Tüm elektronik Nanosecond çözüldü tarama tünelleme mikroskobu: tek Dopant şarj Dynamics incelenmesi kolaylaştırılması

Elektronik zaman çözümlü taramalı tünelleme mikroskobunun genel amacı, atomik ölçekte meydana gelen dinamik süreçleri incelemektir. Bu deneylerde, silikondaki katkı maddelerinin yüklü dinamikleri incelenmiştir. Bu yöntemler, yarı iletkenlerdeki katkı maddelerinin elektronlarla sağlanma hızı veya tek tek atomların manyetik rezonansını sürmek için tünel akımlarının nasıl kullanılabileceği gibi nanoteknoloji ve fizik alanındaki ilginç olayları araştırmak için kullanılabilir.

Bu tekniklerin temel avantajı, optiklerin tünel açma bağlantısına entegre edilmesine gerek kalmadan hızlı dinamiklerin incelenebilmesidir. Bu teknikler, düşük sıcaklıklar veya ultra yüksek vakumlu taramalı tünelleme mikroskopları ile sınırlı değildir. Başlamak için, ultra yüksek vakum ve kriyojenik sıcaklıklara kadar çıkabilen taramalı tünelleme mikroskobunu soğutun.

Mikroskobun ucunun yaklaşık 500 megahertz kapasiteli yüksek frekanslı kablolarla donatıldığından emin olun. Ardından, uca en az iki kanallı isteğe bağlı bir fonksiyon üreteci bağlayın. İsteğe bağlı fonksiyon üretecini, pompa ve prob voltaj darbeleri bağımsız olarak üretilecek ve uca beslenmeden önce toplanacak şekilde yapılandırarak, pompa-prob deneyleri için kullanılan voltaj darbe çiftlerinin döngülerini hazırlayın.

Ardından, geleneksel spektroskopide görüntüleme için kullanılan DC önyargı voltajını numuneye uygulayın. Ardından, isteğe bağlı fonksiyon üretecinin çıkış kanallarına iki radyo frekansı anahtarı bağlayın. Anahtarları, tarama, tünel açma, görüntüleme ve geleneksel spektroskopi sırasında uç topraklanacak şekilde yapılandırın.

Numuneye bağlı bir ön amplifikatör aracılığıyla tüm ölçümler için tünel akımını toplayın. Bir silisyum karbür çizici kullanarak, bir silikon gofretin arkasını çizin. Ardından, numuneyi gofretten nazikçe koparmak için bir çift cam mikroskop lamı kullanın.

Silikon kristallerini işlemek için seramik cımbız kullandığınızdan emin olun. Numuneyi bir tarama, tünelleme mikroskobu tutucusuna yapıştırın. Tutucuya sabitlendikten sonra, ultra yüksek vakum odasına yerleştirin.

Ardından, numuneyi dirençli bir şekilde 600 santigrat dereceye ısıtarak ve ultra yüksek vakumda en az altı saat bu sıcaklıkta tutarak gazını alın. Numune soğutulduktan sonra, filamenti dirençli bir şekilde 1.800 santigrat dereceye ısıtarak ve sistemin taban basıncına geri dönmesini bekleyerek bir tungsten filamanı gazdan arındırmak için aynı odayı kullanın. Ardından, numuneyi 900 santigrat dereceye kadar yanıp sönerek ve tekrar oda sıcaklığına soğutmadan önce bu sıcaklıkta 10 saniye tutarak oksidi numune yüzeyinden çıkarın.

1.250 santigrat derecelik bir son flaşa ulaşmaya çalışırken numuneyi kademeli olarak daha yüksek sıcaklıklara flaş edin. Her flaştan sonra numuneyi oda sıcaklığına soğumaya bırakın. Numunenin temiz kalmasını sağlamak için, basıncın dokuz çarpı 10'un üzerine çıkarak eksi 10 Torr'a yükseldiği yerde iptal yanıp söner.

Daha sonra, hidrojen gazını hazneye 10 kere 10 eksi altı Torr basınçla sızdırın ve tungsten filamanı 1.800 santigrat dereceye ısıtın. Bu, gazı atomik hidrojene dönüştürecektir. Numuneyi 1.250 santigrat dereceye geri döndürmeden önce numuneyi bu koşullarda iki dakika tutun.

1.250 santigrat derecede beş saniye sonra, tekrar 330 santigrat dereceye kadar soğutun. Sıcaklığı bir dakika boyunca 330 santigrat derecede tutun ve ardından aynı anda hidrojen sızıntı valfini kapatın ve tungsten filamanı kapatın. Numuneyi oda sıcaklığına soğumaya bırakın.

Son olarak, akım geri besleme kontrolörünü negatif 1.8 voltluk bir numune önyargısı, 50 pikoamperlik akım ayar noktası ile devreye sokarak ve kontrol yazılımının otomatik yaklaşma işlevini kullanarak numuneye yaklaşın. Yüzeyin kalitesini doğrulamak için yüzeyin alan taramalarını 50 x 50 nanometre mertebesinde yapın. %1'den daha az bir kusur oranında tek atom basamakları ile ayrılmış geniş teraslar olmalıdır Silikonun dimer sıraları bir, sıfır, sıfır, ikişer birer rekonstrüksiyon net bir şekilde çözülmelidir.

Sarkan bağlar, alan durumu görüntülerinde parlak çıkıntılar olarak görünür. 50 nanometreye 50 nanometre boyutlarında geniş alan taramaları yaparak numune yüzeyinde büyük yüzey kusurlarından arınmış bir alan arayın. Elektronik zil sesini karakterize etmek için, ucu yüzeydeki bir hidrojen atomunun üzerine yerleştirin.

Her yüzey silikon atomu bir hidrojen atomu ile sonlandırıldığından, bu, ucu yüzeydeki dimer sıralarının üzerine yerleştirmeye eşdeğerdir. Akım geri besleme denetleyicisini kapatın ve ardından DC voltajını eksi 1.0 volta ayarlayın, ardından pompa voltajını eksi 0.5 volta, prob voltajını eksi 0.5 volta, pompa ve prob darbelerinin genişliğini 200 nanosaniyeye ve darbelerin yükselme ve düşme süresi 2.5 nanosaniyeye. Ardından, pompa ve probun göreceli gecikmesinin eksi 900 nanosaniyeden 900 nanosaniyeye süpürüldüğü bir dizi pompa ve prob darbesi dizisi gönderin.

Zillenme, orijinin her iki tarafındaki tünel akımındaki daha küçük genlikli salınımlarla kendini gösterir. Darbelerdeki yükselme sürelerini 2.5 nanosaniyeden 25 nanosaniyeye çıkararak, çınlamanın güçlü bir şekilde bastırıldığı gözlenir. En doğru spektroskopik sonuçları elde etmek için darbelerin yükselme ve düşme sürelerini artırarak çınlamayı ortadan kaldırın.

Ancak, darbenin genişliğini artırmanın çözünürlüğü azaltacağını unutmayın. Ucu, negatif uç numune sapmalarında parlak çıkıntılar olarak görünen silikon sarkan bir bağın üzerine yerleştirin. Akım geri besleme denetleyicisini kapatın ve 25 kilohertz tekrarlama hızına sahip referans sinyali olarak yalnızca prob darbesinden oluşan bir tren gönderin.

Bir dizi darbe dizisi üzerinden, prob darbesinin yanlılığını negatif 1,8 voltluk DC yanlılığından 500 milivoltluk bir aralıkta tarayın. Her nabız farklı bir önyargıya sahip olmalıdır. Bu adım, standart IV spektroskopisine eşdeğerdir, ancak azaltılmış görev döngüsüne sahiptir.

Darbelerin genişliğinin en az 10'luk bir sinyal-gürültü oranı elde edecek kadar uzun olduğundan emin olun. Pompa voltajına eklenen DC voltajı, 25 kilohertz'lik bir tekrarlama oranı ile eşik voltajından daha büyük olacak şekilde sabit bir önyargıya ayarlanmış pompa darbelerinden oluşan bir tren gönderin. Ardından, prob darbeleri ve ardından 10 nanosaniyelik bir gecikme ile pompa darbelerinden oluşan bir tren gönderin.

Yalnızca pompadaki probu ve prob sinyallerini aynı grafikte çizerek karşılaştırın. Küçük sinyallerdeki herhangi bir histerezis, zamanla çözülmüş STM teknikleriyle incelenebilecek dinamiklerin bir göstergesidir. Gevşeme dinamiklerini ölçmek için, mikroskobun ucunu silikon sarkan bir bağın üzerine yerleştirin ve akım geri besleme denetleyicisini kapatın.

Ardından, pompa voltajına eklenen DC voltajı, 25 kilohertz'lik bir tekrarlama oranıyla eşik voltajından daha büyük olacak şekilde sabit bir önyargıya ayarlanmış pompa darbelerinden oluşan bir tren gönderin. Ardından, başka bir pompa ve prob darbesi dizisi gönderin. Prob darbelerinin pompalardan daha küçük bir genliğe sahip olduğundan ve histerezisin meydana geldiği aralıkla karşılaştırılabilir olduğundan emin olun.

Son olarak, pompa ve prob darbesi arasındaki gecikmeyi birkaç on mikrosaniyeye kadar süpürün. Uyarma dinamiğinin belirlenmesi için, pompa voltajına eklenen DC voltajının 25 kilohertz'lik bir tekrarlama oranı ile eşik voltajından daha büyük olması için tekrar pompa darbelerinden oluşan bir tren gönderin. Pompa darbesinin süresini birkaç nanosaniyeden birkaç yüz nanosaniyeye kadar tarayın.

Ardından, bir dizi pompa ve prob darbesi gönderin. Prob darbeleri, pompalardan daha küçük bir genliğe sahip olmalı ve histerezisin meydana geldiği aralıkla karşılaştırılabilir olmalıdır. Konvansiyonel taramalı tünelleme mikroskobu kullanılarak, silikon sarkan bağlar, alan durumu görüntülerinde negatif numune yanlılığında parlak çıkıntılar olarak ortaya çıkar.

Bazı durumlarda, eksi iki voltta iletkenlikte keskin bir değişiklik gösterirler. Bu özel sarkan bağ için eksi 2.1 volt, eksi iki volt ve eksi 1.8 voltta çekilen görüntüler de bunu göstermektedir. Bu zaman çözümlü ölçümlerde, bir pompa darbesi sistemi geçici olarak voltaj eşiğinin üzerine getirir ve bir prob darbesinden hemen sonra geçici durumun iletkenliğini sorgular.

Histerezisin görünürlüğünü en üst düzeye çıkarmak için, prob darbesinin süresi, yüksek iletilen durumun gevşeme oranından daha kısa olmalıdır. Katkı maddesi gevşeme dinamiklerini ölçerken, darbe dizileri pompa ve prob arasındaki gecikme açısından değişir. Zamanla sabit bir ofsete yerleşen tek bir üstel bozunma çıkarılır.

Uyarma süreleri için, darbe sırası pompası voltaj genişliği değiştirilir. Pompanın genişliğini süpürerek, katkı maddesinin iyonize olduğu ortalama oran haritalanır. Mikroskop kurulumunuzdaki herhangi bir elektronik çınlamayı karakterize etmeniz önemlidir.

Zil sesi, sinyal artefaktlarına neden olabilir ve ortadan kaldırılmalıdır. Ayrıca, nabız uzunluğunu uzatarak çınlamayı ortadan kaldırmanın zaman çözünürlüğü kaybına neden olacağını ve optimize edilmesi gerekeceğini unutmayın. Silikondaki katkı maddelerini incelemek için zaman çözümlü taramalı tünelleme mikroskobu göstermiş olsak da, bu teknikler diğer birçok fiziksel sisteme uygulanabilir.

Bu tekniklerin temel avantajı, mikroskobunuzla hiçbir optik sistemin entegre edilmesine gerek olmamasıdır. Kriyojenler ve yüksek voltajlarla çalışmanın tehlikeli olabileceğini unutmayın. Mikroskobunuzu kurarken ve kullanırken daima güvenli bir çalışma ortamı sağlayın ve uygun güvenlik protokolünü izleyin.