सभी इलेक्ट्रॉनिक Nanosecond-हल स्कैनिंग सुरंग माइक्रोस्कोपी: एकल Dopant प्रभारी गतिशीलता की जांच की सुविधा

Engineering

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Summary

हम एक सभी इलेक्ट्रॉनिक विधि nanosecond का निरीक्षण करने के लिए प्रदर्शन-एक स्कैनिंग सुरंग माइक्रोस्कोप के साथ सिलिकॉन में dopant परमाणुओं के आरोप गतिशीलता का समाधान ।

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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

dopants की छोटी संख्या को नियंत्रित कर सकते हैं जहां तराजू करने के लिए अर्धचालक उपकरणों के miniaturization डिवाइस संपत्तियों अपनी गतिशीलता निस्र्पक करने में सक्षम नई तकनीकों के विकास की आवश्यकता है. जांच एकल dopants उप नैनोमीटर स्थानिक संकल्प है, जो सुरंग माइक्रोस्कोपी (STM) स्कैनिंग के उपयोग को प्रेरित की आवश्यकता है । हालांकि, पारंपरिक STM मिलीसेकंड लौकिक संकल्प तक ही सीमित है । इस कमी को दूर करने के लिए कई विधियाँ विकसित की गई हैं, जिनमें सभी इलेक्ट्रॉनिक समय-समाधान STM, जो nanosecond संकल्प के साथ सिलिकॉन में dopant गतिशीलता की जांच करने के लिए इस अध्ययन में प्रयोग किया जाता है. यहां प्रस्तुत तरीके व्यापक रूप से सुलभ है और परमाणु पैमाने पर गतिशीलता की एक विस्तृत विविधता के स्थानीय माप के लिए अनुमति देते हैं । एक उपंयास समय-हल स्कैनिंग सुरंग स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक प्रस्तुत की है और कुशलता से गतिशीलता के लिए खोज करने के लिए इस्तेमाल किया ।

Introduction

स्कैनिंग सुरंगिंग माइक्रोस्कोपी (STM) परमाणु पैमाने पर स्थलाकृति और इलेक्ट्रॉनिक संरचना को हल करने की क्षमता के लिए nanoscience में प्रमुख उपकरण बन गया है । पारंपरिक STM की एक सीमा है, तथापि, यह है कि अपने लौकिक संकल्प क्योंकि वर्तमान एम्पलीफायर के सीमित बैंडविड्थ की मिलीसेकंड टाइमस्केल करने के लिए प्रतिबंधित है1. यह लंबे समय के लिए तराजू जिस पर परमाणु प्रक्रियाओं सामांयतः होते है STM लौकिक संकल्प का विस्तार लक्ष्य दिया गया है । समय में अग्रणी काम-फ्रीमैन एट. al . द्वारा सुरंगिंग माइक्रोस्कोपी (TR-STM) स्कैनिंग का समाधान किया । 1 उपयोग photoconductive स्विच और microstrip संचरण लाइनों सुरंग जंक्शन के लिए picosecond वोल्टेज दालों संचारित करने के लिए नमूने पर नमूनों. इस जंक्शन मिश्रण तकनीक 1 एनएम और 20 ps2के एक साथ संकल्प प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, लेकिन यह व्यापक रूप से विशेष नमूना संरचनाओं का उपयोग करने की आवश्यकता के कारण कभी नहीं अपनाया गया है । सौभाग्य से, मौलिक अंतर्दृष्टि इन कार्यों से प्राप्त कई समय के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है हल तकनीक; हालांकि STM के सर्किट की बैंडविड्थ कई kilohertz करने के लिए सीमित है, गैर रेखीय मैं (V) STM में प्रतिक्रिया की अनुमति देता है तेजी से गतिशीलता औसत सुरंग कई पंप जांच चक्र पर प्राप्त वर्तमान को मापने के द्वारा जांच की जा । हस्तक्षेप के वर्षों में, कई तरीकों का पता लगाया गया है, जिनमें से सबसे लोकप्रिय नीचे संक्षेप में समीक्षा कर रहे हैं ।

हिल-पल्स-जोड़ी-उत्साहित (SPPX) STM नमूना3में सीधे सुरंग जंक्शन और रोमांचक वाहक रोशन द्वारा उप picosecond संकल्प को प्राप्त करने के लिए ultrafast स्पंदित लेजर प्रौद्योगिकियों में प्रगति का लाभ लेता है. घटना लेजर प्रकाश मुक्त वाहक बनाता है कि क्षणिक आचरण को बढ़ाने, और पंप और जांच (टीडी) के बीच देरी के मॉडुलन डीमैं/dटीडी के साथ मापा जा करने की अनुमति देता है एक ताला एम्पलीफायर में । क्योंकि पंप और जांच के बीच देरी है लेजर तीव्रता से संग्राहक है, के रूप में कई अंय ऑप्टिकल दृष्टिकोण में, SPPX-STM टिप3के फोटो रोशनी प्रेरित थर्मल विस्तार से बचा जाता है । इस दृष्टिकोण के और अधिक हाल के एक्सटेंशन timescales पर जो SPPX-STM नाड़ी उठा तकनीक का उपयोग करके गतिशीलता की जांच करने के लिए पंप की सीमा बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है बढ़ाया है-जांच देरी बार4। महत्वपूर्ण बात, इस हाल के विकास भी मैं(टीडी) सीधे घटता बजाय संख्यात्मक एकीकरण के माध्यम से मापने की क्षमता प्रदान करता है । SPPX-STM के हाल के अनुप्रयोगों में वाहक पुनर्संयोजन के अध्ययन में शामिल है एकल-(Mn, Fe)/GaAs (110) संरचनाओं5 और GaAs में दाता गतिशीलता6. SPPX-STM के अनुप्रयोग कुछ प्रतिबंधों का सामना करते हैं । संकेत SPPX-STM उपाय ऑप्टिकल दालों से उत्साहित मुक्त वाहकों पर निर्भर करता है और सबसे अच्छा अर्धचालक के लिए अनुकूल है । इसके अतिरिक्त, हालांकि सुरंग चालू टिप करने के लिए स्थानीयकृत है, क्योंकि एक बड़े क्षेत्र ऑप्टिकल दालों से उत्साहित है, संकेत स्थानीय गुण और सामग्री परिवहन के एक कनवल्शनफ़िल्टर्स है । अंत में, जंक्शन पर पूर्वाग्रह माप टाइमस्केल पर तय की है ताकि अध्ययन के तहत गतिशीलता photoinduced होना चाहिए ।

एक और हाल ही में ऑप्टिकल तकनीक, टैरा STM (टीएचजैड-STM), जोड़ों मुक्त अंतरिक्ष टीएचजैड दालों STM टिप करने के लिए जंक्शन पर ध्यान केंद्रित । SPPX-STM में विपरीत, युग्मित दालों फास्ट वोल्टेज दालों के रूप में उप-picosecond संकल्प7के साथ इलेक्ट्रॉनिक प्रेरित उत्तेजक की जांच के लिए अनुमति के रूप में व्यवहार. दिलचस्प है, सुधारा वर्तमान में टीएचजैड दालों से उत्पंन चरम चोटी वर्तमान घनत्व में पारंपरिक STM8,9तक पहुंच नहीं है । तकनीक हाल ही में इस्तेमाल किया गया है Si (111) में गर्म इलेक्ट्रॉनों का अध्ययन-(7x7)9 और छवि एक एकल pentacene अणु के कंपन10। टीएचजैड-दालें स्वाभाविक रूप से कुछ टिप करने के लिए, तथापि, आवश्यकता एक STM प्रयोग करने के लिए एक टीएचजैड स्रोत को एकीकृत करने के लिए कई प्रयोगों के लिए चुनौतीपूर्ण होने की संभावना है. यह अन्य व्यापक रूप से लागू और आसानी से लागू करने वाली तकनीकों के विकास के लिए प्रेरित करता है ।

२०१० में, Loth एट अल । 11 एक सभी इलेक्ट्रॉनिक तकनीक विकसित की है जहां nanosecond वोल्टेज दालों एक डीसी ऑफसेट के शीर्ष पर लागू इलेक्ट्रॉनिक पंप और जांच प्रणाली11। इस तकनीक का परिचय समय के अस्पष्ट और व्यावहारिक अनुप्रयोगों के एक महत्वपूर्ण प्रदर्शन की पेशकश-हल STM को पहले से मनाया भौतिकी उपाय । हालांकि यह जंक्शन मिश्रण STM है, जो इसे पहले, STM टिप करने के लिए माइक्रोवेव दालों लागू करने के रूप में तेजी से नहीं है मनमाना नमूने की जांच करने के लिए परमिट । इस तकनीक किसी भी जटिल ऑप्टिकल तरीके या STM जंक्शन के लिए ऑप्टिकल का उपयोग की आवश्यकता नहीं है । यह यह सबसे आसान तकनीक को कम तापमान STMs के लिए अनुकूल बनाता है । इन तकनीकों का पहला प्रदर्शन स्पिन-गतिशीलता के अध्ययन के लिए लागू किया गया था जहां एक स्पिन-ध्रुवीकरण STM के लिए स्पिन के विश्राम की गतिशीलता को मापने के लिए इस्तेमाल किया गया था राज्यों पंप दालों से उत्साहित11. हाल ही में जब तक, अपने आवेदन चुंबकीय adatom सिस्टम12,13,14 तक ही सीमित है, लेकिन बाद से वाहक कब्जा दर के अध्ययन के लिए एक असतत मध्य अंतर राज्य15 और प्रभारी गतिशीलता से विस्तारित किया गया है सिलिकॉन में सिंगल आर्सेनिक dopants की15,16. बाद के अध्ययन में इस कार्य का ध्यान रखा जाता है ।

एक dopants के गुणों पर अध्ययन अर्धचालकों में हाल ही में महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है क्योंकि पूरक धातु ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) उपकरणों अब शासन जहां एकल dopants डिवाइस गुण को प्रभावित कर सकते हैं में प्रवेश कर रहे हैं17 . इसके अलावा, कई अध्ययनों का प्रदर्शन किया है कि एकल dopants भविष्य उपकरणों के बुनियादी घटक के रूप में सेवा कर सकते हैं, उदाहरण के लिए qubits के रूप में क्वांटम अभिकलन18 और क्वांटम स्मृति19, और के रूप में एकल एटम ट्रांजिस्टर20 , 15. भविष्य के उपकरणों को भी इस तरह के सिलिकॉन झूलने बांड (DB) जो STM लिथोग्राफी21के साथ परमाणु परिशुद्धता के साथ नमूनों किया जा सकता है के रूप में अंय परमाणु पैमाने पर दोष, शामिल हो सकते हैं । इस अंत करने के लिए, डीबीएस प्रभारी qubits22के रूप में प्रस्तावित किया गया है, क्वांटम सेलुलर माता के लिए23वास्तुशिल्पियों के लिए क्वांटम डॉट्स,24, और परमाणु तारों25,26 और बनाने के नमूनों किया गया है क्वांटम Hamiltonian तर्क गेट्स27 और कृत्रिम अणुओं28,29। आगे बढ़ने, उपकरणों दोनों एकल dopants और डीबीएस शामिल हो सकते हैं । यह एक आकर्षक रणनीति है क्योंकि डीबीएस सतह दोषों कि आसानी से STM के साथ विशेषता हो सकता है और एक dopant उपकरणों की विशेषता को संभाल के रूप में इस्तेमाल किया जाता है । इस रणनीति का एक उदाहरण के रूप में, डीबीएस के पास सतह dopants के चार्ज गतिशीलता का अनुमान लगाने के लिए चार्ज सेंसर के रूप में इस काम में इस्तेमाल कर रहे हैं । इन गतिशीलता TR-STM कि Loth एट अल द्वारा विकसित तकनीकों से अनुकूलित है के लिए एक सभी इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण के उपयोग के साथ कब्जा कर रहे हैं । 11

माप चयनित डीबीएस पर एक हाइड्रोजन समाप्त एसआई (100)-(2x1) सतह पर प्रदर्शन कर रहे हैं । एक dopant कमी सतह के नीचे लगभग ६० एनएम का विस्तार क्षेत्र, क्रिस्टल के थर्मल उपचार के माध्यम से बनाया गया30, डीबी और कुछ शेष पास थोक बैंड से सतह dopants । डीबीएस के STM अध्ययन में पाया गया है कि उनके कंडक्टर dopants और तापमान की एकाग्रता के रूप में वैश्विक नमूना मापदंडों, पर निर्भर है, लेकिन व्यक्तिगत डीबीएस भी अपने स्थानीय वातावरण16के आधार पर मजबूत बदलाव दिखा । एक एकल db पर एक STM माप के दौरान, वर्तमान प्रवाह दर जिस पर इलेक्ट्रॉनों को थोक से db (Γथोक) और डीबी से टिप (Γटिप) (चित्रा 1) के लिए सुरंग कर सकते हैं द्वारा नियंत्रित होता है । हालांकि, db का संचालन अपने स्थानीय वातावरण के प्रति संवेदनशील है, क्योंकि समीपवर्ती dopants के प्रभारी राज्य Γबल्क (आंकड़ा 1b) को प्रभावित करते हैं, जो डीबी के कंडक्टर की निगरानी से आस्थगित किया जा सकता है । नतीजतन, किसी DB के कंडक्टर को आस-पास के dopants के प्रभारी राज्यों को समझने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, और उन दरों का निर्धारण किया जा सकता है जिन पर dopants को थोक (ΓLH) से इलेक्ट्रॉनों की आपूर्ति की जाती है और उन्हें STM टिप (Γएचएल < /c13 >). इन गतिशीलता को हल करने के लिए, TR-अनुसूचित जनजातियों दहलीज वोल्टेज के आसपास किया जाता है (Vionization) जिस पर नोक के पास सतह dopants के लाती है । पंप और जांच दलहन की भूमिका तीन बार में ही हल की गई प्रायोगिक तकनीक यहां प्रस्तुत है. पंप क्षणिक नीचे से Vdopant, जो उत्प्रेरण ionization के ऊपर पूर्वाग्रह स्तर लाता है । यह डीबी के संचालन बढ़ जाती है, जो जांच पल्स द्वारा नमूना है जो एक कम पूर्वाग्रह पर इस प्रकार है ।

इस पत्र में वर्णित तकनीकों को STM के साथ nanosecond टाइमस्केल को मिलीसेकंड पर होने वाली गतिशीलता की विशेषता के लिए इच्छुक लोगों को लाभ होगा । हालांकि इन तकनीकों को चार्ज गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए सीमित नहीं हैं, यह महत्वपूर्ण है कि गतिशीलता राज्यों के संचालन में क्षणिक परिवर्तन के माध्यम से प्रकट कर रहे हैं कि STM द्वारा जांच की जा सकती है (यानी, राज्यों पर या सतह के पास). क्षणिक राज्यों के कंडक्टर काफी संतुलन राज्य से अलग नहीं करता है, तो इस तरह कि क्षणिक और संतुलन धाराओं जांच पल्स ड्यूटी चक्र से गुणा के बीच अंतर प्रणालियों शोर मंजिल से छोटी है (आमतौर पर 1 pA), सिग्नल शोर में खो जाएगा और इस तकनीक से detectable नहीं होगा । क्योंकि व्यावसायिक रूप से उपलब्ध STM प्रणालियों के प्रायोगिक संशोधनों के लिए इस पत्र में वर्णित तकनीकों प्रदर्शन की आवश्यकता मामूली हैं, यह प्रत्याशित है इन तकनीकों समुदाय के लिए व्यापक रूप से सुलभ हो जाएगा ।

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Protocol

1. माइक्रोस्कोप और प्रयोगों के प्रारंभिक सेटअप

  1. एक ultrahigh वैक्यूम क्रायोजेनिक सक्षम STM और संबद्ध नियंत्रण सॉफ्टवेयर के साथ शुरू करो । क्रायोजेनिक तापमान को STM ठंडा करें ।
    नोट: इस रिपोर्ट के दौरान, ultrahigh वैक्यूम सिस्टम को संदर्भित करता है जो < 10 x 10-10 Torr को प्राप्त करते हैं । STM को क्रायोजेनिक तापमान ठंडा किया जाना चाहिए; यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जब dopants के प्रभारी गतिशीलता है, जो थर्मल मामूली तापमान पर सक्रिय कर रहे है की जांच । अंय कक्षों कमरे के तापमान पर हो सकता है ।
  2. सुनिश्चित करें कि STM टिप उच्च आवृत्ति तारों (~ ५०० मेगाहर्ट्ज) के साथ सुसज्जित है ।
    नोट: पल्स को आकार देने के तरीकों का उपयोग करके, मानक क्रायोजेनिक तापमान समाक्षीय तारों के साथ एक STM के समय प्रतिक्रिया में एक महान वृद्धि (~ 20 मेगाहर्ट्ज) सकल एट अल द्वारा सूचित किया गया है. 31
  3. एक मनमाना समारोह जनरेटर कनेक्ट टिप (चित्रा 2), जो वोल्टेज पल्स जोड़े पंप जांच प्रयोगों के लिए इस्तेमाल के चक्र तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा करने के लिए कम से दो चैनलों के साथ.
  4. ताकि पंप और जांच वोल्टेज दालों स्वतंत्र रूप से उत्पन्न होते हैं और टिप में खिलाया जा रहा से पहले अभिव्यक्त मनमाने ढंग से समारोह जनरेटर विन्यस्त करें ।
  5. लागू डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज इमेजिंग और नमूना (वीडीसी) के लिए पारंपरिक स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए इस्तेमाल किया ।
  6. मनमाना समारोह जनरेटर के उत्पादन चैनलों के लिए दो रेडियो आवृत्ति स्विच कनेक्ट.
  7. स्विच को कॉंफ़िगर करें ताकि टिप STM इमेजिंग और पारंपरिक स्पेक्ट्रोस्कोपी के दौरान आधारित हो जाएगा, और प्रभावी पूर्वाग्रह वीडीसी + vटिप पंप जांच प्रयोगों (चित्रा 4a) के दौरान है ।
  8. नमूना से जुड़ा एक एम्पलीफायर के माध्यम से सभी माप के लिए सुरंगिंग वर्तमान लीजिए.

2. H-Si (100) की तैयारी-(2x1) पुनर्निर्माण

  1. एक 3-4 mΩ · cm n-type आर्सेनिक से एक नमूना सट एसआई (100) वेफर एक सिलिकॉन कार्बाइड scriber के साथ वेफर की पीठ scratching द्वारा और धीरे कांच माइक्रोस्कोप स्लाइड के साथ वेफर बंद नमूना तड़क ।
  2. एक STM नमूना धारक के लिए नमूना प्रत्यय और यह एक ultrahigh वैक्यूम STM चैंबर से सटे चैंबर के लिए परिचय ।
  3. resistively द्वारा नमूना Degas ६०० ° c (एक पाइरोमीटर नमूना के तापमान पर नजर रखने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है) और यह ultrahigh वैक्यूम में कम से कम 6 ज के लिए है कि तापमान पर पकड़ ।
    नोट: दबाव शुरू में नमूना और नमूना धारक degas के रूप में वृद्धि होगी, लेकिन आधार दबाव के पास स्थिर होना चाहिए (< 10-10 Torr) कई घंटों के बाद ।
  4. जारी रखने से पहले नमूना कमरे के तापमान को शांत करने की अनुमति दें ।
  5. resistively द्वारा नमूना के रूप में एक ही कक्ष में एक टंगस्टन रेशा Degas १८०० ° c करने के लिए रेशा हीटिंग और प्रणाली के लिए आधार दबाव को ठीक करने के लिए इंतजार कर । जारी रखने से पहले रेशा बंद कर दें ।
    नोट: नमूना इस चरण के दौरान चैंबर में रह सकते हैं, क्योंकि इसकी सतह पर देशी ऑक्साइड परत द्वारा passivated है, और इस चरण से उत्पन्न नमूना सतह के किसी भी संदूषण बाद में निकाल दिया जाएगा. रेशा के तापमान एक पाइरोमीटर का उपयोग कर रेशा के लिए एक विशिष्ट वर्तमान/वोल्टेज लागू करने पर तुले होना होगा ।
  6. ९०० ° c करने के लिए नमूना चमकती द्वारा नमूना सतह से ऑक्साइड निकालें और यह कमरे के तापमान को ठंडा करने से पहले 10 एस के लिए उस तापमान पर पकड़. दबाव चमकती प्रक्रिया के दौरान बेस दबाव से परिमाण के कई आदेश में वृद्धि होगी । इस प्रक्रिया में पाया चमक के प्रत्येक के बाद, नमूना के लिए प्रतीक्षा करने के लिए कमरे के तापमान और प्रणाली को शांत करने के लिए जारी रखने से पहले दबाव बेस ठीक करने के लिए ।
    नोट: चमकती इस रिपोर्ट के भीतर हीटिंग के रूप में परिभाषित किया गया है और उच्च रैंप दरों के साथ नमूना ठंडा, १०० डिग्री सेल्सियस के आदेश पर/
  7. उत्तरोत्तर उच्च तापमान के लिए नमूना फ़्लैश जबकि १२५० डिग्री सेल्सियस के एक अंतिम फ़्लैश तक पहुंचने का प्रयास । किसी भी फ़्लैश को निरस्त करें जहां दबाव 9x10 से ऊपर उगता है-10 Torr को दूषित होने से रोकने के लिए नमूना सतह । रिकार्ड वोल्टेज/१२५० डिग्री सेल्सियस फ़्लैश (२.६ चरण में गर्म रेशा द्वारा बंद दिया प्रकाश नमूना तापमान का एक सटीक पढ़ने देने से एक पाइरोमीटर को रोकने के लिए इस्तेमाल किया, और इस प्रकार इस setpoint इस्तेमाल किया जाना चाहिए) । अंतिम फ़्लैश पर, वोल्टेज का निर्धारण/३३० डिग्री सेल्सियस के लिए नमूना गर्मी के लिए आवश्यक के रूप में क्रिस्टल ठंडा है, तो नमूना कमरे के तापमान को शांत करते हैं, और सिस्टम को जारी रखने से पहले दबाव के आधार को ठीक कर देते हैं ।
  8. 1x10-6 Torr के दबाव में चैंबर में रिसाव एच2 गैस और १८०० डिग्री सेल्सियस के लिए टंगस्टन रेशा गर्मी ।
    नोट: यह एच2 atmoic हाइड्रोजन३२खुर का प्रभाव है ।
  9. १२५० डिग्री सेल्सियस के लिए नमूना चमकती पहले 2 मिनट के लिए इन स्थितियों में नमूना पकड़ो, यह 5 एस के लिए है कि तापमान पर पकड़े, और ३३० डिग्री सेल्सियस के लिए ठंडा ।
  10. ३३० डिग्री सेल्सियस पर जोखिम के 1 मिनट के बाद, एक साथ एच2 रिसाव वाल्व बंद, टंगस्टन रेशा बंद करो, और नमूना कमरे के तापमान को शांत करते हैं ।
    नोट: इन उच्च फ़्लैश तापमान नमूना में dopants के वितरण को प्रभावित । १२५० ° c करने के लिए हीटिंग नमूना सतह के पास एक ~ ६० एनएम dopant कमी क्षेत्र प्रेरित करने के लिए पाया गया है30.
  11. सतह के STM छवियों को लेकर नमूना की गुणवत्ता की जांच करें ।
    नोट: अच्छा नमूने < 1% की दोष दर (झूलने बांड, के साथ बड़ी (> 30 एनएम x 30 एनएम) छतों होगा adsorbed अणुओं, adatoms, आदि) और क्लासिक एसआई (100) का प्रदर्शन करेंगे-(2x1) पुनर्निर्माण३२, जो डिमर पंक्तियों सुविधाओं चरण किनारों में एक दूसरे को antiparallel रनिंग (चित्र बी) ।

3. सुरंग जंक्शन पर जांची गई दालों के पंप की गुणवत्ता का आकलन

  1. वर्तमान प्रतिक्रिया नियंत्रक ५० pA और का एक नमूना बायस-१.८ V के साथ उलझाने से नमूना सतह के लिए STM टिप Approach.
    नोट: इन शर्तों के तहत, टिप नमूना सतह से < 1 एनएम होने का अनुमान है । इस काम में प्रयुक्त STM टिप रासायनिक नक़्क़ाशी polycrystalline टंगस्टन द्वारा उत्पादित किया गया था । यह आगे बढ़ा दिया गया था एक नाइट्रोजन नक़्क़ाशी प्रक्रिया है, जो अच्छी तरह से Rezeq एट अल में वर्णित का उपयोग कर । ३३.
  2. बड़े क्षेत्र को स्कैन (जैसे, ५० एनएम x ५० एनएम) लेने के द्वारा बड़े सतह दोषों से मुक्त नमूना सतह पर एक क्षेत्र के लिए देखो ।
  3. सतह पर एक एच-एसआई पर STM टिप की स्थिति है, जो STM छवियों में डिमर पंक्तियों के रूप में दिखाई देते हैं (चित्र बी) ।
  4. वर्तमान फ़ीडबैक कंट्रोलर बंद करें
  5. vDC को सेट करें-१.० v, vपम्प टू-०.५ वी, वीजांच करने के लिए-०.५ वी, पंप की चौड़ाई और जांच के लिए दालों २०० एन एस, और वृद्धि/गिरावट के समय दालों के लिए २.५ एनएस (आंकड़ा 4a).
  6. पंप और जांच दालों की गाड़ियों की एक श्रृंखला भेजें जहां पंप और जांच के सापेक्ष देरी से बह रहा है-९०० एनएस को ९०० एनएस ।
  7. सुरंग पंप और जांच के बीच देरी के एक समारोह के रूप में वर्तमान प्लाट । यह संभावना मजबूत बज (पंप और जांच दालों, चित्रा 4B) के बीच रिश्तेदार देरी के एक समारोह के रूप में सुरंग वर्तमान में दोलनों का प्रदर्शन करेंगे ।
    नोट: अजगर और मूल सॉफ्टवेयर के लिए साजिश, विश्लेषण, और इस पांडुलिपि के लिए एकत्र आंकड़ों का मूल्यांकन किया गया ।
  8. दोहराएं कदम 3.1 – 3.5, लेकिन वृद्धि/गिरावट बार दालों की । बज में वृद्धि के रूप में कमी होगी/
    नोट: यह सबसे सटीक स्पेक्ट्रोस्कोपी परिणाम प्रदान करने के लिए बज समाप्त करने के लिए वांछित है, तथापि, इन तकनीकों का समय-संकल्प इस्तेमाल किया दालों की चौड़ाई तक ही सीमित है. 25 एनएस वृद्धि बार इस काम के लिए इस्तेमाल किया गया ।

4. समय-हल स्कैनिंग सुरंगिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (TR-अनुसूचित जनजातियों)

  1. एक सिलिकॉन DB पर STM टिप की स्थिति, जो नकारात्मक टिप-नमूना पूर्वाग्रहों (चित्र बी) में उज्ज्वल घुसपैठ के रूप में दिखाई देते हैं ।
  2. STM वर्तमान प्रतिक्रिया नियंत्रक को बंद करें ।
  3. 25 kHz के दोहराव दर के साथ केवल जांच पल्स से बना एक ट्रेन भेजें. पल्स गाड़ियों की एक श्रृंखला पर, जांच पल्स के डीसी पूर्वाग्रह से ५०० एमवी की सीमा से अधिक स्वीप पूर्वाग्रह-१.८ वी ।
    नोट: यह सरल प्रयोग पारंपरिक अनुसूचित जनजातियों के अनुरूप है जहां कंडक्टर पूर्वाग्रहों की एक सीमा से अधिक नमूना है ।
    1. पल्स गाड़ियों की अवधि को कॉन्फ़िगर करें (प्रत्येक एक अलग पूर्वाग्रह के साथ) ऐसी है कि जिसके परिणामस्वरूप स्पेक्ट्रा शोर अनुपात करने के लिए एक संकेत है > 10.
  4. एक निर्धारितपूर्वाग्रह (जैसे कि वीडीसी + Vपंप > v) एक पुनरावृत्ति दर के साथ 25 kHz पर सेट पंप दालों से बना एक ट्रेन भेजें । इन प्रयोगों में, क्रमशः वीडीसी, वीपम्प, और वी. टू-१.८ वी, ५०० एमवी और-२.० वी, सेट ।
    नोट: पंप दालों मनमाने ढंग से लंबी अवधि (1 µs आम तौर पर पर्याप्त है) हो सकता है ।
  5. जांच दालों के साथ पंप दालों से बना एक ट्रेन भेजें 10 एनएस की देरी के बाद । इन प्रयोगों में, पंप पल्स के आयाम के रूप में सेट ५०० एमवी और जांच पल्स स्वीप के ५० से ५०० एमवी.
    नोट: इस प्रयोग में जांच पल्स पंप पल्स द्वारा तैयार राज्य नमूना है, बजाय संतुलन राज्य के पारंपरिक अनुसूचित जनजातियों में नमूना ।
    1. जब केवल पंप पल्स जब प्रदर्शित/मूल्यांकन संकेत के इस चरण से एकत्र करने पर लागू किया गया सिग्नल घटाना ।
  6. जांच की तुलना केवल और पंप + जांच संकेतों उंहें एक ही ग्राफ में साजिश के द्वारा । दो संकेतों में किसी भी हिस्टैरिसीस गतिशीलता का एक संकेत है कि समय के साथ जांच की जा सकती है हल STM तकनीक ।
    नोट: जांच पल्स तय की सीमा रखने और मोटे तौर पर डीसी ऑफसेट स्कैनिंग (०.२५ वी चरणों में, उदाहरण के लिए), एक कुशलता से नमूना की पूरी ऊर्जा रेंज मैप करने के लिए तकनीक के लिए सुलभ गतिशीलता की पहचान कर सकते हैं । पल्स अवधि प्रयोग के आधार पर संशोधित किया जा सकता है । पंप पल्स की चौड़ाई दर जिस पर dopant है, इस तरह है कि यह लगातार dopant है से अधिक समय की जरूरत है । सामांय में, जांच अवधि के अध्ययन के तहत गतिशील प्रक्रिया के रूप में एक ही आदेश का होना चाहिए, कि इस तरह की अधिकतम संकेत दो कंडक्टर राज्यों के एक औसत नमूने के बिना मापा जा सकता है । जब ऊर्जा के लिए खोज पर जो गतिशीलता मौजूद है, यह अनुशंसा की जाती है कि जांच की अवधि ऐसी है कि इस प्रणाली के केवल एक राज्य हिस्टैरिसीस बढ़ाने के लिए मापा जाता है कम कर रहे हैं । जैसे-जैसे छूट का समय स्थिरांक मिलता है, जांच नाड़ी की अवधि में शोर अनुपात को सिग्नल में सुधार करने के लिए बढ़ाया जा सकता है ।

5. विश्राम की गतिशीलता का समय-हल STM माप

  1. एक सिलिकॉन DB पर STM टिप स्थिति और बंद STM वर्तमान प्रतिक्रिया नियंत्रक बारी है ।
  2. एक निर्धारितपूर्वाग्रह (जैसे कि वीडीसी + Vपंप > v) एक पुनरावृत्ति दर के साथ 25 kHz पर सेट पंप दालों से बना एक ट्रेन भेजें । इन प्रयोगों में, क्रमशः वीडीसी, वीपम्प, और वी. टू-१.८ वी, ४०० एमवी और-२.० वी, सेट ।
    नोट: पंप दालों मनमाने ढंग से लंबी अवधि (1 µs आम तौर पर पर्याप्त है) हो सकता है ।
  3. पंप और जांच कर दालों की ट्रेनिंग भेजें । सुनिश्चित करें कि जांच दालों एक आयाम पंपों से छोटा है और सीमा है जिस पर हिस्टैरिसीस होता है (vजांच < Vपम्प, vजांच + vDC Vhystersis).
  4. µs के कई दसियों करने के लिए पंप और जांच पल्स के बीच देरी झाडू ।
  5. केवल पंप पल्स लागू किया गया था जब प्राप्त संकेत घटाना. इन प्रयोगों में, क्रमशः वीडीसी, वीपंप, और वीजांच करने के लिए-१.८ वी, ४०० एमवी और २१० एमवी, सेट । सापेक्ष देरी स्वीप सेट करें-5 μs करने के लिए ३५ μs ।
    नोट: पिछले कदम से प्राप्त संकेत अच्छी तरह से फिट है (आर2 > ०.८०) एक एकल घातीय क्षय समारोह द्वारा, तो पंप पल्स द्वारा तैयार क्षणिक राज्य के जीवनकाल फिट से निकाला जा सकता है ।

6. उत्तेजना गतिशीलता का समय-हल STM माप

  1. एक निर्धारित पूर्वाग्रह पर सेट पंप दालों से बना एक ट्रेन भेजें ( वीडीसी + vपंप से अधिक है कि इस तरह के 25 kHz की पुनरावृत्ति दर के साथ v. इन प्रयोगों में, क्रमशः वीडीसी और वीएक-१.८ वी और-२.० वी, सेट । २२० और ४५० एमवी के बीच वीपंप सेट करें ।
  2. कई नैनोसेकंड से पंप पल्स की अवधि कई सौ नैनोसेकंड को स्वीप करें ।
  3. पंप और जांच कर दालों की ट्रेनिंग भेजें । जांच दालों एक आयाम पंपों से छोटा होना चाहिए और जिस पर हिस्टैरिसीस होती है सीमा के तुलनीय (vजांच < Vपम्प, vजांच + vDCv hystersis). इन प्रयोगों में, Vजांच के लिए सेट २१० एमवी ।
  4. केवल जांच पल्स लागू किया गया था जब प्राप्त संकेत घटाना.
    नोट: यदि प्राप्त संकेत घातीय है, यह इंगित करता है कि पंप पल्स क्षणिक राज्य (dopant) की तैयारी कर रहा है एक दर है कि फिट से निकाला जा सकता है (आर2> 0.80) । ऊपर वर्णित प्रोटोकॉल प्रयोगों और उपकरणों के लिए विशिष्ट है यहां वर्णित है । वहां कई पाठकों के लिए संभावित रास्ते के लिए अंय प्रणालियों के अध्ययन के लिए अपने स्वयं के प्रयोगात्मक सेटअप अनुकूलित कर रहे हैं । उदाहरण के लिए, सामांय तकनीक के लिए क्रायोजेनिक ठंडा STMs सीमित नहीं हैं; किसी भी टिप सामग्री इस्तेमाल किया जा सकता है, और वे नाइट्रोजन नक़्क़ाशी की आवश्यकता नहीं है । इसके अलावा, एक उपयुक्त क्रमादेशित मनमाना समारोह जनरेटर डबल पल्स waveforms उत्पन्न करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जो दो स्वतंत्र चैनल राशि की जरूरत को नकारना होगा. अंत में, कम बैंडविड्थ केबल का उपयोग किया जा सकता है31

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Representative Results

पाठ के इस खंड में प्रस्तुत परिणामों को पहले15,16प्रकाशित किया गया है । चित्रा 3 पारंपरिक STM के साथ एक उदाहरण चयनित DB के व्यवहार को दर्शाता है. एक पारंपरिक I (v) माप (चित्र 3ए) स्पष्ट रूप से v=-२.० वी पर DB के संचालन में एक तेज परिवर्तन को दर्शाया गया है । यह व्यवहार भी STM में लिया छवियों में मनाया जाता है-२.१ V (चित्र बी, बाएँ पैनल),-२.० वी (मध्य पैनल), और-१.८ वी (दाएँ पैनल), जहां DB एक उज्ज्वल दखलंदाजी की उपस्थिति है, एक धब्बेदार की दखलंदाजी, और एक डार्क डिप्रेशन, क्रमशः. इस संक्रमण भी सुरंग के साथ DB के शीर्ष पर सीधे तैनात टिप के साथ एकत्र की ओर देख द्वारा देखा जा सकता है z-नियंत्रक बंद कर दिया और पूर्वाग्रह V, जो दो स्तर टेलीग्राफ शोर में परिणाम के लिए सेट (चित्रा 3सी) । महत्वपूर्ण, इन माप में, STM की नोक सीधे DB पर रखा गया था । इस व्यवस्था में, DB के प्रभारी राज्य के उतार-चढ़ाव e/IT = 2ns, जो स्विच स्वीकार्य से बहुत तेजी से नीचे timescales पर होता है । जैसे, मनाया व्यवहार आसपास के dopants जो DB के कंडक्टर को प्रभावित करता है की चार्ज गतिशीलता के लिए जिंमेदार ठहराया है । यह ध्यान रखें कि क्योंकि विस्तारित वेव-समारोह है डीबी मध्य अंतर ऊर्जा राज्यों के कार्य के लिए एक पुल के रूप में थोक आचरण बैंड से टिप को इलेक्ट्रॉनों आचरण, मनाया व्यवहार ही स्पष्ट है जब टिप सीधे डीबीएस पर रखा गया है । के रूप में पूर्वाग्रह बढ़ गया था, टेलीग्राफ शोर की आवृत्ति भी दृढ़ता से वृद्धि हुई, ऐसी है कि पर-२.०२ V, स्विचन व्यवहार अब सीधे STM के एंपलीफायर द्वारा हल किया जा सकता है । इस समय का उपयोग करने के लिए प्रेरित-सुरंगिंग माइक्रोस्कोपी स्कैनिंग हल (tr-STM) और समय-हल की सुरंग स्पेक्ट्रोस्कोपी स्कैनिंग (tr-अनुसूचित जनजातियों) ।

चित्रा 4 एक ऐसी विधि को प्रदर्शित करती है जिससे जंक्शन पर वितरित होने वाली दालों की गुणवत्ता का आंकलन किया जा सकता है । तेजी से वृद्धि बार STM सर्किट और सुरंग जंक्शन के बीच प्रतिबाधा बेमेल के कारण पंप और जांच दालों के लिए उपयोग किया जाता है जब बज मनाया जाता है. जीरो-देरी के जरिए जांच पल्स के सापेक्ष देरी से झाडू लगाकर पंप व जांची दालों का परस्पर संबंध उत्पन्न किया जा सकता है । सुरंग में एक मजबूत वृद्धि वर्तमान तब होता है जब पंप और जांच दालों मैं (V) माप की विशेषता गैर रेखीय व्यवहार के कारण ओवरलैप. बज रहा है मूल के दोनों किनारों पर सुरंग वर्तमान में छोटे आयाम दोलनों के माध्यम से प्रकट होता है । २.५ एनएस से 25 एनएस के लिए दालों पर वृद्धि बार वृद्धि करके, बज के एक मजबूत दमन मनाया जाता है । प्रत्येक पल्स वृद्धि समय के साथ उत्पंन संकेतों के सापेक्ष ऑफसेट तथ्य यह है कि पल्स चौड़ाई दालों की वृद्धि के समय में शामिल करने के लिए मापा जाता है का एक परिणाम है । इसलिए, दलहन २.५ एनएस वृद्धि बार के साथ एक बड़ा एकीकृत क्षेत्र है, और इसलिए एक बड़ा एकीकृत वर्तमान, दालों की तुलना में 25 एन एस वृद्धि बार के साथ. इस पर प्रकाश डाला गया है कि TR-STM माप की मात्रात्मक तुलना केवल जब इस्तेमाल किया दालों की वृद्धि समय बराबर किया जाना चाहिए ।

चित्रा 5 का प्रदर्शन TR-अनुसूचित जनजातियों । इन माप में, एक पंप नाड़ी क्षणिक Vऊपर प्रणाली लाता है, और तुरंत बाद एक जांच पल्स क्षणिक राज्य के कंडक्टर से पूछताछ. क्षणिक राज्य के कंडक्टर केवल पंप + जांच के साथ प्राप्त संकेत से जांच के साथ अधिग्रहीत संकेत को घटाकर द्वारा मैप किया जा सकता है । जब पंप + जांच और जांच ही संकेत सीधे तुलना कर रहे हैं, किसी भी हिस्टैरिसीस गतिशील प्रक्रियाओं है कि TR-अनुसूचित जनजातियों द्वारा जांच की जा सकती का संकेत है । तय डीसी ऑफसेट पूर्वाग्रह के मूल्य बदलकर, प्रणाली है कि टी. आर. द्वारा जांच कर सकते है की गतिशीलता-अनुसूचित जनजातियों कुशलता से पहचाना जा सकता है ।

TR-अनुसूचित जनजातियों में, यह पंप और जांच दालों की अवधि पर विचार करने के लिए महत्वपूर्ण है । पंप पल्स पर्याप्त लंबी प्रणाली के एक स्थिर राज्य प्रेरित करने के लिए किया जाना चाहिए (यानी, यह उच्च कंडक्टर राज्य में पंप). जांच पल्स की अवधि बहुत लंबी है, हालांकि, फिर कम जांच आयाम पर, डीबी के कंडक्टर माप के दौरान आराम कर सकते हैं । इस मामले में, जांच पल्स डीबी के उच्च और कम कंडक्टर राज्यों दोनों का नमूना होगा और हिस्टैरिसीस की दृश्यता को कम. इसलिए, हिस्टैरिसीस की दृश्यता को अधिकतम करने के लिए, जांच पल्स की अवधि उच्च कंडक्टर राज्य की छूट की दर से कम होना चाहिए.

चित्रा 6 dopant छूट और उत्तेजना गतिशीलता के समय हल माप दर्शाता है. TR-अनुसूचित जनजातियों के रूप में, नमूना एक निश्चित डीसी के लिए सेट है vनीचे पूर्वाग्रह ऑफसेट, और पंप दालों क्षणिक v. विश्राम गतिशीलता जांच दालों (चित्रा 6A) के सापेक्ष देरी झाडू द्वारा जांच की गई । एक एकल घातीय क्षय के साथ रिश्तेदार देरी (चित्रा घमण्ड) के एक समारोह के रूप में जांच वर्तमान की एक साजिश फिटिंग Γएचएल को निकाले जाने की अनुमति दी । यह नोट करने के लिए महत्वपूर्ण है कि इस दर को एक चक्र के लिए कभी नहीं मनाया जाता है, बल्कि Γएचएल समय औसत सुरंग चालू जो कई घटनाओं के शामिल है से आस्थगित है । यह ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी के अनुरूप है, जहां एक उत्साहित राज्य के जीवनकाल एक पहनावा के एक माप से निर्धारित किया जा सकता है, सिवाय इसके कि इस मामले में एक एकल dopant के जीवनकाल माप का एक पहनावा के माध्यम से विशेषता हो सकती है क्योंकि यह STM टिप द्वारा सीधे जांच की जा सकती है । यह नोट करने के लिए महत्वपूर्ण है कि जांच वर्तमान चित्रा घमण्ड में कहा कि शूंय के लिए क्षय नहीं है, बल्कि एक निश्चित ऑफसेट करने के लिए । इसका कारण यह है पंप पल्स गतिशीलता उत्तेजित ( चित्रा 3सी में मिलीसेकंड पैमाने पर टेलीग्राफ शोर के रूप में मनाया) कि माप समय सीमा के भीतर क्षय नहीं है. यह इंगित करता है कि अध्ययन के तहत DB के कंडक्टर अलग छूट समय स्थिरांक के साथ दो dopants द्वारा gated है । चित्रा 6C एक नियंत्रण प्रयोग को दर्शाता है जहां पंप के आयाम से अलग है-०.२५ v-०.६ वी । , पंप आयाम के एक समारोह के रूप में, एक अतिरिक्त राज्य के जीवनकाल में परिवर्तन का संकेत होता है कि अधिक गतिशील प्रक्रियाओं के पास ऊर्जा में V. क्योंकि Γएचएल लगातार परे है-२.०५ वी, यह निष्कर्ष निकाला है कि केवल दो पहचान dopants के आरोप राज्यों गेटिंग DB के कंडक्टर हैं ।

उत्तेजना गतिशीलता पंप पल्स की चौड़ाई झाडू (चित्रा 6D) द्वारा जांच की गई । Γ LH समय के एक घातीय फिट से निकाला गया था-पंप चौड़ाई (चित्रा 6E) के एक समारोह के रूप में औसत वर्तमान । जब पंप पूर्वाग्रह Vdopants से अधिक नहीं है, वहां पंप चौड़ाई और सुरंग वर्तमान के बीच कोई निर्भरता नहीं देखा है क्योंकि तटस्थ रहते हैं । जब पंप पूर्वाग्रह Vसे अधिक है, एक इलेक्ट्रॉन dopant से नोक dopant जा के लिए सुरंग कर सकते हैं । पंप की चौड़ाई व्यापक द्वारा, औसत दर जिस पर dopant है के लिए मैप किया जाता है । चित्रा 6F है पंप आयाम के एक समारोह के रूप में ΓLH की निर्भरता की जांच । यदि एक DB एक एकल dopant द्वारा gated है, ΓLH पूरी पूर्वाग्रह रेंज16से अधिक पंप के आयाम के साथ तेजी से पैमाने की उंमीद है । यह उंमीद है क्योंकि है dopant ionization दर स्थानीय बिजली के क्षेत्र है, जो पूर्वाग्रह टिप पर लागू के साथ तराजू की ताकत पर तेजी से निर्भर करता है । DB1, जो सभी पूर्व आंकड़ों में अध्ययन DB है, के बीच एक घातीय निर्भरता दर्शाता है-२.१ v और-२.२५ वी, और एक कदम पर-२.०५ v । यह कदम और सबूत है कि DB1 दो पास dopants द्वारा gated है । एक घातीय निर्भरता DB2 के लिए सीमा पर मनाया गया था-१.३ v करने के लिए-१.६ v, यह दर्शाता है कि एक एकल dopant यह gated । DB2 मिलीसेकंड टाइमस्केल से बाहर किसी भी गतिशीलता प्रदर्शन नहीं किया था और इसलिए अंय समय के साथ अध्ययन नहीं किया गया था-तकनीक का समाधान ।

Figure 1
चित्रा 1: अध्ययन की प्रणाली और उससे जुड़े ऊर्जा आरेख के योजनाबद्ध । () वर्तमान STM टिप द्वारा नमूना एक सिलिकॉन db के शीर्ष पर सीधे तैनात मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन से गुजर रहा है इलेक्ट्रॉनों से बना है, और डीबी से टिप करने के लिए, दरों के साथ Γथोक और Γटिप, क्रमश. आर्सेनिक dopants, हरी गेंदों का प्रतिनिधित्व भी भरने (Γएचएल) और खाली दरों (ΓLH) है कि समय से हल STM माप की जांच की जा सकती है । () एक dopant (हरी वक्र) की उपस्थिति में एक कंडक्टर बैंड बढ़त के सापेक्ष नीचे खींच लिया है जब dopant तटस्थ (काला वक्र) है, जो एक वृद्धि हुई कंडक्टर में परिणाम है । ऊर्जा आरेख का एक नमूना बायस के लिए परिकलित किया गया था-२.० V. नीले रंग का क्षेत्र भरा राज्यों का प्रतिनिधित्व करता है । यह आंकड़ा Rashidi एट अल से अनुमति के साथ लिया गया है । 16 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: आवश्यक संशोधनों कि एक वाणिज्यिक STM इस तरह के लिए किया जाना चाहिए कि TR-STM इस काम में वर्णित तरीकों के साथ किया जा सकता है. एक डीसी ऑफसेट पूर्वाग्रह नमूने के लिए लागू किया जाता है, और STM इमेजिंग और पारंपरिक स्पेक्ट्रोस्कोपी के दौरान, STM टिप जमीन है । जब समय के लिए इस्तेमाल किया माप हल, दो स्वतंत्र चैनलों के साथ एक मनमाना समारोह जनरेटर के द्वारा बनाई गई संकेतों को अभिव्यक्त कर रहे हैं और STM की नोक को खिलाया, जो उच्च आवृत्ति केबल से सुसज्जित किया जाना चाहिए. पल्स ट्रेनों को नियंत्रित करने के लिए दो जैववक स्विच का उपयोग किया जाता है. सुरंग चालू नमूना पक्ष पर मापा जाता है । यह आंकड़ा Rashidi एट अल से अनुमति के साथ लिया गया है । 16 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: पारंपरिक STM के साथ एक चयनित DB के स्पेक्ट्रोस्कोपी व्यवहार. () लगातार ऊँचाई पर एकत्र DB पर एक I (V) माप. (B) (-२.० v, मध्य), और नीचे (-१.८ v, दाईं ओर) थ्रेशोल्ड वोल्टेज (-२.१ v, बाएं) से आगे DB के स्थिरांक-वर्तमान STM छवियां । H-Si (100) की डिमर पंक्तियाँ-(2x1) पुनर्निर्माण समानांतर पट्टियों के रूप में दिखाई देते हैं । () वर्तमान प्रतिक्रिया नियंत्रक के साथ STM की वर्तमान समय सीमा वोल्टेज पर DB पर अधिग्रहीत ट्रेस (-२.०१ V) मिलीसेकंड टाइमस्केल पर दो राज्य टेलीग्राफ शोर प्रदर्शित करता है । यह आंकड़ा Rashidi एट. अल से अनुमति के साथ लिया गया है । 16 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: सुरंग जंक्शन पर पंप और जांच दालों का परस्पर संबंध । (A) परस्पर सहसंबंध पल्स अनुक्रम की योजनाबद्ध । एक स्थिर DC ऑफ़सेट बायस (हरा पट्टी) नमूने के लिए लागू किया जाता है । पंप दालों (लाल पट्टियों) और जांच दालों (नीली सलाखों) के बीच रिश्तेदार देरी शून्य देरी के माध्यम से बह रहा है । पंप और जांच दालों की प्रत्येक जोड़ी को टिप के लिए भेजा दालों की एक ट्रेन का प्रतिनिधित्व करता है । () टिप एच-एसआई पर तैनात है और पंप की एक ट्रेन-जांच जोड़े सुरंग जंक्शन के लिए दिया जाता है । जांच के सापेक्ष देरी पंप के पीछे किनारे से जांच के अग्रणी किनारे करने के लिए मापा जाता है, और से बह गया था-९०० एनएस को ९०० एनएस । एक स्थिर DC ऑफ़सेट-१.० V नमूने के लिए लागू किया गया था । पंप और जांच आयाम २०० एनएस चौड़ाई के साथ-०.५० V करने के लिए सेट किया गया । दालों की वृद्धि/गिरते समय 25 एनएस (काला), 10 एनएस (लाल), और २.५ एनएस (नीला) के लिए निर्धारित किया गया था । जांच वर्तमान बीस के एक कारक द्वारा 5% शुल्क माप में कार्यरत चक्र के लिए खाते से गुणा किया गया था, तथापि, कोई प्रयास तथ्य यह है कि प्रत्येक पल्स ट्रेन के एकीकृत क्षेत्रों अलग करने के लिए सही करने के लिए किया गया था । इनसेट: 0 और ९०० के बीच बज के एक बढ़े हुए दृश्य एनएस सापेक्ष देरी । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: समय-हल सुरंग मैं (V) स्पेक्ट्रोस्कोपी (TR-अनुसूचित जनजातियों) । () TR-अनुसूचित जनजातियों पल्स अनुक्रम की योजनाबद्ध । एक स्थिर DC ऑफ़सेट बायस (हरा पट्टी) नमूने के लिए लागू किया जाता है । पंप दालों (लाल सलाखों) जांच दालों (नीली सलाखों) के पहले । पंप और जांच दालों की प्रत्येक जोड़ी को टिप के लिए भेजा दालों की एक ट्रेन का प्रतिनिधित्व करता है । 1 µs चौड़ाई पंप और जांच दालों के साथ (ख) TR-अनुसूचित जनजातियों माप. पंप के बिना curves के बीच हिस्टैरिसीस (लाल त्रिकोण) और पंप के साथ (नीले घेरे) पूर्वाग्रह रेंज ओवरलैप जहां प्रणाली bistable है । डीसी पूर्वाग्रह-१.८० v करने के लिए सेट है, पंप पूर्वाग्रह है-०.५० v, और जांच पूर्वाग्रह ५०० से ५० एमवी बह गया था । दालों बढ़ी है और गिर गया है 25 एन एस, पंप के ट्रेलिंग एज और जांच पल्स के अग्रणी धार के बीच सापेक्ष देरी 10 एन एस, और repletion दर है 25 kHz । यह आंकड़ा Rashidi एट. अल से अनुमति के साथ लिया गया है । 16 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: dopant उत्तेजना और विश्राम की गतिशीलता के समय का समाधान माप. (A,D) दालों के योजनाबद्ध जुगाड़. एक स्थिर DC ऑफ़सेट बायस (हरा पट्टी) नमूने के लिए लागू किया जाता है । पंप दालों (लाल सलाखों) जांच दालों (नीली सलाखों) के पहले । पंप और जांच दालों की प्रत्येक जोड़ी को टिप के लिए भेजा दालों की एक ट्रेन का प्रतिनिधित्व करता है । () Γएचएल की माप पंप और जांच दालों के सापेक्ष देरी झाडू द्वारा किया जाता है । पंप और जांच दालों की चौड़ाई 1 µs है । एक DC ऑफ़सेट-१.८० V नमूने के लिए लागू किया गया है; पंप और जांच दालों के आयाम है-०.४ और-०.२१ वी, क्रमशः । ठोस लाइन एक एकल घातीय समारोह के साथ डेटा की एक फिट है । () विभिन्न पंप आयाम पर Γएचएल की माप. त्रुटि पट्टियां घातांक फिटिंग्स की मानक त्रुटियां दर्शाती हैं । () ΓLH की माप पंप की अवधि झाडू द्वारा किया जाता है । एक DC ऑफ़सेट-१.८० v का नमूना करने के लिए लागू किया गया है और जांच दालों का एक आयाम है-०.२१ v. vके लिए चयनित DB है-२.०५ v. ठोस लाइन एक एकल घातीय समारोह के साथ डेटा की एक फिट है । () दो चयनित डीबीएस के लिए अलग पंप आयाम पर ΓLH की माप. DB1 (लाल त्रिकोण) DB पाठ में अंय सभी माप के लिए प्रयोग किया जाता है । DB2 एक अलग चयनित DB है और Rashidi एट अल में पूरी तरह से वर्णित है. 16 ठोस रेखाएं एकल घातांक फ़ंक्शन के साथ डेटा की फ़िट होती हैं । यह आंकड़ा Rashidi एट अल से अनुमति के साथ लिया गया है । 16 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

टी. आर.-अनुसूचित जनजाति जिसमें पंप पल्स लागू नहीं है के संस्करण पारंपरिक अनुसूचित जनजातियों के बराबर है, सिवाय इसके कि प्रणाली एक उच्च आवृत्ति के बजाय लगातार से नमूना किया जा रहा है । यदि जांच दालों की अवधि उपयुक्त है (>ΓLH), टी. आर. अनुसूचित जनजातियों पंप पल्स बिना अधिग्रहीत संकेत है प्रयोग कर्तव्य चक्र के लिए एक निरंतर आनुपातिक द्वारा गुणा किया जा सकता है बिल्कुल एक पारंपरिक अनुसूचित जनजातियों के साथ मेल माप. यह केवल संभव है क्योंकि माप के उपयोग के बिना किया जाता है एक ताला एम्पलीफायर में है, जो अन्यथा कम पास इस्तेमाल छानने के कारण संकेत के एक अज्ञात हिस्से को क्षीणन होगा. यह Loth एट अल द्वारा नियोजित तरीकों के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर है । 11 और इस काम में प्रस्तुत किए गए । एम्पलीफायर में एक ताला का उपयोग माप की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन पारंपरिक अनुसूचित जनजातियों माप के साथ TR-अनुसूचित जनजातियों के प्रत्यक्ष तुलना रोकता है. प्रणालियों में जहां इस संवेदनशीलता की आवश्यकता है, यह अनुमान लगाया गया है कि दोनों तरीकों संगीत कार्यक्रम में इस्तेमाल किया जा सकता है, लॉक-एम्पलीफायर में बंद कर दिया इस तरह के प्रयोग कुशलता गतिशीलता के लिए खोज कर सकते हैं, और लॉक-एम्पलीफायर में जोड़ा संवेदनशीलता के लिए चालू उत्तेजना और विश्राम की गतिशीलता के लक्षण वर्णन के दौरान ।

इन तकनीकों का मुख्य दोष यह है कि उनके लौकिक संकल्प वर्तमान में कई नैनोसेकंड तक ही सीमित है । इस परिमाण के कई आदेश क्या जंक्शन मिश्रण या ऑप्टिकल तकनीक के साथ प्राप्त किया जा सकता से धीमी है । यह संकेत बज का एक परिणाम है, जो तब होता है जब वोल्टेज दालों उप-nanosecond वृद्धि बार के साथ उपयोग किया जाता है, STM सर्किट और सुरंग जंक्शन के बीच प्रतिबाधा बेमेल के कारण31. दरअसल, सभी इलेक्ट्रॉनिक तरीकों १२० ps३४ के रूप में ठीक के रूप में समय संकल्प हासिल किया है, लेकिन अभी तक उस संकल्प पर गतिशीलता की जांच करने के लिए इस्तेमाल नहीं किया गया है । एक इष्टतम रूप से डिजाइन STM एक पूरी तरह प्रतिबाधा-मिलान STM सर्किट होगा जब तक सुरंग जंक्शन, जो पूरी तरह से प्रतिबाधा-बेमेल होगा. यह विकृति और नाड़ी के अपव्यय को खत्म करने और माइक्रोवेव बिजली प्रतिबिंबित होता है, बजाय यह जंक्शन भर में उद्धार होगा । एक संभव रणनीति के परिणामस्वरूप बज को खत्म करने के लिए STM सर्किट के लिए अतिरिक्त अपव्यय इतना जोड़ना होगा कि प्रतिबिंबित दालों प्रभावी रूप से तनु होगा ।

इस कार्य में सरलतम दृष्टिकोण रखा गया था, अर्थात वाणिज्यिक STM में कोई आंतरिक संशोधन नहीं किया गया. एक क्रॉस-सहसंबंध तकनीक के लिए बज रहा है, जो तो बस दालों की वृद्धि के समय का विस्तार से कम किया गया था की विशेषता थी । दालों की वृद्धि समय समय रिज़ॉल्यूशन को सीमित करता है, क्योंकि यह रणनीति इन तकनीकों (कई ns) की सीमाओं पर timescales पर होने वाली डायनेमिक प्रक्रियाओं को चिह्नित करने के लिए उपयोग नहीं किया जा सकता है । इन स्थितियों में, बज सक्रिय रूप से सकल एट अल द्वारा विकसित तकनीकों को रोजगार से दबा सकते हैं । 31 , जो मनमाने ढंग से समारोह जनरेटर और सुरंग जंक्शन के हस्तांतरण समारोह के लिए खाते में दालों को आकार देने शामिल है ।

सभी tr-इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण-STM अंय प्रमुख TR-STM दृष्टिकोण पर कई फायदे हैं । सबसे पहले, जंक्शन मिश्रण STM की तुलना में, इस दृष्टिकोण किसी भी विशेष नमूना संरचनाओं की आवश्यकता नहीं है. पारंपरिक STM के साथ स्कैन किया जा सकता है कि किसी भी नमूने इन तकनीकों के लिए उत्तरदायी होना चाहिए. इसके अलावा, सभी इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण STM या ultrafast प्रकाशिकी के उपयोग के लिए महत्वपूर्ण संशोधनों की आवश्यकता नहीं है । दरअसल, इन तकनीकों का प्रदर्शन करने के लिए आवश्यक STM सर्किट करने के लिए संशोधनों अत्यंत मामूली हैं, के रूप में उच्च आवृत्ति केबल के साथ वाणिज्यिक STMs उपलब्ध हैं. दालों सीधे STM टिप करने के लिए आपूर्ति कर रहे हैं के रूप में इसके अतिरिक्त, सभी इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण के साथ गतिशीलता की जांच की, विशुद्ध रूप से स्थानीय हैं. SPPX-STM के साथ यह विरोधाभासों, जहां घटना लेजर दालों केवल कई वर्ग माइक्रोन के लिए ध्यान केंद्रित किया जा सकता है । अंत में, सभी इलेक्ट्रॉनिक विधि को सही पंप और जांच के पूर्वाग्रह में हेरफेर करने की क्षमता, मानक STM माप के लिए एक सीधा तुलना की अनुमति परमिट । यह इस पत्र में वर्णित तकनीकों के कई के लिए केंद्रीय है, और जब यह TR-STM के लिए ऑप्टिकल दृष्टिकोण में इसी तरह नाड़ी दृश्यों को लागू करने के लिए संभव हो सकता है, यह प्रयोग मुश्किल है.

प्रायोगिक तकनीक यहां प्रस्तुत परमाणु स्थानिक संकल्प और nanosecond लौकिक संकल्प के साथ प्रभारी गतिशीलता उपाय । इस बहुत सुलभ दृष्टिकोण के साथ अध्ययन किया जा करने के लिए नए भौतिकी का खजाना है । उदाहरण के लिए, एकल परमाणुओं की गतिशीलता आकर्षक और महत्वपूर्ण तकनीकी हैं । एकल एटम गतिशीलता पहले पारंपरिक STM की सीमाओं के भीतर का अध्ययन किया गया, लेकिन इस तकनीक के परिमाण के छह अतिरिक्त आदेश पर इसी तरह की प्रक्रिया की जांच के लिए दरवाजे खोलता है (मिलीसेकंड से nanosecond के लिए) । विशेष रूप से, इस पुल की धीमी घटनाओं से अंतर आम तौर पर STM में मनाया, मौलिक प्रक्रियाओं है कि उंहें आबाद ।

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Disclosures

लेखकों की घोषणा है कि वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है ।

Acknowledgments

हम उनके तकनीकी विशेषज्ञता के लिए मार्टिन Cloutier और मार्क Salomons शुक्रिया अदा करना चाहूंगा । हम भी वित्तीय सहायता के लिए एनआरसी, NSERC, और AITF धंयवाद ।

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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