모든 전자 나노초 해결 주사 터널링 현미경: 촉진 단일 불순물 충전 역학 조사

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Summary

실리콘에서 불순물 원자의 나노초 해결 충전 역학 주사 터널링 현미경으로 관찰 하는 모든 전자 방법 보여 줍니다.

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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).

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Abstract

Dopants의 작은 숫자 장치 속성을 제어할 수 있습니다 비늘을 반도체 소자의 소형화 그들의 역학을 특성화 할 수 있는 새로운 기술의 개발을 필요 합니다. 단일 dopants를 조사 하 고 터널링 현미경 (STM) 검색의 사용 동기 하위 나노미터 공간 해상도를 요구 한다. 그러나, 기존의 STM 밀리초 시간 해상도로 제한 됩니다. 여러 가지 방법은 나노초 해상도 실리콘에 불순물 역학 조사이 연구에서 사용 되는 모든 전자 시간 해결 STM 등이 단점을 극복 하기 위해 개발 되었습니다. 여기에 제시 된 방법을 광범위 하 게 액세스할 수 하 고 다양 한 역학 원자 규모의 현지 측정에 대 한 허용 한다. 소설에 제시는 터널링 분광학 기술 검색 및 역학에 대 한 효율적으로 검색 하는 데 사용 시간으로 해결.

Introduction

터널링 현미경 (STM) 스캔 nanoscience 원자 규모 지형과 전자 구조를 해결 하는 능력에 대 한에서 최고의 도구가 되고있다. 그러나 기존의 STM의 한계가, 그것의 임시 해결책은 현재 프리 앰프1의 제한 된 대역폭으로 인해 밀리초 날짜 표시줄 제한입니다. 그것은 오래는 원자 과정은 일반적으로 발생 하는 저울을 STM의 시간적 해상도 확장 하는 목표 되었습니다. 시간-터널링 현미경 (STM TR) 검색에 의해 해결 프리먼 외 여러분 에서 작동 하는 개척 1 찰 스위치 및 마이크로 스트립 전송 선 터널 접합에 피코 초 전압 펄스를 전송 하는 샘플에 꽃무늬를 활용. 하지만이 접합 혼합 기법 1 nm와 20 ps2, 동시 해상도 달성 하기 위해 사용 되는 그것 결코 널리 채택 되어 전문된 샘플 구조를 사용 하 여 요구 사항으로 인해. 다행히도,이 작품에서 얻은 기본적인 통찰력 많은 시간 해결 기술;에 일반화 될 수 있습니다. STM의 회로의 대역폭 제한 여러 kilohertz 비록, STM에 비-선형 I(V) 응답 빠른 역학을 많은 펌프-프로브 사이클을 통해 얻은 평균 터널 전류를 측정 하 여 찾는 것을 수 있습니다. 개입 년에서 많은 접근 탐험 되어, 어떤을의 가장 인기 있는 간략하게 검토 아래.

동요-펄스-쌍-흥분 (SPPX) STM 직접 터널 접합을 밝게 조명 하 고 흥미로운 샘플3운반대에 의해 서브 피코 초 분해능을 달성 초고속 펄스 레이저 기술에서 진보를 활용 합니다. 입사 레이저 빛 정도 강화 전도, 무료 사업자 만들고 펌프와 프로브 (td) 사이 지연의 수 d/dtd 잠금 앰프 측정 합니다. 펌프와 프로브 사이의 지연 보다는 다른 많은 광학 방식에서 레이저의 강도 변조 때문에 SPPX-STM 사진 조명 유도 열팽창 팁3의 방지 합니다. 이 접근의 최근 확장은 SPPX STM 펌프-프로브 지연 시간4의 범위를 확대를 펄스 따기 기법을 활용 하 여 역학 조사를 사용할 수 있는 날짜 표시줄을 확대 했습니다. 중요 한 것은,이 최근 개발도 보다는 숫자 통합을 통해 직접 (td) 곡선을 측정 하는 능력을 제공 합니다. SPPX-STM의 최근 응용 프로그램에 단일-캐리어 재결합의 연구를 포함 했다 (Mn, Fe)/GaAs(110) 구조는 GaAs6기증자와5 역학. SPPX-STM의 응용 프로그램 일부 제한 얼굴. SPPX STM 측정 신호 그리고 무료 사업자 광 펄스에 의해 흥분된에 따라 반도체에 가장 적합 하다. 또한, 비록 큰 지역 광 펄스에 의해 흥분 하기 때문에, 끝에 지역화 터널링 전류, 신호 로컬 속성 및 소재 전송 회선입니다. 마지막으로, 접합에 바이어스를 역학 연구에서 photoinduced 이어야 합니다. 측정 날짜 표시줄에 고정 됩니다.

최근 광학 기술, 고주파 STM (THz-STM), 자유 공간 THz 펄스 STM 팁에 교차점에 초점을 맞춘 커플. 달리 SPPX STM에 결합 된 펄스 빠른 전압 펄스 서브 피코 초 분해능7전자 구동된 업무가의 조사에 대 한 허용으로 동작 합니다. 흥미롭게도, 정류 전류 THz 펄스에서 결과 액세스할 수 없는 극단적인 피크 전류 밀도에 의해 생성 기존의 STM8,9. 기술은 최근 Si(111)-(7x7)9 뜨거운 전자를 연구 하 고 이미지를 단일 pentacene 분자10의 진동 사용 되었습니다. 그러나 THz 펄스 자연스럽 게 끝에 몇 가지,, STM 실험에 THz 소스 통합 필요성 많은 경험에 도전 될 것입니다. 이 다른 광범위 하 게 적용 하 고 쉽게 구현 기술의 개발 동기.

2010 년, 싫은 외. 11 나노초 전압 펄스 DC 오프셋 위에 전자 적용 펌프와 프로브 시스템11모든 전자 기술 개발. 이 기술의 소개는 명확 하 고 실용적인 응용 프로그램의 시간 해결 STM의 이전 지켜지지 않은 물리학을 측정 하는 중요 한 데모를 제공 합니다. 교차점 앞, STM 혼합으로 빨리 하는 것은 아니지만 임의의 샘플 조사를 허용 STM 팁에 펄스 마이크로웨이브를 적용 합니다. 이 기술은 어떤 복잡 한 광학 방법론 또는 STM 접합에 광 액세스 필요 하지 않습니다. 이것은 낮은 온도 STMs에 적응 하기 쉬운 기술. 이 기술의 첫 번째 데모는 스핀 편광 STM를 스핀 상태 펌프 펄스11흥분된의 휴식 역학 측정 하는 데 사용 했다 회전 역학의 연구에 적용 했다. 최근까지, 자석 adatom 시스템12,,1314 남아 제한 하지만 응용 프로그램 개별 중간 간격에서 캐리어 캡처 속도의 연구에 확장 되었습니다 이후15 와 역학을 충전 단일 비소 dopants 실리콘15,16. 후자의 연구가이 작품의 초점 이다.

보완 금속 산화물 반도체 (CMOS) 장치는 지금 입력 정권이 어디 단일 dopants 장치 속성17 영향을 미칠 수 있기 때문에 단일 dopants 반도체에서의 속성에 대 한 연구는 상당한 관심을 끌었다 최근 . 더하여, 몇몇 학문은 설명 했다 미래의 디바이스의 기본 구성 요소로 서, 예를 들어 qubits 양자 계산18 및 양자 메모리19, 및 단일 원자 트랜지스터가20 단일 dopants 사용할 수 있습니다. , 15. 미래 장치 또한 실리콘 본드 (DB) STM 리소 그래피21원자 정밀 패턴 수 매달려 등 다른 원자 규모 결함을 통합할 수 있습니다. 이 위해, DBs 충전 qubits22, 양자 점 양자 셀룰러 오토 마 타 아키텍처23,24, 및 원자 전선25,26 으로 제안 되어 고 만드는 패턴 양자 해밀턴 논리 문27 및 인공 분자28,29. 앞으로 이동, 장치 단일 dopants 및 DBs를 통합할 수 있습니다. 이 매력적인 전략 DBs는 될 수 있는 쉽게 STM 특징 단일 불순물 장치 특성화를 핸들로 사용 표면 결함 때문입니다. 이 전략의 예를 들어, DBs 표면 근처 dopants의 충전 역학 유추 충전 센서로이 작품에 사용 됩니다. 이러한 역학 모든 전자 TR-STM 싫은 연구진이 개발한 기술에서 적응을의 사용 하 여 캡처 11

측정 종료 수소 Si(100)-(2x1) 표면에 선택한 DBs에서 수행 됩니다. 도 펀트 고갈 영역 확장 약 60 nm, 표면 아래 크리스탈30의 열 처리를 통해 만든 DB와 대량 밴드에서 몇 나머지 표면 근처 dopants 분리. DBs의 STM 연구 그들의 전도도 글로벌 샘플 등의 매개 변수, dopants의 온도, 농도에 따라 결정 되지만 개별 DBs는 또한16그들의 지역 환경 따라 강한 유사를 보여을 발견 했다. 단일 DB 이상의 STM 측정, 동안 전류 흐름 속도는 전자 팁 (Γ)을 DB와 DB (Γ대량)에 대량에서 터널 수에 의해 규율 됩니다 (그림 1). 그러나, DB의 전도 지역 환경에 민감한 때문에, 가까운 dopants의 충전 상태 Γ대량 (그림 1B), DB의 전도성을 모니터링 하 여 유추 될 수 있는 영향. 결과적으로, DB의 전도도 근처 dopants의 충전 상태를 감지 하는 데 사용할 수 있습니다 되는 dopants는 요금 제공 대량 (ΓLH)에서 전자를 결정 하는 데 사용 수 있고 STM 팁에 그들을 잃고 (ΓHL < / c13 >). 해결 하려면 이러한 역학, TR-STS는 끝 표면 근처 dopants의 이온화를 유도 임계값 전압 (Vthr) 주위 수행 됩니다. 펌프와 프로브 펄스의 역할은 세 가지 시간 해결 실험 기술 여기에서 동일. 펌프 정도 제공 바이어스 레벨 아래에서 V, 불순물의 이온화를 유도 이상 합니다. 이 낮은 바이어스에 따르는 프로브 펄스에 의해 샘플링 되는 DB의 전도성을 증가 시킵니다.

이 문서에 설명 된 기술을 그 STM와 나노초 시간 간격을 밀리초에서 발생 하는 역학을 특성화 하고자 도움이 됩니다. 이러한 기술은 충전 역학 공부에 국한 되지 않습니다, 하는 동안 역학의 STM (즉, : 상태 또는 표면 근처에)에 의해 조사 될 수 있는 전도성 과도 변화를 통해 보여진는 결정적 이다. 프로브 펄스 듀티 사이클 (일반적으로 시스템 잡음 플로어 보다 작은 경우 임시 상태의 전도성 다 하지 않습니다 크게 평형 상태에서 변이 및 평형 전류 사이의 차이 곱한 되도록 1 pA), 신호는 잡음에 손실 됩니다 하 고이 기술에 의해 감지 되지 않습니다. 이 문서에서 설명 하는 데 필요한 상업적으로 사용할 수 있는 STM 시스템의 실험 수정 겸손 이기 때문에, 이러한 기술을 널리 사회에 액세스할 수 있을 것입니다 예상 된다.

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Protocol

1. 현미경 및 실험 초기 설정

  1. 초고를 시작 수 있는 극저온 STM 진공 및 제어 소프트웨어 관련. 저온 온도에 STM을 냉각 한다.
    참고:이 보고서 초고 진공을 의미를 달성 하는 시스템 < 10 x 10-10 Torr. 극저온 온도;에 STM은 냉각 한다 이것은 겸손 한 온도에서 활성화 열 dopants의 충전 역학 조사 때 특히 중요 하다입니다. 다른 실 실내 온도에 있을 수 있습니다.
  2. STM 팁은 높은-주파수 배선 (~ 500 MHz)를 갖추고 있는지 확인 합니다.
    참고: 메서드를 형성 하는 펄스를 사용 하 여 표준 극저온 온도 동축 배선 (~ 20 MHz) STM의 시간 응답에서 큰 증가 보고 되었습니다 그 외 여러분 에 의해 31
  3. 펌프-프로브 실험에 사용 되는 전압 펄스 쌍의 사이클을 준비 하는 데 사용 됩니다 (그림 2), 끝에 두 개 이상 채널 임의 함수 발생기를 연결 합니다.
  4. 펌프와 프로브 전압 펄스 독립적으로 생성 되 고 팁으로 공급 되 고 전에 표현 하는 임의 함수 발생기를 구성 합니다.
  5. 이미징 및 기존의 분광학 샘플 (VDC)를 사용 하는 DC 바이어스 전압을 적용 합니다.
  6. 임의 함수 발생기의 출력 채널에 두 개의 무선 주파수 스위치를 연결 합니다.
  7. 팁 STM 이미지와 평범한 분광학, 동안 외출 것 이며 효과적인 바이어스 VDC + V펌프-프로브 실험 (그림 4A) 동안 스위치를 구성 합니다.
  8. 터널링 하는 샘플에 연결 된 프리 앰프를 통해 모든 측정 전류를 수집 합니다.

2입니다. H-Si(100)-(2x1) 재건의 준비

  1. 실리콘 카바 이드 선 침으로는 웨이퍼의 뒷면을 긁 고 부드럽게 유리 현미경 슬라이드 웨이퍼에서 샘플을 스냅 하 여 3-4 ㏁ n 형 비소 실수로 Si(100) 웨이퍼에서 샘플을 쪼개 다.
  2. STM 샘플 홀더를 샘플을 부착 하 고 STM 챔버에 인접 한 초고 진공 챔버를 소개.
  3. Resistively (는 고온 계는 샘플의 온도 모니터링 하는 데 사용할 수 있습니다) 600 ° C에 난방 초고 진공에서 적어도 6 h에 대 한 해당 온도에서 누른 샘플을 드.
    참고: 압력 것입니다 처음으로 상승 샘플 및 샘플 홀더 드, 하지만 기본 압력 근처 안정화 해야 (< 10-10 Torr) 몇 시간 후.
  4. 계속 하기 전에 실내 온도에 냉각 샘플을 수 있습니다.
  5. Resistively 1800 ° C에 필 라 멘 트를가 열 하 고 기본 압력 복구 시스템에 대 한 대기에 의해 샘플으로 동일한 약 실에 있는 텅스텐 필 라 멘 트를 드. 계속 하기 전에 필 라 멘 트를 해제 합니다.
    참고: 샘플 수 유지 챔버에이 단계 동안 기본 산화물 층 표면에 의해 패는 때문에이 단계에서 발생 하는 샘플 표면의 어떤 오염 든 지 연속적으로 제거 될 것 이다. 필 라 멘 트의 온도 고온 계를 사용 하 여 필 라 멘 트에 적용 된 특정 전류/전압을 보정 해야 합니다.
  6. 10 그 온도에서 누른 깜박이 900 ° C에 샘플 샘플 표면에서 산화물을 제거 하기 전에 실내 온도에 냉각 s. 압력 깜박이 과정 기본 압력에서 몇 배나 높아집니다. 이 절차를 통해 발견 하는 섬광의 각, 후 실내 온도와 기준 압력에 계속 하기 전에 복구 하 시스템을 샘플에 대 한 기다립니다.
    참고: 깜박이 열 및 냉각 100 순서 높은 램프 레이트와 샘플으로이 보고서 내에서 정의 됩니다 ° C/s.
  7. 점차적으로 1250 ° c.의 최종 플래시에 도달 하려고 시도 하는 동안 높은 온도에 샘플을 플래시 압력 9 x 10-10 Torr에서 방지 하기 위해 샘플 표면 오염 점점 올라가면 어떤 플래시를 중단 합니다. 1250 ° C (단계 2.6에서에서가 열 된 필 라 멘 트에 의해 주어진 빛은 고온 계 샘플의 온도, 정확한 결과 주는에서 하며 따라서이 설정치를 사용 한다) 플래시를 달성 하는 데 사용 전압/전류를 기록 합니다. 최종 플래시에 전압/전류 크리스탈 냉각으로 샘플 330 ° C에가 열 하는 데 필요한 결정 다음 샘플 실내 온도에 냉각 하 고 계속 하기 전에 기본 압력을 복구 하는 시스템.
  8. 1 x 10-6 Torr의 압력에서 챔버로 H2 가스를 누출 하 고 1800 ° c 텅스텐 필 라 멘 트가 열
    참고:이 크래킹 atmoic 수소32H2 의 효과가 있다.
  9. 5 그 온도에 그것을 들고 1250 ° c, 샘플을 점멸 하기 전에 2 분 동안 이러한 조건에서 샘플을 잡고 s, 및 330 ° c 냉각
  10. 330 ° C에 노출의 1 분 후 동시에 H2 누설 밸브, 텅스텐 필 라 멘 트, 끄고 샘플 식 실내 온도에.
    참고: 이러한 고온 플래시 샘플에서 dopants의 분포를 영향을 줍니다. 1250 ° C에 난방 근처 샘플 표면30~ 60 nm 불순물 고갈 영역을 유도 하는 것이 발견 되었습니다.
  11. 표면의 STM 이미지를 복용 하 여 샘플의 품질을 확인 합니다.
    참고: 좋은 샘플 큰 있을 것 이다 (> 30 nm x 30 nm)의 결함 율과 테라스 < 1% (매달려 채권, 흡착된 분자, adatoms, )와 고전적인 Si(100)-(2x1) 재건32, 이합체 행 기능을 시연할 예정 이다 실행 antiparallel 서로 단계 가장자리 (그림 3B)에 걸쳐.

3. 터널 접합에 펌프-프로브 펄스의 품질 평가

  1. -1.8 V의 샘플 바이어스 50 pA의 현재 설정치와 현재 피드백 컨트롤러를 참여 하 여 STM 팁 샘플 표면에 접근.
    참고:이 조건 하에서 팁은 추정 < 1 샘플 표면에서 nm. 이 작품에 사용 된 STM 팁 다 텅스텐을 화학적으로 에칭 하 여 제작 되었다. 그것은 질소 에칭 Rezeq 외. 에 잘 설명 되어 있는 절차를 사용 하 여 더 날카롭게 했다 33.
  2. 큰 영역 스캔 (예를 들어, 50 nm x 50 nm)를 복용 하 여 큰 표면 결함에서 무료로 샘플 표면 영역을 찾고 있습니다.
  3. 위치는 STM 팁 표면에 H 시에는 STM 이미지 (그림 3B)에서 이합체 행으로 나타납니다.
  4. 현재 피드백 컨트롤러 해제
  5. -V 1.0을 VDC ,-0.5 V에 V펌프 ,-0.5 V에 V프로브 , 200 펌프와 프로브 펄스의 폭을 설정 ns, 그리고 2.5 펄스의 상승/하강 시간 ns (그림 4A).
  6. 보내기의 펌프와 프로브 펄스의 열차 시리즈 펌프와 프로브 상대적 지연-900에서 전파는 900 ns ns.
  7. 터널링 하는 펌프와 프로브 사이 지연의 기능으로 현재 플롯. 그것은 가능성이 강한 울리는 (진동 터널링 하는 펌프와 프로브 펄스, 그림 4B사이 상대적 지연의 기능으로 현재에) 설명할 것 이다.
    참고: 파이썬과 근원 소프트웨어 플롯, 분석 및 평가 하는이 원고에 대 한 수집 된 데이터에 사용 되었다.
  8. 3.1-3.5, 단계를 반복 하지만 펄스의 상승/하강 시간 증가. 울리는 상승/하강 시간 증가 줄일 것 이다.
    그러나 참고: 그것은 제공 하는 가장 정확한 분 광 결과를 울리는 제거 원하는,, 이러한 기술은 시간 해상도 사용 하는 펄스의 폭을 제한. 25 ns 상승 시간이이 일을 위해 사용 되었다.

4. 시간-해결 터널링 분광학 (TR-STS) 검색

  1. 위치는 STM 실리콘 DB 통해 부정적인 tip 샘플 편견 (그림 3B)에서 밝은 돌출으로 나타나는 팁.
  2. STM 현재 피드백 컨트롤러를 해제 합니다.
  3. 기차만 프로브 펄스 반복 속도 25 kHz의 구성 보냅니다. 500의 범위 프로브 펄스의 바이어스 펄스 트레인의 시리즈를 통해 청소-1.8 V의 DC 바이어스에서 mV.
    참고:이 간단한 실험은 기존의 STS 편견의 범위는 계수 샘플링 되는 어디에 비슷합니다.
    1. 결과 스펙트럼 있다 신호 대 잡음 비 (각각 다른 바이어스)는 펄스 트레인의 기간을 구성 > 10.
  4. 기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, V V-1.8 V, 500 mV와-V 2.0, 각각.
    참고: 펌프 펄스 (1 µs는 일반적으로 충분 한) 임의로 긴 기간을 가질 수 있습니다.
  5. 열차 지연 10 다음 프로브 펄스와 펌프 펄스의 구성 보내기 ns. 이 실험에서 500 펌프 펄스의 진폭을 설정 mV와 500 50에서 프로브 펄스 스윕 mV.
    참고:이 실험에서 프로브 펄스 펌프 펄스에 의해 준비 상태 보다는 기존의 STS에서 평형 상태 샘플링입니다.
    1. 펌프 펄스에만이 단계에서 수집 된 신호 표시/평가할 때 적용 하는 때 신호를 뺍니다.
  6. 프로브만을 비교 하 고 펌프 + 프로브를 같은 그래프에 플롯 하 여 신호. 2 개의 신호에 어떤 히스테리시스 시간 해결 STM 기법 조사 수 역학의 표시입니다.
    참고: 고정 프로브 펄스의 범위를 유지 하 고 조 악 하 게 DC를 검색 하 여 (0.25 V 단계에서 예를 들면), 오프셋된 한 효율적으로 매핑할 수 역학 기술에 액세스할 수를 식별 하는 샘플의 전체 에너지 범위. 펄스 기간 실험에 따라 수정할 수 있습니다. 펌프 펄스의 폭 되도록 그것이 일관 되 게는 불순물을 이온화 되는 불순물 이온화 되, 속도 보다 더 필요 합니다. 일반적으로, 조사 기간이 두 전도도의 평균 샘플링 없이 최대 신호를 측정할 수 있다 그런 역동적인 과정 연구, 아래와 같은 순서로 이어야 합니다. 존재는 역학에서 에너지에 대 한 검색 하는 경우는 한 국가의 시스템은 히스테리시스 향상 측정 프로브 기간 최소화 하는 것이 좋습니다. 이완 시간 상수는 발견으로 신호 대 잡음 비를 개선 하기 위해 프로브 펄스의 지속 시간을 늘릴 수 있습니다.

5. 시간 해결 STM 휴식 역학의 측정

  1. 실리콘 DB 이상의 STM 팁을 놓고 STM 현재 피드백 컨트롤러를 해제 합니다.
  2. 기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, V V-1.8 V, 400 mV와-V 2.0, 각각.
    참고: 펌프 펄스 (1 µs는 일반적으로 충분 한) 임의로 긴 기간을 가질 수 있습니다.
  3. 펌프와 프로브 펄스의 기차를 보냅니다. 프로브 펄스 진폭을 펌프 보다는 고에 히스테리시스 범위에 비해 발생 확인 (V프로브 < V펌프, V프로브 + VDC Vhystersis).
  4. 청소 µs의 몇몇 10까지 펌프와 프로브 펄스 사이의 지연.
  5. 펌프 펄스만 적용 했을 때 확인 하는 신호를 뺍니다. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, VV프로브 -1.8 V, 400 mV와 210 mV, 각각. -5 μ s에서 35 μ 상대적 지연 청소를 설정 합니다.
    참고: 신호에서 취득 하는 경우 이전 단계는 잘 맞는 (R2 > 0.80) 단일 지 수 감퇴 기능에 의해 다음 펌프 펄스에 의해 준비 하는 과도 상태의 일생에서에서 추출 수 있습니다 적합.

6. 시간 해결 STM 여기 역학의 측정

  1. 기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 보다 큰 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 VDC V-1.8 V와-V 2.0을 각각 설정. V220와 450 mV 사이펌프 를 설정 합니다.
  2. 몇 나노초 몇 백 나노초의 펌프 펄스의 지속 시간을 청소.
  3. 펌프와 프로브 펄스의 기차를 보냅니다. 프로브 펄스 진폭 펌프 보다 작은 있어야 하 고에 히스테리시스 범위에 비해 발생 (V프로브 < V펌프, V프로브 + VDCV hystersis). 이 실험에서 210 V프로브 설정 mV.
  4. 프로브 펄스만 적용 했을 때 확인 하는 신호를 뺍니다.
    참고: 신호 얻은 지 수, 그것 이면 펌프 펄스 맞는에서 추출 수 있는 속도로 과도 상태 (이온된 불순물) 준비 (R2> 0.80). 위에서 설명한 프로토콜은 실험 및 여기서 설명 하는 장비입니다. 다른 시스템의 연구에 대 한 그들의 자신의 실험 설치를 사용자 지정 하는 독자에 대 한 많은 잠재적인도 있다. 예를 들어 일반적인 기술은 저온 냉각된 STMs;에 국한 되지 않습니다. 팁 자료를 사용할 수 있습니다, 그리고 그들은 질소 에칭을 필요 하지 않습니다. 또한, 적절 한 프로그램된 임의 함수 발생기는 2 개의 독립적인 채널을 합계 하는 필요를 깨뜨릴 것 더블 펄스 파형을 생성 하 사용 될 수 있습니다. 마지막으로, 낮은 대역폭 케이블 사용된31일 수 있었다.

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Representative Results

결과 텍스트의이 섹션에는 이전에 게시15,16되었습니다. 그림 3 선택 예의 동작을 보여 줍니다. 기존의 STM와 DB. 기존의 I(V) 측정 (그림 3A)는 명확 하 게 V에서 DB의 전도도에 날카로운 변화를 묘사-V 2.0을 =. 이 동작은 또한 STM 이미지 DB에 있는 밝은 돌출, 얼룩 덜 룩 한 돌출, 그리고 어두운 우울증의 모양을 각각-2.1 (그림 3B, 왼쪽된 패널) V,-2.0 V (중간 패널), 및-1.8 V (오른쪽 창)에서 찍은에서 관찰 됩니다. 이 전환 또한 z 컨트롤러 해제와 V, 2-레벨에서 어느 결과 전신 잡음 (그림을 설정 하는 바이어스 DB 위에 직접 배치 하는 팁과 수집 터널링 하는 현재 보고 관찰 될 수 있다 3 C). 결정적으로,이 측정에는 STM 팁 DB에 직접 배치 했다. DB의 충전 상태 변동 날짜 표시줄 아래에 발생 하는이 배열에서 e / IT = 2ns는 스위칭 관찰 보다 훨씬 빠릅니다. 따라서, 관찰된 행동 DB의 전도도 영향을 미치는 근처 dopants의 충전 역학에 기인 된다. 그것은 DB의 중간 갭 에너지의 확장 된 파동 함수 상태 법 실시 하는 팁 대량 전도 대에서 전자 관찰 된 행동은 명백한만 팁은 DBs 위에 직접 놓으면 다리 때문에 유의 해야 합니다. 바이어스 증가 했다 전신 잡음의 주파수 또한 강력 하 게 증가,-2.02 V에서 스위칭 동작 이상 해결 될 수 STM의 프리 앰프에 의해 직접 그런. 이 시간 해결 스캔 터널링 현미경 (STM TR)를 사용 하 여 동기를 부여 하 고 시간 해결 터널링 분광학 (TR-STS) 검색.

그림 4 는 교차점에 전달 하는 펄스의 품질을 평가 하기 위해 사용할 수 있는 메서드를 보여 줍니다. 울리는 때 빠른 상승 시간 사용 되는 펌프와 프로브 펄스 STM 회로 터널 접합 사이의 임피던스 부정합 때문에 관찰 된다. 펌프와 프로브 펄스의 교차 상관 관계 제로 지연 통해 프로브 펄스의 상대적 지연 연소 하 여 생성할 수 있습니다. 현재 터널링에 강한 증가 펌프와 프로브 펄스 I(V) 측정의 특성 비 선형 동작으로 인해 겹칠 때 발생 합니다. 울리는 작은 진폭 진동 터널링에 양쪽에 현재 근원의 통해 각 성. 2.5에서 펄스의 상승 시간을 증가 하 여 25 ns ns, 둥글게의 강력한 억제가 관찰 된다. 생성 된 각 펄스 상승 시간 신호의 상대 오프셋 펄스 폭은 측정 펄스 상승 시간을 포함 하는 사실의 결과 이다. 따라서, 펄스 2.5 ns 상승 시간을 가진 더 중대 한 통합된 지역 있고 따라서 큰 통합 된 현재, 25 ns 상승 시간을 가진 펄스에 비해. 이 그 양적 비교 하이라이트 TR STM의 측정만 수행 해야 때 사용 하는 펄스의 상승 시간 같은지.

그림 5 에서는 TR-STS를 보여 줍니다. 이러한 측정에 펌프 펄스 정도 V세, 위와 프로브 펄스 과도 상태의 계수를 심문 후에 즉시 시스템을 제공 합니다. 펌프 + 프로브로 얻은 신호 에서만에서 프로브 인수 신호를 빼서 일시적 상태의 전도도 매핑할 수 있습니다. 펌프 + 프로브 및 프로브 유일한 신호는 직접 비교는, 어떤 히스테리시스 나타내는 TR-STS에 의해 조사 될 수 있는 동적 프로세스입니다. 고정된 DC 오프셋된 바이어스의 값을 변경, TR-STS에서 탐색할 수 있는 시스템의 역학 관계를 효율적으로 확인할 수 있습니다.

TR-STS에 그것은 펌프와 프로브 펄스의 지속 시간을 고려 하는 것이 중요입니다. 펌프 펄스 시스템의 정상 상태를 유도을 충분히 긴 있어야 (즉, 펌프 높은 전도도 상태에). 그러나 프로브 펄스의 기간이 너무 긴 경우에,, 다음 낮은 프로브 진폭에는 DB의 전도도 쉴 수 있는 측정 동안. 이 경우에, 프로브 펄스 두 DB의 높고 낮은 전도도 상태 샘플 하 고 히스테리시스의 가시성을 줄일 수 있습니다. 따라서, 히스테리시스의 가시성을 극대화 하기 위해 프로브 펄스 기간 높은 전도도 상태의 이완 속도 보다 짧은 이어야 한다.

그림 6 에서는 펀트와 여기 역학의 측정 시간 해결 보여 줍니다. TR-STS에서 샘플 V, 아래 고정된 DC 오프셋된 바이어스로 설정 하 고 펌프 펄스 정도 V위의 시스템을가지고. 휴식 역학 조사 펄스 (그림 6A)의 상대적 지연 스윕하여 조사 했다. ΓHL 추출 허용 단일 지 수 감퇴로 상대적 지연 (그림 6B)의 기능으로 현재 조사에의 음모를 피팅. 그것은 중요 한 것이 결코 단일 사이클에 대 한 관찰, 오히려 ΓHL 많은 이벤트의 구성 된 시간 평균 터널링 전류에서 유추 됩니다. 이 광학 분광학, 어디 흥분된 상태의 수명이 결정 될 수 있다는 앙상블의 단일 측정에서 제외 하 고이 경우 한도 펀트의 수명을 나타낼 수 있다 측정의 앙상블을 통해 때문에 그것은 STM 팁에 의해 직접 조사 될 수 있다. 그것은 고정된 오프셋 0, 아니라 오히려 그림 6B에서 관찰 조사 현재 부패 하지 않습니다 참고 해야 합니다. 이것은 펌프 펄스 측정 시간 내 부패 하지 않습니다 ( 그림 3C에서 밀리초 규모 전신 소음으로 관찰) 역학을 자극 하기 때문에. 이 연구에서 DB의 전도도 뚜렷한 이완 시간 상수와 두 개의 dopants에 의해 문이 나타냅니다. 그림 6 c -0.6 V-V 0.25에서 펌프의 진폭은 변화 하는 어디 제어 실험을 보여 줍니다. 펌프 진폭의 기능으로 이온 상태의 수명에 변화를 추가 동적 프로세스 V하 고 에너지에 가까이 있음을 나타내는 것 이다. ΓHL -2.05 V 넘어 일정 때문에 그것만 두 확인 된 dopants의 충전 상태는 DB의 전도도 게이팅은 결론은.

여기 역학 (그림 6D) 펌프 펄스의 폭을 스윕하여 조사 했다. Γ LH 펌프 폭 (그림 6E)의 기능으로의 시간 평균 전류 지 수 적합에서 추출 되었다. 펌핑된 바이어스 V를 초과 하지 않는, 있다 펌프 너비와 터널링 사이 아무 관찰된 의존 현재는 dopants 중립 남아 있기 때문에. 펌핑된 바이어스 V를 초과 하면, 전자는 이온화 불순물을 떠나는 끝에는 불순물에서 터널 수 있습니다. 펌프의 폭을 스윕하여 평균 속도도 펀트 이온 수는 매핑됩니다. 그림 6 층 펌프의 진폭의 기능으로 ΓLH 의 의존을 조사합니다. DB는 단일 불순물에 의해 문이, ΓLH 전체 바이어스 범위16이상 펌프의 진폭으로 기 하 급수적으로 확장할 예정 이다. 이 예상 되므로 불순물의 이온화 속도 팁에 적용 바이어스와 확장 로컬 전기장 강도 기 하 급수적으로 따라 달라 집니다. DB1, 모든 이전 숫자에서 공부 하는 DB는-2.05 V에서-2.1 V 및-2.25 V, 그리고 단계 사이 지 수 의존을 보여줍니다. 이 단계는 d b 1 2 개의 가까운 dopants에 의해 문이 추가 증거입니다. 지 수 의존 범위-1.3 V-V, 단일 불순물 문이 그것을 나타내는 1.6에 d b 2에 대 한 관찰 되었다. DB2는 밀리초 날짜 표시줄 넘어 어떤 역학을 전시 하지 않았다 그리고 그러므로 다른 시간 해결 기술을 공부 하지 했다.

Figure 1
그림 1: 시스템의 연구 및 그것의 관련된 에너지 다이어그램의 도식. (A) 현재 DB은 주로 속도 Γ대량Γ, 팁을 DB와 db, 대량에서 전달 하는 전자로 구성 실리콘 위에 직접 배치 STM 팁에 의해 샘플링 각각. 비소 dopants, 녹색 볼으로 표현 또한 있다 (ΓHL) 작성 비우는 시간 해결 STM 측정에 의해 조사 될 수 있는 요금 (ΓLH) 및. (B)는 이온화 불순물 (녹색 곡선)의 전도 밴드 가장자리는 내려 오게 상대적으로 불순물은 중립 (검은색 곡선), 증가 계수 귀착되는 때. 에너지 다이어그램-V 2.0의 샘플 바이어스 계산 했다. 블루 색된 영역 채워진된 상태를 나타냅니다. 이 그림 Rashidi 에서 허가로 촬영 되었습니다. 16 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: TR STM이이 작품에서 설명 하는 방법으로 수행할 수 있습니다 그런 상업적인 STM을 만들 수 있어야 합니다 필요한 수정. DC 오프셋된 바이어스는 샘플에 적용 되 고 STM 이미지와 평범한 분광학의 STM 팁을 접지 된. 시간 확인 측정을 위해 사용 될 때 2 개의 독립적인 채널 임의 함수 발생기에 의해 생성 하는 신호 표현 되며 높은 주파수 케이블 장착 해야 합니다 STM 팁에. 2 고주파 스위치는 펄스 트레인을 제어 하는 데 사용 됩니다. 터널링 전류 샘플 측면에서 측정 됩니다. 이 그림 Rashidi 에서 허가로 촬영 되었습니다. 16 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3: 기존의 STM와 선택 된 DB의 분 동작. (A) 일정 한 높이에서 수집 된 DB 통해 I(V) 측정. (-2.0 V, 중간)에 (-2.1 V, 왼쪽), 넘어 DB의 (B) 정 전류 STM 이미지 (-1.8 V, 오른쪽) 아래 임계값 전압. H-Si(100)-(2x1) 재건의 이합체 행 평행 봉으로 표시 됩니다. (C) 현재 피드백 임계값 전압 (-2.01 V)에서 DB를 통해 얻은 전류-시간 추적에서 STM의 컨트롤러 밀리초 날짜 표시줄에 2 국가 전신 잡음을 표시. 이 그림 Rashidi 동부 표준시 알 에서 허가로 촬영 되었습니다. 16 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4: 터널 접합에 펌프와 프로브 펄스의 교차 상관. 교차 상관 펄스 시퀀스의 (A) 회로도 정적 DC 오프셋된 바이어스 (녹색 막대) 샘플에 적용 됩니다. 펌프 펄스 (빨간색 막대)와 프로브 펄스 (파란색 막대) 사이의 상대적 지연 제로 지연 통해 휩 쓸입니다. 각 쌍 펌프와 프로브 펄스의 끝에 전송 하는 펄스의 기차를 나타냅니다. (B) 팁은 H-시 위에 있고 펌프-프로브 쌍의 기차 터널 접합에 전달 됩니다. 탐사선의 상대적 지연 프로브의 첨단에 펌프의 후행 가장자리부터 측정 되 고-900에서 공중 소탕 되었다 900 ns ns. -V 1.0의 정적 DC 오프셋 샘플에 적용 되었습니다. 펌프와 프로브 진폭 200 ns 폭-0.50 V로 설정 했다. 펄스의 상승/하강 시간을 25로 설정 했다 ns (블랙) 10 ns (빨간색), 그리고 2.5 ns (파란색). 그러나 전류 프로브는 측정에 5% 듀티 사이클에 대 한 계정에 20의 요인에 의해 증식 했다,, 시도 각 펄스 트레인의 통합된 영역 다르다는 사실에 대 한 수정 되었다. 삽입: 0 및 900 ns 상대적 지연 사이 울리는의 확대 보기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5: I(V) 분광학 (TR-STS) 터널링 스캔 시간 해결. TR-STS 펄스 시퀀스의 (A) 회로도 정적 DC 오프셋된 바이어스 (녹색 막대) 샘플에 적용 됩니다. 펌프 펄스 (빨간색 막대) 프로브 펄스 (파란색 막대) 앞. 각 쌍 펌프와 프로브 펄스의 끝에 전송 하는 펄스의 기차를 나타냅니다. (B) 1 µs 폭 펌프와 프로브 펄스와 TR-STS 측정. 히스테리시스 곡선 (파란색 원) 펌프와 펌프 (빨간 삼각형) 없이 사이 오버랩 시스템 쌍을은 바이어스 범위. DC 바이어스-1.80 V로 설정 되어, 펌프 바이어스-0.50 V, 그리고 프로브 바이어스 50 500에서 공중 소탕 되었다 뮤직 비디오. 펄스가 상승 하 고 떨어진 시간 25 ns, 펌프의 trailing edge와 프로브 펄스의 선행 가장자리 사이의 상대적 지연은 10 ns, 그리고 반복 속도 25 kHz. 이 그림 Rashidi 동부 표준시 알 에서 허가로 촬영 되었습니다. 16 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 6
그림 6:도 펀트 여기 및 이완 역학의 측정 시간 해결. (A,D) 펄스 시퀀스 회로도입니다. 정적 DC 오프셋된 바이어스 (녹색 막대) 샘플에 적용 됩니다. 펌프 펄스 (빨간색 막대) 프로브 펄스 (파란색 막대) 앞. 각 쌍 펌프와 프로브 펄스의 끝에 전송 하는 펄스의 기차를 나타냅니다. ΓHL 의 (B) 측정 펌프와 프로브 펄스의 상대적 지연 연소에 의해 이루어집니다. 펌프와 프로브 펄스 폭 1 µs의 있다. -1.80 V의 DC 오프셋; 샘플에 적용 됩니다. 펌프와 프로브 펄스-0.4 및-0.21 V의 진폭을 각각 있다. 실선은 단일 지 수 함수를 사용 하 여 데이터의 적합. (C) Γ다른 펌프 진폭에HL 의 측량. 오차 막대는 지 수의 표준 오류를 나타냅니다. (E) 측정 ΓLH 의 청소 펌프의 기간에 의해 이루어집니다. -1.80 V의 DC 오프셋 샘플에 적용 되 고 선택 된 DB는-2.05 V 프로브 펄스-0.21 V 대의 진폭을가지고. 실선은 단일 지 수 함수를 사용 하 여 데이터의 적합. 2 다른 펌프 진폭에서 ΓLH 의 (F) 측정 선택 DBs DB1 (빨간 삼각형) 텍스트의 다른 모든 측정을 위해 사용 하는 DB입니다. D b 2는 다른 선택 된 DB 이며 Rashidi 에 완벽 하 게 설명 16 실선은 단일 지 수 함수를 사용 하 여 데이터의. 이 그림 Rashidi 에서 허가로 촬영 되었습니다. 16 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

TR-STS는 펌프 펄스 적용 되지 않습니다의 이체는 기존의 STS에 비해 시스템 보다 지속적으로 높은 주파수에서 샘플링 되는. 프로브 펄스의 기간 적절 한 경우 (>ΓLH), TR-STS 신호 펌프 펄스 기존의 STS와 정확히 일치 하는 실험의 듀티 사이클에 비례 상수를 곱한 수 없이 인수 측정입니다. 이것은 가능 측정 잠금 증폭기, 그렇지 않으면 사용 되는 저역 통과 필터링으로 인해 신호의 알 수 없는 부분을 감소 것을 사용 하지 않고 만들어집니다. 이것이 싫은 그 외 여러분 에 의해 고용 하는 방법 사이의 중요 한 차이 11 그리고 그이 작품에 제시. 잠금 증폭기를 사용 하 여 측정의 감도 향상 시키기 위해 사용할 수 있습니다 하지만 기존의 STS 측정 TR-STS의 직접적인 비교를 방지 합니다. 이 감도 필요한 시스템에서 그것은 예상 두 방법 모두 그런 경험 역학를 효율적으로 검색 하 고 설정 잠금 앰프 추가 감도 해제 잠금 증폭기와 콘서트에서 사용 될 수 있습니다. 동안 여기 및 이완 역학의 특성.

이러한 기술의 주요 단점은 시간적 해상도 몇 나노초 현재 제한입니다. 이것은 몇몇 크기 순서 무엇 접합 혼합 또는 광학 기술로 달성 될 수 있다 보다입니다. 이 때 전압 하위 나노초 상승 시간으로 사용 되는 펄스, STM 회로 터널 접합31사이의 임피던스 일치 하지 않아 발생 하는 신호 울리는의 결과 이다. 실제로, 모든 전자 방법 시간 분해능으로 120 ps34 벌금으로 달성 하지만 그 해상도에서 역학 조사를 아직 사용 하지 않은. 최적으로 설계 된 STM 터널 접합, 완벽 하 게 임피던스 일치 하지 않는 것까지 완벽 하 게 임피던스 일치 하는 STM 회로 가질 것 이다. 이 것 왜곡 및 펄스의 분산 및 것 마이크로웨이브 파워를 반영 보다는 교차점에 걸쳐 제공. 결과 울린다를 제거 하는 가능한 전략 펄스를 효과적으로 감쇠 것 반영 STM 회로를 추가 소비를 추가 하려면 것입니다.

이 작품에서 가장 간단한 접근 찍은, 즉, 상업 STM 내부 수정 수행 되었습니다. 간 상관 관계 기술은 둥글게, 특성화 하는 단순히 펄스 상승 시간을 확장 하 여 다음 최소화 했다 사용 되었다. 펄스 상승 시간 제한 시간 분해능, 때문에 이러한 기술 (여러 ns)의 한계에 날짜 표시줄에 발생 하는 동적 프로세스 하이 전략을 사용할 수 없습니다. 이러한 상황에서 울리는 억제할 수 있습니다 적극적으로 그 외 여러분 에 의해 개발 된 기술을 채용 하 여 31 , 를 형성 하는 펄스의 임의 함수 발생기 및 터널 접합의 전달 함수에 대 한 고려를 포함.

TR STM에 모든 전자 접근 다른 저명한 TR STM 접근에 많은 이점이 있다. 첫째, STM 접합 혼합에 비해이 방법은 필요 하지 않습니다 어떤 특수 샘플 구조. 기존의 STM으로 검색 될 수 있으며 모든 샘플 이러한 기술에 순종 해야 합니다. 또한, 모든 전자 접근은 STM 나 초고속 광학의 사용에 중요 한 수정 필요 하지 않습니다. 실제로, 이러한 기법을 수행 하는 데 필요한 STM 회로에 대 한 수정은 매우 겸손 한 상업적인 STMs 높은 주파수 케이블로 사용할 수 있습니다. 또한, 모든 전자 방식으로 조사 하는 역학은 순전히 로컬 펄스 STM 팁에 직접 제공 됩니다. 이 SPPX-STM, 입사 레이저 펄스 몇 평방 미크론에 집중 될만 수와 대조 됩니다. 마지막으로, 모든 전자 방법 정확 하 게는 펌프와 프로브, 표준 STM 측정을 직접 비교를 허용의 편견을 조작 하는 기능을 허용 합니다. 이것은 몇몇이 문서에 설명 된 기술을 중앙 고 TR STM 광학 접근에서 비슷한 펄스 시퀀스를 구현할 수 있을 수 있습니다, 그것은 실험적으로 어렵습니다.

실험적인 기술 원자 공간 해상도와 나노초 시간 해상도 측정 충전 역학을 여기에 제시. 이 매우 접근 방식으로 공부 될 새로운 물리학의 풍부한이 있다. 예, 단일 원자의 역학은 매혹적이 고 중요 한 기술입니다. 단일 원자 역학 이전 기존의 STM의 한계 내에서 공부 했다 하지만이 기술은 6 추가 크기 순서 (나노초를 밀리초)에서 처리 하는 유사한 조사 문을 엽니다. 특히,이 교량 그들의 기반이 되는 기본 프로세스에 STM, 일반적으로 관찰 하는 느린 이벤트에서 간격.

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Disclosures

저자 들은 아무 경쟁 금융 관심사 선언 합니다.

Acknowledgments

우리는 그들의 기술력에 대 한 마틴 Cloutier 마크 Salomons를 감사 하 고 싶습니다. 우리 또한 재정 지원을 위한 NRC, NSERC, 및 AITF을 감사합니다.

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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