, соответственно.
    Примечание: Насос импульсов может иметь произвольно длинные длительности (обычно достаточно 1 МКС).
  3. Отправьте поезд насоса и датчика импульсов. Убедитесь, что зондирующих импульсов амплитудой меньше, чем насосы и сопоставимы с диапазона в котором гистерезиса происходит (Vзонд < Vнасос, Vзонд + VDC≈ Vhystersis).
  4. Развертки задержку между насоса и датчика пульса до нескольких десятков МКС.
  5. Вычтите сигнала, полученных при применении только насос пульс. В этих экспериментах, установите VDC,насос Vи Vзонд -1.8 V, 400 МВ и 210 МВ, соответственно. Установите относительной задержки развертки от-5 мкс до 35 МКС.
    Примечание: Если сигнал получен из предыдущего шага хорошо подходят (R2 > 0,80) функцией единого экспоненциального распада, то время существования переходного состояния, подготовленный насоса пульс могут быть извлечены из fit.

6. время решена STM измерения динамики возбуждения

  1. Отправить поезд состоит из насоса импульсов в фиксированной уклоном (что больше, чем VDC + Vнасос > VЧет) с частотой повторения 25 кГц. В этих экспериментах установите VDC и VЧет -1.8 V и -2,0 V, соответственно. Установитьнасос Vмежду 220 и 450 mV.
  2. Развертки продолжительность импульса насоса от нескольких наносекунд до нескольких сотен наносекунд.
  3. Отправьте поезд насоса и датчика импульсов. Зондирующих импульсов амплитудой должны иметь меньше, чем насосы и происходит, сопоставимые с диапазона в котором гистерезиса (Vзонд < Vнасос, Vзонд + VDC≈V hystersis). В этих экспериментах, установите Vзонд до 210 МВ.
  4. Вычтите сигнала, полученных при применении только датчика пульса.
    Примечание: Если сигнал получен экспоненциальный, это означает, что насос пульс готовит переходного состояния (ионизированные примеси) со скоростью, которые могут быть извлечены из fit (R2> 0,80). Протокол, описанные выше для экспериментов и оборудование, описанные здесь. Существует множество возможных путей для читателей, чтобы настроить свои собственные экспериментальной установки для исследования других систем. Например Общие методы не ограничиваются криогенно Охлажденный суп; любой Совет материал может быть использован, и они не требуют азота травления. Кроме того надлежащим образом запланированных произвольные функции генератора может использоваться для создания двойной импульсных сигналов, которые будет отрицать необходимость сумма двух независимых каналов. И наконец Нижняя полоса пропускания кабелей может быть используемые31.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Результаты, представленные в этом разделе текста были ранее опубликованных15,16. Рисунок 3 иллюстрирует поведение примера выбран дБ с обычными STM. Обычные измерения I(V) (рис. 3A) явно изображает резкого изменения проводимости дБ на VЧет = -2,0 V. Такое поведение также наблюдается в СТМ изображений, снятых на -2,1 V (рисунок 3B, левая панель), -2,0 V (средняя группа) и -1.8 V (правая панель), где DB имеет вид яркий выступ, крапчатый выступ и темный депрессии, соответственно. Этот переход может также наблюдаться, глядя на туннелирование текущего собранных с наконечником, расположены непосредственно поверх БД с z контроллер выключен и предвзятости, равным Vthr, который приводит к двухуровневой Телеграф шум (Рисунок 3 C). самое главное, в этих измерений, кончик STM был помещен непосредственно над DB. В этой договоренности, колебания DB заряд происходит на сроки ниже e / IT = 2ns, который гораздо быстрее, чем наблюдается переключение. Таким образом наблюдаемое поведение приписывается зарядки динамика близлежащих активаторов который влияет на проводимость DB. Важно отметить, что, потому что функцию расширенной волна DB в середине зазор энергии государства акт как мост для проведения электроны от основная полоса кондукции к кончику, наблюдаемое поведение проявляется только когда кончик находится непосредственно над DBs. Необъективность увеличен, частота шума Телеграф также сильно увеличивается, таким образом, что на-2.02 V, переключения поведение может больше не разрешаться непосредственно STM предусилитель. Это побудило использования времени решены сканирующий туннельный микроскопии (TR-STM) и время решены сканирование туннелирования спектроскопии (TR-STS).

Рисунок 4 показывает метод, который может использоваться для оценки качества импульсов, доставлены до перекрестка. Звон наблюдается, когда быстрый рост раз используются для насоса и датчика импульсов из-за несогласованности между STM схемы и перекрестка туннеля. Кросс корреляции насоса и датчика импульсов может быть порождена потрясающим относительной задержки датчика пульса через нулевой задержки. Сильное увеличение туннелирование текущего происходит, когда насоса и датчика импульсов перекрытие из-за характерное поведение нелинейных I(V) измерений. Звон проявляется через меньше амплитуда колебаний в туннелирование тока на обе стороны происхождения. Увеличивая время подъем на импульсы от 2,5 НС до 25 НС, наблюдается сильное подавление звон. Относительное смещение сигналов с каждого импульса время является результатом того факта, что включить рост раз импульсов измеряется ширина импульса. Таким образом импульсы с 2,5 НС подъем раз имеют более комплексной области, и поэтому более интегрированные ток, по сравнению с импульсов с 25 раз подъем ns. Это подчеркивает, что количественное сравнение из TR-STM измерения следует выполнять только при подъеме раз импульсов используются равны.

Рисунок 5 показывает TR-STS. В этих измерений насос импульса временно приносит системы выше Vthr, и сразу же после датчика пульса допрашивает проводимость переходное состояние. Проводимость переходное состояние может быть сопоставлено путем вычитания сигнала, приобретенных с зонда только от сигнала, полученные с насос + зонд. Когда насос + зонд и зонда только сигналы сопоставляются непосредственно, любой гистерезиса свидетельствует о динамических процессов, которые могут быть исследован TR-STS. Изменяя значение фиксированной DC смещения предвзятости, могут быть эффективно определены динамика системы, которая может зондируемой TR-STS.

В TR-STS важно рассмотреть вопрос о продолжительности насоса и датчика импульсов. Пульс насос должен быть достаточно продолжительным, чтобы побудить устойчивого состояния системы (то есть, насос в состояние высокой проводимости). Если длительность импульса зонд слишком долго, однако, затем в низкой зонд амплитуд, проводимость DB могут расслабиться во время измерения. В этом случае датчика пульса образец высокой и низкой проводимости государства БД и уменьшить видимость гистерезиса. Таким образом чтобы максимизировать видимость гистерезиса, продолжительность датчика пульса должна быть короче, чем уровень релаксации состояние высокой проводимости.

Рисунок 6 показывает время решена измерения динамики примеси релаксации и возбуждения. Как и TR-STS образец устанавливается для фиксированной DC смещения уклоном ниже Vthr, и насос импульсов временно привести систему выше VЧет. Релаксация динамики были зондируемой путем сдвига относительную задержку зондирующих импульсов (рис. 6A). Фитинг участок текущий как функция относительной задержки (Рисунок 6B) зонд с одной экспоненциального распада, допускается ΓHL быть извлечены. Важно отметить, что этот показатель никогда не наблюдали за один цикл, а ΓHL выводится из времени в среднем Туннельный ток, который состоит из многих событий. Это аналогично оптической спектроскопии, где время жизни возбужденного состояния может быть определено из одного измерения ансамбля, за исключением того, что в этом случае время существования одного легирующего можно охарактеризовать через ансамбль измерений, потому что он может быть исследован непосредственно на верхушку STM. Важно отметить, что зонд текущего наблюдается в Рисунок 6B не распадается до нуля, а скорее фиксированной смещение. Это потому что насос импульс возбуждает динамика (наблюдается как МС шкала Телеграф шум в рисунке 3 c), которые не гниют в сроки, измерения. Это означает, что проводимость DB исследуемых закрытого по два активаторов с константами собственный время релаксации. Рисунок 6 c демонстрирует управления эксперимент, где амплитуда насоса варьируется от -0,25 V до-0.6 V. Изменения в жизни ионизированный государства, как функция насоса амплитуды, будет указывают на наличие закрыть дополнительные динамические процессы энергии VЧет. Потому что за пределами -2.05 V постоянна ΓHL , сделан вывод, что только заряд государствами двух выявленных активаторов стробирование проводимость DB.

Возбуждения динамики были зондируемой путем сдвига ширина импульса насоса (рис. 6 d). Γ LH было извлечено от экспоненциальной подходят текущего времени в среднем как функция насоса ширины (Рисунок 6E). Когда перекачиваемой уклон не превышает Vthr, существует не наблюдается зависимость между ширина насоса и туннелирование текущей потому что активаторов оставаться нейтральным. Когда перекачиваемой уклон превышает Vthr, электрон может проложить туннель от примеси к кончику, оставляя ионизированный примеси. По потрясающим ширина насоса, сопоставляется средний показатель, на который ионизируется примеси. Рисунок 6F расследует зависимость ΓLH как функция насоса амплитуды. Если БД закрытого по одной примеси, ΓLH ожидается масштаб экспоненциально с амплитудой насоса за весь диапазон смещения16. Это ожидается, потому что скорость ионизации примеси экспоненциально зависит от местных электрического поля, которое масштабируется с уклоном, применяется к кончику. DB1, которая является DB, учился в все предыдущие рисунки, демонстрирует экспоненциальную зависимость между -2,1 V и-2.25 V и шаг в -2.05 V. Этот шаг является еще одним доказательством того, что DB1 является воротами на двух близлежащих активаторов. Экспоненциальная зависимость было отмечено для DB2 в диапазоне -1,3 V до -1,6 V, указав, что одного легирующего закрытый он. DB2 не выставлять любые динамики за пределы шкалы времени миллисекунду и поэтому не был изучен с другими методами, время решена.

Figure 1
Рисунок 1: схема системы исследования и его связанные энергии диаграмма. (A) текущей пробы СТМ кончиком расположены непосредственно поверх кремния что DB преимущественно состоит из электронов, проходя от основной в БД и от DB к кончику, с цены Γсыпучих и ΓСовет, соответственно. Мышьяк активаторов, представленное зеленые шарики, также имеют наполнения (ΓHL) и опорожнения ставки (LHΓ), которые могут быть исследован STM измерениями времени решена. (B) проведение диапазона edge присутствии ионизированный примеси (зелёная кривая) является потянул вниз относительно примеси при нейтральной (черная кривая), что приводит к увеличению проводимости. Для образца уклона -2,0 V рассчитывалось на диаграмме энергии. Синий цветные области представляет заполненный государства. Этот показатель был взят с разрешения от Рашиди et al. 16 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: необходимые изменения, которые должны быть сделаны для коммерческих STM, таким образом, что TR-STM могут быть выполнены с помощью методов, описанных в этой работе. Постоянного тока смещения уклоном применяется к образцу, и во время СТМ изображений и обычных спектроскопии, обоснована кончик STM. При использовании для измерения время решена, сигналы, созданные генератором произвольной функции с двумя независимыми каналами суммируются и кормили чтобы кончик STM, который должен быть оснащен высокой частоты кабелей. Два радиочастотные переключатели используются для управления поезда импульса. Туннелирование текущего измеряется на стороне образца. Этот показатель был взят с разрешения от Рашиди et al. 16 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: спектроскопический поведение отдельных дБ с обычными STM. (A) I(V) измерение над DB, собранных на постоянной высоте. (B) постоянного тока СТМ изображений DB вне (-2,1 V, слева), в (-2,0 V, средний) и ниже (-1.8 V, право) порогового напряжения. Димер строки H-Si(100)-(2x1) реконструкции появляются как брусья. (C) с обратной связью по току контроллеров STM от текущего времени трассировки, приобретенных за DB на порог напряжения (-2.01 V) отображает двух государств Телеграф шума на шкале времени миллисекунду. Этот показатель был взят с разрешения от Рашиди et. al. 16 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: кросс корреляции насоса и датчика импульсов на стыке туннеля. (A) схема последовательностей импульсов кросс корреляции. Статический DC смещения уклоном (зеленая полоска) применяется к образцу. Относительную задержку между насоса импульсов (красные столбики) и зондирующих импульсов (синие столбики) прокатилась по нулевой задержки. Каждая пара насоса и датчика импульсов представляет поезд импульсов, послал к кончику. (B) кончик наведен H-Si и поезд насоса зонд пар доставляется на стыке туннеля. Относительную задержку зонда измеряется от задней кромки насоса до переднего края зонда и был свергнут от-900 НС до 900 НС. Статический DC смещение -1,0 V был применен к образцу. Насос и зонд амплитуд были созданы -0.50 V с шириной 200 ns. Время нарастания/спада импульсов был установлен равным 25 НС (черный), 10 НС (красный) и 2,5 НС (синий). Зонд текущего было умножено на коэффициент двадцати приходится 5% рабочий цикл, работающих в области измерения, однако, не попытка исправить тот факт, что комплексные области каждого импульсов отличаются. Вставка: увеличенное изображение звон между 0 и 900 ns относительной задержки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5: решена время сканирования, туннелирование I(V) спектроскопии (TR-STS). (A) схема последовательностей импульсов TR-STS. Статический DC смещения уклоном (зеленая полоска) применяется к образцу. Насос импульсов (красные столбики) предшествуют зондирующих импульсов (синие столбики). Каждая пара насоса и датчика импульсов представляет поезд импульсов, послал к кончику. (B) TR-STS измерение с 1 µs ширина насоса и датчика импульсов. Гистерезис между кривых без насоса (красный треугольник) и с насосом (синие круги) перекрывает смещения диапазон, где Система бистабильных. Предвзятость DC имеет значение -1.80 V, насос предвзятость это -0.50 V и уклон зонда был прокатилась от 500 до 50 МВ. Импульсы поднялись и упал раз 25 НС, относительная задержка между trailing edge насоса и переднего края датчика пульса составляет 10 НС и уровень пресыщения составляет 25 кГц. Этот показатель был взят с разрешения от Рашиди et. al. 16 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6: время решена измерения динамики возбуждения и релаксации примеси. (A,D) Схемы последовательностей импульсов. Статический DC смещения уклоном (зеленая полоска) применяется к образцу. Насос импульсов (красные столбики) предшествуют зондирующих импульсов (синие столбики). Каждая пара насоса и датчика импульсов представляет поезд импульсов, послал к кончику. (B) измерение ΓHL производится путем сдвига относительную задержку насоса и датчика импульсов. Насоса и датчика импульсов имеют ширину 1 мкс. Смещение -1.80 V DC применяется к образцу; насоса и датчика импульсов у амплитуд -0.4 и -0.21 V, соответственно. Сплошная линия подходит данных с одной экспоненциальной функции. (C) измерения ΓHL в различных насос амплитуд. Планки погрешностей представляют собой стандартные ошибки экспоненциального арматуры. (E) измерение ΓLH производится путем сдвига продолжительность насоса. Смещение -1.80 V DC применяется к образцу и зондирующих импульсов имеют амплитуду -0.21 V. VЧет для выбранного DB -2.05 V. Сплошная линия подходит данных с одной экспоненциальной функции. (F) измеренияLH Γна различных насос амплитуды для двух выбранных DBs. DB1 (красный треугольник) дБ, используется для всех других измерений в тексте. DB2 является другой выбранный DB и полностью описан в Рашиди et al. 16 сплошные линии являются приступы данных с одной экспоненциальной функцией. Этот показатель был взят с разрешения от Рашиди et al. 16 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Вариант TR-STS, в которых не применяется насос пульс сопоставимо с обычными STS, за исключением того, что система является производится выборка на высоких частотах, а не непрерывно. Если длительность зондирующих импульсов подходят (>ΓLH), TR-STS сигнал, приобретенных без импульса насос можно умножить константа пропорциональна эксперимент Скважность совпадает точно с обычными STS измерение. Это возможно только потому, что измерения производятся без использования блокировки в усилителя, который иначе бы смягчить неизвестного часть сигнала из-за низких частот фильтрации используется. Это существенное различие между методов Loth et al. 11 и те, которые представлены в этой работе. Использование блокировки в усилитель может использоваться для повышения чувствительности измерения, но предотвращает прямое сравнение TR-STS с обычными измерениями STS. В системах, где требуется эта чувствительность предполагается, что оба метода могут использоваться в концерте, с блокировки в усилитель выключен, что экспериментаторов можно эффективно искать динамики, и замок в усилитель включен для добавил чувствительность во время характеристика динамики возбуждения и релаксации.

Основной недостаток этих методов является в настоящее время ограничивается несколько наносекунд их временное разрешение. Это несколько порядков медленнее, чем то, что может быть достигнуто с перекрестка смешивание или оптических методов. Это является следствием сигнал звонка, которая возникает при использовании импульсов напряжения с суб наносекундных подъем раз, из-за несогласованности между STM цепи и тоннель Джанкшен31. Действительно все электронные методы достигли время резолюции тонкая, как 120 л.с.34 , но еще не были использованы для изучения динамики в этой резолюции. Оптимально разработаны STM бы идеально подходило импеданс цепи STM вплоть до перекрестка тоннеля, который будет совершенно импеданс несоответствие. Это будет устранить искажения и диссипации импульса и будет микроволновая мощность скорее отражают, чем доставить его через перекрестка. Возможная стратегия для устранения результирующей звеня бы добавить дополнительные диссипация в контуре STM, чтобы отражали бы эффективно ослаблять импульсов.

В этой работе простой подход, т.е., выполненных не внутренние модификации коммерческих STM. Кросс корреляции метод был использован для характеристики звон, который затем был свернут, просто расширяя рост раз импульсов. Потому что время нарастания импульсов ограничивает время резолюции, эта стратегия не может использоваться для описания динамических процессов, происходящих на сроки в пределах этих методов (несколько ns). В таких ситуациях звон могут быть активно подавлены, используя методы, разработанные Grosse et al. 31 , которые включают в себя формирование импульсов для учета передачи функции произвольной функции генератора и перекрестка туннеля.

ВС электронные подход к TR-STM имеет много преимуществ по сравнению с других известных подходов TR-STM. Во-первых по сравнению с перекрестка смешивание STM, этот подход не требует каких-либо специализированных образец структуры. Эти методы должны подпадать любые образцы, которые могут быть проверены с обычными STM. Кроме того ВС электронные подход не требует внесения значительных изменений в STM или использования сверхскоростной оптики. Действительно изменения схемы STM, требуемых для выполнения этих методов являются чрезвычайно скромный, как коммерческие STM с ВЧ-кабель доступны. Кроме того динамика, исследовали с ВС электронные подход чисто местное, как импульсы поставляются непосредственно на верхушку STM. Это контрастирует с SPPX-STM, где инцидент лазерных импульсов может быть направлена только несколько квадратных мкм. Наконец метод ВС электронные допускает возможность точно манипулировать предубеждения насоса и датчика, что позволяет прямое сравнение стандартных измерений STM. Это центральное место в некоторые из методов, описанных в этом документе, и хотя это может быть возможным осуществить аналогичные последовательности импульсов в оптических подходов к TR-СТМ, экспериментально трудно.

Экспериментальные методы, представленные здесь мера заряда динамика с атомной пространственным разрешением и наносекундных временного разрешения. Существует множество новой физики, чтобы быть изучены с такой подход очень доступным. Например динамика одного атомов увлекательный и важным технологически. Один атом динамика ранее были изучены в рамках ограничений обычных STM, но эта техника открывает дверь для расследования подобных процессов более шести дополнительных порядков (от миллисекунд до наносекунды). В частности это мосты от медленного событий обычно наблюдается в СТМ, основных процессов, которые лежат в их основе.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что они не имеют никаких финансовых интересов.

Acknowledgments

Мы хотели бы поблагодарить Мартина Клутье и Марк Саломонс за их технического опыта. Мы также благодарим СРН, Сенти и AITF за финансовую поддержку.

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

Машиностроение выпуск 131 вс электронные время решена сканирования туннелирования микроскопии время решена сканирование туннелирования спектроскопии примеси динамика кремния оборванных связей все электронный насос зонд спектроскопии динамика заряда одного атома
ВС электронные решена НС сканирующий туннельный микроскопии: Содействие исследования динамики одного легирующего заряда
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