Todo-eletrônico nanossegundo-resolvido encapsulamento microscopia: Facilitar a investigação do Dopant única carga dinâmica

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Summary

Vamos demonstrar um método todo-eletrônico para observar a dinâmica de carga nanossegundo-resolvido de átomos do dopant em silicone com um microscópio de tunelamento.

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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

A miniaturização de dispositivos semicondutores para escalas onde pequenos números de dopantes podem controlar Propriedades do dispositivo requer o desenvolvimento de novas técnicas capazes de caracterizar a sua dinâmica. Investigar o único dopantes requer resolução espacial sub nanômetros, o que motiva o uso da microscopia de tunelamento (STM). No entanto, STM convencional é limitada a resolução temporal de milissegundos. Vários métodos foram desenvolvidos para superar esta lacuna, incluindo STM tempo-resolvido todo-eletrônico, que é usado neste estudo para examinar a dinâmica do dopant em silicone com resolução de nanossegundos. Os métodos apresentados aqui são amplamente acessíveis e permitam a medição local de uma grande variedade de dinâmica na escala atômica. Um romance tempo resolvido por verificação técnica de espectroscopia de encapsulamento é apresentado e usado para pesquisar com eficiência dinâmica.

Introduction

Varredura de tunelamento (STM) a microscopia, tornou-se a principal ferramenta em Nanociência por sua capacidade de resolver topografia escala atômica e estrutura eletrônica. Uma limitação do STM convencional, no entanto, é que sua resolução temporal é restrita para a escala de tempo de milissegundos por causa da largura de banda limitada do pré-amplificador atual1. Ele tem sido um objetivo de estender a resolução temporal do STM para as escalas em que comumente ocorrem processos atômicos. O pioneiro trabalho tempo-resolvido microscopia de tunelamento (TR-STM) por Freeman et. al. 1 utilizados switches fotocondutoras e linhas de transmissão de microstrip estampadas na amostra para transmitir impulsos de tensão picosegundo para a junção de túnel. Esta junção-mistura técnica tem sido usada para alcançar resoluções simultâneas de 1 nm e 20 ps2, mas nunca foi amplamente adotada devido a necessidade do uso de estruturas especializadas de amostra. Felizmente, o insight fundamental adquirido com estes trabalhos pode ser generalizado para muitas técnicas de tempo-resolvido; mesmo que a largura de banda do circuito do STM é limitada a vários kHz, a resposta não-linear de I(V) no STM permite a ser sondado pelo túnel médio atual obtido ao longo de muitos ciclos de bomba-sonda de medição dinâmica mais rápida. Nos anos seguintes, muitas abordagens têm sido exploradas, o mais popular dos quais é revistos brevemente abaixo.

Abalada-par-excitação por impulsos (SPPX) STM tira proveito dos avanços em tecnologias de laser pulsado ultra rápida para atingir resolução sub picosegundo por diretamente iluminando a junção de túnel e emocionante transportadoras na amostra3. Luz laser incidente cria enciclopédia transportadoras que transitoriamente melhoram a condução e permite a modulação do atraso entre a bomba e a ponta de prova (td) deu/dtd a ser medida com um amplificador de fechamento-em. Porque o atraso entre a bomba e a sonda é modulado em vez de intensidade do laser, como em muitas outras abordagens ópticas, SPPX-STM evita expansão térmica induzida por iluminação foto do ponta3. Extensões mais recentes desta abordagem estendemos as escalas de tempo durante o qual SPPX-STM pode ser usado para investigar a dinâmica, utilizando técnicas de pulso-colheita para aumentar o alcance da bomba-sonda atraso vezes4. Importante, esta evolução recente também fornece a capacidade de medir o (td) curvas diretamente, em vez de através de integração numérica. Recentes aplicações de SPPX-STM tem incluído o estudo de recombinação de transportadora em single-(Mn, Fe)/GaAs(110) estruturas dinâmicas5 e doador em GaAs6. Aplicações de SPPX-STM enfrentam algumas restrições. O sinal QUE SPPX-STM medidas depende de livre transportadoras excitadas pelos pulsos ópticos e é o mais adequado para semicondutores. Além disso, embora a corrente de tunelamento é localizada na ponta, porque uma grande área estava entusiasmada com os pulsos ópticos, o sinal é uma convolução das propriedades locais e transporte de material. Finalmente, o viés na junção é fixo na escala de medição de tempo para que a dinâmica em estudo deve ser a participação.

Uma técnica mais recente ótica, terahertz STM (THz-STM), casais pulsos de espaço livre THz focados na junção com a ponta do STM. Ao contrário de em SPPX-STM, os pulsos de acoplamento se comportam como pulsos de tensão rápido permitindo para a investigação de excitações eletronicamente conduzidas com sub picosegundo resolução7. Curiosamente, a corrente retificada gerado a partir os pulsos THz resultados em densidades de corrente de pico extremo não acessíveis por convencional STM8,9. A técnica tem sido usada recentemente para estudar elétrons quentes em Si(111)-(7x7)9 e a vibração de uma molécula de Pentaceno único10de imagem. THz-pulsos casal naturalmente para a ponta, no entanto, a necessidade de integrar uma fonte THz para um experimento STM é susceptível de ser um desafio para muitos experimentadores. Isso motiva o desenvolvimento de outras técnicas amplamente aplicáveis e facilmente implementáveis.

Em 2010, Carlos et al . 11 desenvolveu uma técnica todo-eletrônico onde pulsos de tensão de nanossegundos aplicados em cima de um deslocamento de DC eletronicamente bomba e sondar o sistema11. A introdução desta técnica ofereceu uma demonstração crítica de inequívocas e práticas aplicações de tempo-resolvido STM para medir previamente despercebida física. Embora não seja tão rápido como junção mistura STM, que o precedeu, aplicação de pulsos de microondas para a ponta do STM permite amostras arbitrárias para ser investigado. Esta técnica não requer qualquer complicadas metodologias ópticas ou acesso óptico até a junção do STM. Isso torna a técnica mais fácil para se adaptar à baixa temperatura STMs. A primeira demonstração destas técnicas foi aplicada ao estudo da rotação-dinâmica onde um spin-polarizada STM foi usado para medir a dinâmica de relaxamento da rotação-estados excitados pelo bomba pulsos11. Até recentemente, seu requerimento permaneceu limitada a adatom magnética sistemas12,13,14 , mas tem desde que foi estendido para o estudo da taxa de captura do portador de uma discreta abertura mid15 e carga dinâmica de dopantes único arsênico em silicone15,16. O último estudo é o foco deste trabalho.

Estudos sobre as propriedades de dopantes único em semicondutores recentemente tem atraído a atenção significativa, porque dispositivos de semicondutor (CMOS) de óxido metálico complementar estão entrando o regime onde único dopantes podem afetar Propriedades do dispositivo17 . Além disso, diversos estudos têm demonstrado que os dopantes único podem servir como o componente fundamental de futuros dispositivos, por exemplo como qubits de computação quântica18 e quântica memória19e como único átomo transistores20 , 15. dispositivos de futuro também podem incorporar outros defeitos de escala atômica, tais como o silício balançando o vínculo (DB), que pode ser modelado com precisão atômica com STM litografia de21. Para este fim, DBs têm sido propostos como carga qubits22, pontos quânticos para quântica autômatos celulares arquiteturas23,24e25,de fios atômico26 e tem sido modelados para criar quântica lógica hamiltoniano gates27 e moléculas artificiais28,29. Avançando, dispositivos podem incorporar ambos os dopantes único e DBs. Esta é uma estratégia atraente, porque DBs são defeitos na superfície que podem ser facilmente caracterizados com STM e usados como um identificador para caracterizar dispositivos dopant único. Como um exemplo dessa estratégia, DBs são usados neste trabalho como sensores de carga para inferir a carga dinâmica de dopantes perto da superfície. Estas dinâmicas são capturadas com o uso de uma abordagem todo-eletrônico para TR-STM que é uma adaptação das técnicas desenvolvidas pela Loth et al 11

Medições são feitas em DBs selecionados em uma superfície de Si(100)-(2x1) de hidrogênio finalizado. Uma região de depleção dopant estendendo aproximadamente 60 nm abaixo da superfície, criado através do tratamento térmico do cristal30, dissocia o DB e os poucos restantes perto da superfície dopantes de bandas a granel. Estudos STM de DBs descobriram que sua condutância é dependente de parâmetros da amostra global, tais como a concentração de dopantes e a temperatura, mas DBs individuais também mostram fortes variações dependendo do seu ambiente local16. Durante uma medição do STM sobre um único DB, o fluxo de corrente é regulado pela taxa na qual elétrons podem cavar um túnel da maior parte do DB (Γem massa) e do DB da ponta (dicadoΓ) (Figura 1). No entanto, porque a condução do DB é sensível ao seu ambiente local, o estado de carga de dopantes nas proximidades influencia Γagranel (figura 1B), que podem ser inferidas pelo monitoramento da condutibilidade do DB. Como resultado, a condutância de um DB pode ser usada para sentir os Estados de carga de dopantes nas proximidades e pode ser usada para determinar as taxas em que os dopantes são fornecidos elétrons a granel (ΓLH) e perdê-los para a ponta do STM (ΓHL < / c13 >). Para resolver essas dinâmicas, TR-STS é realizada ao redor as tensões de limiar (Vthr) no qual a ponta induz a ionização de dopantes perto da superfície. O papel dos pulsos da bomba e a sonda é o mesmo das três técnicas experimentais tempo-resolvido aqui apresentados. A bomba transitoriamente traz o viés nível de abaixo acima Vthr, que induz a ionização dopant. Isto aumenta a condutância do DB, que é amostrado pelo pulso de sonda que segue em um viés de baixo.

As técnicas descritas neste artigo beneficiará aqueles que desejam caracterizar a dinâmica ocorrendo o milissegundo para nanossegundos calendário com STM. Embora estas técnicas não estão limitadas a estudar a dinâmica de carga, é crucial que a dinâmica se manifestam através de alterações transientes na condutância de Estados que podem ser analisados pelo STM (i.e., os Estados ou perto da superfície). Se a condutância dos Estados transitórios não difere significativamente o estado de equilíbrio, tal que a diferença entre as correntes transientes e equilíbrio multiplicado pelo ciclo de pulso de sonda (normalmente é menor do que o piso de ruído de sistemas 1 pA), o sinal será perdido no meio do ruído e não será detectável por esta técnica. Porque as modificações experimentais de sistemas STM comercialmente disponíveis necessários para executar as técnicas descritas neste artigo são modestas, prevê-se que estas técnicas serão amplamente acessíveis para a Comunidade.

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Protocol

1. instalação inicial do microscópio e experiências

  1. Comece com uma ultra alta STM criogênico capaz de vácuo e software de controle de associados. Legal o STM a temperaturas criogênicas.
    Nota: Ao longo deste relatório, ultra vácuo refere-se aos sistemas que alcançar < 10 x 10-10 Torr. O STM deve ser refrigerado a temperaturas criogênicas; Isto é especialmente importante quando investigando a dinâmica da carga de dopantes, que são termicamente ativados em temperaturas modestas. Outras câmaras podem estar à temperatura ambiente.
  2. Certifique-se de que a ponta do STM está equipada com cabos de alta-frequência (~ 500 MHz).
    Nota: Usando métodos de modelagem de pulso, um grande aumento na resposta de tempo de um STM com fiação coaxial de condições normais de temperatura criogênica (~ 20 MHz) foi relatado por Grosse et al 31
  3. Conecte um gerador de função arbitrária pelo menos dois canais para a ponta (Figura 2), que será usado para preparar os ciclos de tensão pulso pares usados para experimentos de bomba-sonda.
  4. Configure o gerador de função arbitrária para que os pulsos de tensão da bomba e a sonda são gerados de forma independente e resumiu antes sendo alimentado na ponta.
  5. Aplica a tensão de polarização DC usada para espectroscopia de imagem e convencional para a amostra (VDC).
  6. Conecte dois switches de radiofrequência para canais de saída do gerador de função arbitrária.
  7. Configure as opções para que a ponta vai ficar de castigo durante espectroscopia de imagem e convencional de STM, e o preconceito eficaz é VDC + Vponta durante experimentos de bomba-sonda (Figura 4A).
  8. Recolha o encapsulamento atual para todas as medições através de um pré-amplificador conectado à amostra.

2. preparação da reconstrução H-Si(100)-(2x1)

  1. Cleave uma amostra de uma bolacha de Si(100) 3-4 mΩ·cm n-tipo arsênico dopado por coçar as costas de wafer com um scriber carboneto de silício e delicadamente tirando a amostra a bolacha com lâminas de microscópio.
  2. Apor a amostra para um porta-amostras STM e apresentá-lo para uma câmara de vácuo ultrahigh adjacente à câmara STM.
  3. Desgaseifica a amostra por resistively, aquecendo-a 600 ° C (um pirômetro pode ser usado para monitorar a temperatura da amostra) e mantida a esta temperatura pelo menos 6 h no vácuo ultra alta.
    Nota: A pressão inicialmente se levantará como a amostra e o porta-amostras desgaseificar, mas devem estabilizar próximo da pressão de base (< 10-10 Torr) depois de várias horas.
  4. Permitir que a amostra arrefecer à temperatura ambiente antes de continuar.
  5. Desgaseifica um filamento de tungstênio na mesma Câmara que a amostra resistively aquecendo o filamento a 1800 ° C e esperando o sistema recuperar a pressão de base. Desliga os filamentos antes de continuar.
    Nota: A amostra pode permanecer na câmara durante esta etapa, porque isso é passivated pela camada de óxido nativo em sua superfície, e qualquer contaminação da superfície da amostra causada desta etapa será removida posteriormente. Temperatura do filamento terá de ser calibrado para uma específico da corrente/tensão aplicada ao filamento usando um pirômetro.
  6. Remover o óxido da superfície da amostra por piscando a amostra a 900 ° C e mantida a esta temperatura por 10 s antes de refrigerá-lo à temperatura ambiente. A pressão vai aumentar várias ordens de grandeza da pressão da base durante o procedimento de piscamento. Depois de cada um dos flashes encontrados durante todo este processo, aguardar a amostra arrefecer à temperatura ambiente e o sistema recuperar a pressão de base antes de continuar.
    Nota: Piscando é definido dentro este relatório como aquecimento e resfriamento da amostra, com taxas de rampa alta, da ordem de 100 ° C/s.
  7. Flash progressivamente a amostra a temperaturas mais altas durante a tentativa de chegar a um final flash de 1250 ° C. Anule qualquer flash onde a pressão se eleva acima de 9 x 10-10 Torr para impedir que a superfície da amostra ficar contaminado. Grave a tensão/corrente usada para atingir a 1250 ° C flash (a luz emitida pelo filamento aquecido na etapa 2.6 irá impedir um pirômetro dando uma leitura precisa da temperatura da amostra, e assim este setpoint deve ser usado). No final flash, determinar a tensão/corrente necessária para aquecer a amostra de 330 ° C, como o cristal é resfriado e, em seguida, deixe a amostra esfriar até a temperatura ambiente e deixe o sistema recuperar a pressão de base antes de continuar.
  8. Vazamento de gás de2 H para a câmara a uma pressão de 1 x 10-6 Torr e aquecer o filamento de tungstênio para 1800 ° C.
    Nota: Isto tem o efeito de quebrar o H2 a atmoic hidrogênio32.
  9. Segurar a amostra nestas condições por 2 min antes de piscar a amostra a 1250 ° C, , segurando-o a essa temperatura por 5 s e refrigerá-la de 330 ° C.
  10. Após 1 min de exposição a 330 ° C, simultaneamente fechar a válvula de escape de2 H, desligue o filamento de tungstênio e deixe a amostra esfriar a temperatura ambiente.
    Nota: Estas altas temperaturas flash afetam a distribuição de dopantes na amostra. Aquecimento a 1250 ° C foi encontrado para induzir uma região de depleção ~ 60 nm dopant perto da superfície de amostra30.
  11. Verificar a qualidade do exemplo tomando imagens STM da superfície.
    Nota: Boas amostras terá grandes (> 30 nm nm x 30) terraços com uma taxa de defeito de < 1% (balançando títulos moléculas adsorvidas, adatoms, etc) e irá demonstrar o clássico Si(100)-(2x1) reconstrução32, que apresenta linhas de dímero atravessa antiparalela para um outro passo as bordas (Figura 3B).

3. avaliação da qualidade dos pulsos bomba-sonda na junção de túnel

  1. Aproxime a ponta do STM para a superfície da amostra, envolvendo o atual controlador de feedback com um setpoint atual do pA 50 e um viés da amostra de-1.8 V.
    Nota: Nestas condições, a dica é estimada em < 1 nm da superfície da amostra. A ponta do STM utilizada neste trabalho foi produzida pela gravura quimicamente policristalino tungstênio. Ele estava afiado ainda mais usando um nitrogênio gravura de procedimento, que é bem descrito em Rezeq et al . 33.
  2. Procure uma área na superfície de amostra livre de defeitos de superfície grandes tomando digitalizações de grande área (por exemplo, 50 nm, x 50 nm).
  3. Posição do STM tombar um H-Si na superfície, que aparecem como linhas dímero em imagens STM (Figura 3B).
  4. Desligue o atual controlador do gabarito
  5. Definir VDC para -1,0 V Vbomba para -0.5 V, Vsonda de -0,5 V, a largura dos pulsos bomba e sonda para 200 ns e o tempo de subida/descida dos pulsos para 2,5 ns (Figura 4A).
  6. Enviar uma série de trens de pulsos de bomba e sonda onde o atraso relativo da bomba e sonda é varrido da-900 ns para 900 ns.
  7. Sinopse o encapsulamento atual em função do atraso entre a bomba e a sonda. Provavelmente irá demonstrar fortes toque (as oscilações o encapsulamento atual em função do relativo atraso entre os pulsos de bomba e sonda, Figura 4B).
    Nota: O software Python e origem foram usados para plotar, analisar e avaliar os dados coletados para este manuscrito.
  8. Repita as etapas 3.1-3.5, mas aumentar os tempos de subida/descida dos pulsos. O zumbido irá diminuir como são aumentados os tempos de subida/descida.
    Nota: Isso tem desejado para eliminar o zumbido para fornecer os resultados mais precisos e espectroscópicos, no entanto, o tempo de resolução destas técnicas é limitado à largura dos pulsos utilizados. ascensão de ns 25 vezes foram utilizados para este trabalho.

4. tempo-resolvido varredura de tunelamento espectroscopia (TR-STS)

  1. Posição do STM tombar um silício DB, que aparecem como brilhantes saliências em preconceitos de ponta-amostra negativas (Figura 3B).
  2. Desligue o controlador de feedback atual STM.
  3. Envie que um trem composto de apenas o pulso da sonda com uma taxa de repetição de 25 kHz. Ao longo de uma série de trens de pulso, varrer o viés do pulso sonda sobre uma escala de 500 mV de viés de-1.8 V DC.
    Nota: Este experimento simples é análogo ao STS convencionais onde a condutância é amostrada sobre uma série de preconceitos.
    1. Configurar a duração dos trens de pulso (cada uma com um viés diferente), tal que os espectros resultantes tem um sinal / ruído > 10.
  4. Enviar um comboio composto por bomba pulsos em uma polarização fixa (tal que V + VDC bomba > Vthr) com uma taxa de repetição de 25 kHz. Nesses experimentos, como o VDC,bombade Ve Vthr -1.8 V, 500 mV e-2.0 V, respectivamente.
    Nota: A bomba de pulsos podem ter arbitrariamente longas durações (1 µs é normalmente suficiente).
  5. Enviar um comboio composto dos pulsos bomba com os pulsos de sonda, seguidos por um atraso de 10 ns. Nesses experimentos, definir a amplitude do pulso da bomba como 500 mV e da varredura de pulso da sonda de 50 a 500 mV.
    Nota: Neste experimento, o pulso de sonda amostragem é o estado preparado pelo pulso de bomba, em vez do estado de equilíbrio amostrados em STS convencionais.
    1. Subtrai o sinal obtido quando apenas o pulso de bomba foi aplicado ao exibir/avaliar o sinal coletado desta etapa.
  6. Comparar apenas a sonda e a bomba + sonda sinais plotando-los no mesmo gráfico. Qualquer histerese em dois sinais é uma indicação de dinâmicas que podem ser analisadas com técnicas STM tempo-resolvido.
    Nota: Mantendo o intervalo do pulso sonda fixado e digitalização grosseiramente o DC um deslocamento (em 0,25 V passos, por exemplo), pode eficientemente mapear faixa de toda energia da amostra para identificar a dinâmica acessível para a técnica. Durações de pulso podem ser modificadas dependendo da experiência. A largura do pulso da bomba precisa ser mais do que a taxa na qual o dopant é ionizada, tal que é consistentemente ioniza o dopant. Em geral, durações de sonda devem ser da mesma ordem como o processo dinâmico sob estudo, tal que o sinal máximo pode ser medido sem amostragem média as condutância de dois Estados. Quando à procura de energias no qual dinâmica existe, é recomendável que durações da sonda são minimizadas tal que apenas um estado do sistema é medido para realçar a histerese. Como as constantes de tempo de relaxamento são encontradas, a duração do pulso a sonda pode ser aumentada para melhorar a relação sinal / ruído.

5. tempo-resolvido STM medições da dinâmica de relaxamento

  1. Posicione a ponta do STM sobre um silício DB e desligar o controlador de feedback atual STM.
  2. Enviar um comboio composto por bomba pulsos em uma polarização fixa (tal que V + VDC bomba > Vthr) com uma taxa de repetição de 25 kHz. Nesses experimentos, como o VDC,bombade Ve Vthr -1.8 V, 400 mV e-2.0 V, respectivamente.
    Nota: A bomba de pulsos podem ter arbitrariamente longas durações (1 µs é normalmente suficiente).
  3. Envie um trem de pulsos de bomba e sonda. Certifique-se de que os pulsos de sonda tem uma amplitude menor do que as bombas e comparáveis para o intervalo no qual histerese ocorre (Vsonda < Vbomba,sonda de V+ VDC Vhystersis).
  4. Varra o atraso entre a bomba e sonda pulso até várias dezenas de µs.
  5. Subtrai o sinal obtido quando apenas o pulso de bomba foi aplicado. Nesses experimentos, conjunto o VDC,bombade Ve Vsonda para-1.8 V, 400 mV e 210 mV, respectivamente. Como a varredura de atraso relativo de μs-5 35 μs.
    Nota: Se o sinal obtido na etapa anterior é bem cabida (R2 > 0,80) por uma função de decaimento exponencial simples, então o tempo de vida do estado transiente, preparado pelo pulso a bomba pode ser extraído o ajuste.

6. tempo-resolvido STM medições da excitação dinâmica

  1. Enviar um comboio composto por bomba pulsos em uma polarização fixa (tal que maior que VDC + Vbomba > Vthr) com uma taxa de repetição de 25 kHz. Nesses experimentos, como o VDC e Vthr -1.8 V e-2.0 V, respectivamente. Definir Vbomba entre 220 e 450 mV.
  2. Varra a duração do pulso de vários nanosegundos bomba a várias centenas de nanossegundos.
  3. Envie um trem de pulsos de bomba e sonda. Os pulsos de sonda devem ter uma amplitude menor do que as bombas e comparáveis para o intervalo no qual histerese ocorre (Vsonda < Vbomba,sonda de V+ VDCV hystersis). Nesses experimentos, conjunto Vsonda para 210 mV.
  4. Subtrai o sinal obtido quando apenas o pulso da sonda foi aplicado.
    Nota: Se o sinal obtido é exponencial, ele indica que o pulso da bomba está a preparar o estado transiente (dopant ionizado) em uma taxa que pode ser extraída o ajuste (R2> 0,80). O protocolo descrito acima é específico para os experimentos e equipamentos aqui descritos. Há muitos caminhos possíveis para os leitores para personalizar a sua própria configuração experimental para estudos de outros sistemas. Por exemplo, as técnicas gerais não estão limitadas a STMs criogenicamente refrigerados; pode ser usado qualquer material de ponta, e não necessitam de gravura de nitrogênio. Além disso, um gerador de função arbitrária devidamente programada pode ser usado para gerar formas de onda de pulso duplo, que negam a necessidade para somar dois canais independentes. Por último, menor largura de banda de cabeamento pode ser utilizado31.

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Representative Results

Os resultados apresentados nesta seção do texto tem sido previamente publicados15,16. A Figura 3 ilustra o comportamento de um exemplo selecionado DB com STM convencional. Uma medição de I(V) convencional (Figura 3A) mostra claramente uma mudança acentuada a condutância do DB no Vthr =-2.0 V. Esse comportamento também é observado em STM imagens tomadas em-2.1 V (Figura 3B, painel esquerdo),-2.0 V (painel central) e-1.8 V (painel direito), onde o DB tem a aparência de uma protrusão brilhante, uma protrusão salpicada e uma depressão escura, respectivamente. Esta transição também pode ser observada olhando para a corrente de tunelamento coletados com a ponta de posicionado diretamente sobre o DB com o z-controlador desligado e o viés definido como Vthr, que resulta em dois níveis de ruído (Figura de telégrafo 3 C). crucialmente, estas medições, a ponta do STM foi colocada diretamente sobre o DB. Neste acordo, a flutuação do estado de carga do DB ocorre em escalas de tempo abaixo e / euT = 2ns, que é muito mais rápido do que o observado de comutação. Como tal, o comportamento observado é atribuído à carga dinâmica de dopantes nas proximidades que afeta a condutância do DB. É importante notar que, porque a função de onda estendida de energia médio do DB afirma o ato como uma ponte para conduzir os elétrons da banda de condução a granel até a ponta, o comportamento observado é apenas aparente, quando a ponta é colocada diretamente sobre o DBs. Como o preconceito foi aumentado, a frequência do ruído do telégrafo também fortemente aumentado, tal que a-2.02 V, o comportamento de comutação já não pôde ser resolvido diretamente pelo pré-amplificador do STM. Isto motivou o uso do tempo-resolvido varredura microscopia de tunelamento (STM-TR) e tempo-resolvido digitalização espectroscopia de tunelamento (TR-STS).

A Figura 4 demonstra um método que pode ser usado para avaliar a qualidade dos pulsos entregado até a junção. Zumbido é observada quando vezes ascensão rápida são utilizados para as bomba e sonda pulsos devido à incompatibilidade de impedância entre os circuitos STM e a junção de túnel. Uma correlação cruzada dos pulsos bomba e sonda pode ser gerada por varrer o atraso relativo do pulso sonda através do atraso de zero. Um forte aumento no encapsulamento atual ocorre quando os impulsos da bomba e a sonda se sobrepõem devido ao comportamento não-linear característico das medições I(V). Tocando manifesta-se através de menor amplitude oscilações no tunelamento atuais em ambos os lados da origem. Aumentando os tempos de ascensão sobre os pulsos de 2,5 ns para 25 ns, um forte repressão do zumbido é observado. O deslocamento relativo dos sinais gerados com cada tempo de subida do pulso é um resultado do fato de que a largura de pulso é medida para incluir os tempos de ascensão dos pulsos. Portanto, impulsos com 2,5 vezes de ascensão de ns têm uma maior área integrada, e, portanto, uma maior integrado atual, em comparação com pulsos com 25 vezes de ascensão de ns. Isso realça essa comparação quantitativa de TR-STM medições só devem ser realizadas quando os tempos de ascensão dos pulsos utilizados são iguais.

A Figura 5 demonstra TR-STS. Estas medições, um pulso de bomba transitoriamente traz o sistema acima Vthr, e imediatamente após o pulso de sonda interroga a condutância do estado transiente. A condutância do estado transiente pode ser mapeada subtraindo-se o sinal adquirido com sonda apenas a partir do sinal obtido com sonda + bomba. Quando as bomba + sonda e sonda únicos sinais são comparados diretamente, qualquer histerese é indicativo de processos dinâmicos que podem ser analisados pelo TR-STS. Alterando o valor do bias deslocamento fixo DC, a dinâmica do sistema que pode sondado pelo TR-STS pode ser identificada com eficiência.

Em TR-STS, é importante considerar a duração dos pulsos bomba e sonda. O pulso da bomba deve ser suficientemente longo para induzir um estado estacionário do sistema (i.e., bombeá-lo para o estado de alta condutância). Se a duração do pulso sonda é muito longa, no entanto, em seguida em amplitudes baixas sonda, a condutância do DB pode relaxar durante a medição. Neste caso, o pulso de sonda vai amostra de ambos os Estados de alta e baixa condutância do DB e reduzir a visibilidade da histerese. Portanto, para maximizar a visibilidade de histerese, a duração do pulso da sonda deve ser menor que a taxa de relaxação do estado alta condutância.

A Figura 6 demonstra a medições de tempo-resolvido da dinâmica de relaxamento e excitação do dopant. Como em TR-STS, a amostra é definida como um viés de deslocamento fixo DC abaixo Vthr, e os pulsos de bomba, transitoriamente, trazer o sistema acima Vthr. Dinâmica de relaxamento foram sondada por varrer o atraso relativo das pulsações de sonda (figura 6A). Cabendo uma parcela da corrente em função do atraso relativo (Figura 6B) sonda com um decaimento exponencial único permitido ΓHL para ser extraído. É importante notar que esta taxa nunca é observada por um único ciclo, prefiro ΓHL é inferido a partir da corrente de tunelamento-a média de tempo que é composta de muitos eventos. Isso é análogo à espectroscopia óptica, onde o tempo de vida de um estado excitado pode ser determinado de medições simples de um conjunto, exceto que neste caso o tempo de vida de um único dopant pode ser caracterizado através de um conjunto de medidas, porque isso podem ser analisados diretamente pela ponta STM. É importante notar que a sonda atual observada na Figura 6B não decair para zero, mas sim para um deslocamento fixo. Isso ocorre porque o pulso de bomba excita dinâmicas (observadas como o barulho de telégrafo de milissegundo-escala na Figura 3) que não decadência dentro do prazo de medição. Isso indica que a condutância do DB sob estudo é fechada por dois dopantes com constantes de tempo de relaxamento distintas. Figura 6 demonstra um experimento de controle onde a amplitude da bomba varia de-0.25 V a-0.6 V. Uma mudança na vida do estado ionizado, em função da amplitude da bomba, indicaria que processos dinâmicos adicionais existem perto em energia para Vthr. Porque ΓHL é constante, além de-2.05 V, conclui-se que apenas os Estados de carga dos dois identificados dopantes são gating a condutância do DB.

Excitação dinâmica foram sondada por varrer a largura do pulso da bomba (Figura 6). Γ LH foi extraído de um ajuste exponencial da corrente média de tempo em função da largura da bomba (Figura 6E). Quando o preconceito bombeado não exceda Vthr, não há nenhuma dependência observada entre a largura da bomba e o encapsulamento atual porque os dopantes neutra. Quando o preconceito bombeado excede Vthr, um elétron pode cavar um túnel do dopant à ponta, deixando o dopant ionizado. Varrendo a largura da bomba, a taxa média, na qual o dopant é ionizada é mapeada. Figura 6F investiga a dependência da ΓLH em função da amplitude da bomba. Se um DB é fechado por um único dopant, ΓLH é esperado para escala exponencialmente com a amplitude da bomba sobre a escala inteira de viés16. Isto é esperado porque a taxa de ionização do dopant exponencialmente depende da força do campo elétrico local, que dimensiona com viés aplicado à ponta. DB1, que é o DB estudada em todos os números anteriores, demonstra uma dependência exponencial entre-2.1 V-2.25 V e um passo em-2.05 V. Esta etapa é mais uma prova que DB1 é fechado por dois dopantes nas proximidades. Observou-se uma dependência exponencial para DB2 na gama-1.3 V para -1,6 V, indicando que um dopant único condomínio fechado. DB2 não apresentam qualquer dinâmica além da escala de tempo de milissegundos e, portanto, não foi estudada com as outras técnicas de tempo-resolvido.

Figure 1
Figura 1: esquemático do sistema de estudo e seu diagrama de energia associado. (A) a corrente amostrada pela ponta STM posicionada diretamente em cima de um silicone que DB é predominantemente composto por elétrons passando a granel para o DB e do DB da ponta, com taxas Γem massa e Γdeponta, respectivamente. Dopantes arsênico, representados por bolas verdes, também têm (ΓHL) de enchimento e esvaziamento de taxas (ΓLH) que podem ser analisadas através de medições de STM tempo-resolvido. (B) a borda de banda de condução na presença de um dopant ionizado (curva verde) é puxada para baixo relativo a, quando o dopant é neutro (curva de preto), que resulta em uma aumento da condutibilidade. O diagrama de energia foi calculado para um viés de amostra de-2.0 V. A área de cor azul representa os Estados preenchidos. Esta figura foi tido com a permissão de Rolim et al 16 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: as modificações necessárias que devem ser feitas para um STM comercial tal que TR-STM pode ser realizada com os métodos descritos neste trabalho. Um viés de DC offset é aplicado para a amostra, e durante a espectroscopia de imagem e convencional do STM, a ponta do STM está de castigo. Quando usado para medições de tempo-resolvido, os sinais criados por um gerador de função arbitrária com dois canais independentes são somados e alimentados até a ponta do STM, que deve ser equipada com cabeamento de alta frequência. Dois interruptores de radiofrequência são usados para controlar os trens de pulso. A corrente de tunelamento é medido no lado da amostra. Esta figura foi tido com a permissão de Rolim et al 16 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: O comportamento espectroscópico de um DB selecionado com STM convencional. (A) uma medida de I(V) sobre o DB recolhido a altura constante. (B) constante-atual STM imagens do DB além (-2.1 V, à esquerda), em (-2.0 V, médio) e abaixo (-1.8 V, direito) a tensão de limiar. Linhas de dímero da reconstrução H-Si(100)-(2x1) aparecem como barras paralelas. (C) com o feedback atual controlador de STM fora um rastreamento de hora atual adquirido sobre o DB na tensão limiar (-2.01 V) exibe dois Estados telégrafo ruído sobre a escala de tempo de milissegundos. Esta figura foi tido com a permissão de Rolim et. al. 16 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: uma correlação cruzada dos pulsos bomba e sonda na junção de túnel. (A) diagrama esquemático das sequências de pulso de correlação cruzada. Um viés deslocamento estático DC (barra verde) é aplicado para a amostra. O relativo atraso entre os pulsos de bomba (barras vermelhas) e os pulsos de sonda (barras azuis) é varreu zero atraso. Cada par de bomba e sonda pulsos representa um trem de pulsos enviados para a ponta. (B), a dica é posicionado sobre o H-Si e um trem de pares de bomba-sonda é entregue para a junção de túnel. O atraso relativo da sonda é medido a partir do bordo de fuga da bomba para a ponta da sonda e foi varrido da-900 ns para 900 ns. Um deslocamento de DC estático de -1,0 V foi aplicado à amostra. Bomba e sonda amplitudes foram criados para V -0.50 com larguras de 200 ns. O tempo de subida/descida dos pulsos conjunto 25 ns (preto), 10 ns (vermelho) e 2,5 ns (azul). A sonda atual foi multiplicada por um fator de vinte anos a conta para o ciclo de trabalho 5% empregado na medição, no entanto, nenhuma tentativa foi feita para corrigir o fato de que as áreas integradas de cada trem de pulso são diferentes. Baixo-relevo: uma visão ampliada de zumbido entre 0 e 900 atraso relativo de ns. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: tempo-resolvido varredura de tunelamento I(V) espectroscopia (TR-STS). (A) diagrama esquemático das sequências de pulso TR-STS. Um viés deslocamento estático DC (barra verde) é aplicado para a amostra. Bomba de pulsos (barras vermelhas) precedem sonda pulsos (barras azuis). Cada par de bomba e sonda pulsos representa um trem de pulsos enviados para a ponta. (B) medição de TR-STS com 1 µs largura bomba e sonda pulsos. A histerese entre as curvas sem a bomba (triângulos vermelhos) e com a bomba (círculos azuis) se sobrepõe a faixa diagonal onde o sistema é biestável. O viés de DC é definido como-1.80 V, o viés de bomba é V -0.50 e o viés da sonda foi varrido de 500 a 50 mV. Os pulsos têm aumentado e caído vezes de 25 ns, o atraso relativo entre o trailing edge da bomba e a ponta do pulso sonda é 10 ns e a taxa de repletion é de 25 kHz. Esta figura foi tido com a permissão de Rolim et. al. 16 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: medições de tempo-resolvido da dinâmica de excitação e relaxamento dopant. (,D) Esquemas das sequências de pulso. Um viés deslocamento estático DC (barra verde) é aplicado para a amostra. Bomba de pulsos (barras vermelhas) precedem sonda pulsos (barras azuis). Cada par de bomba e sonda pulsos representa um trem de pulsos enviados para a ponta. (B) medição de ΓHL é feita pelo varrendo o atraso relativo das pulsações de bomba e sonda. Os pulsos de bomba e sonda têm larguras de 1 µs. Um deslocamento de DC de-1.80 V é aplicado para a amostra; os pulsos de bomba e sonda têm amplitudes de-0.4 e-0.21 V, respectivamente. A linha sólida é um ajuste dos dados com uma única função exponencial. (C) medições de ΓHL em amplitudes diferentes da bomba. Barras de erro representam os erros de padrão dos acessórios exponenciais. (E) medição de ΓLH feita pelo varrendo a duração da bomba. Um deslocamento de DC de-1.80 V é aplicado para a amostra e os pulsos de sonda tem uma amplitude de-0.21 V. Vthr para o DB selecionado é-2.05 V. A linha sólida é um ajuste dos dados com uma única função exponencial. (F) medidas de ΓLH em amplitudes diferentes bomba para dois selecionados DBs. DB1 (triângulos vermelhos) é o DB usada para todas as outras medições no texto. DB2 é um DB selecionado diferente e é totalmente descrito Rolim et al 16 linhas sólidas são ajustes dos dados com uma única função exponencial. Esta figura foi tido com a permissão de Rolim et al 16 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A variante de TR-STS em que o pulso de bomba não é aplicado é comparável ao STS convencionais, exceto que o sistema está sendo amostrado em uma alta frequência, ao invés de continuamente. Se as durações de pulsos a sonda são apropriadas (>ΓLH), o TR-STS do sinal adquirido sem o pulso da bomba pode ser multiplicado por uma constante proporcional ao ciclo de dever do experimento para coincidir exatamente com um STS convencional medição. Isto só é possível porque as medições são feitas sem o uso de um amplificador lock-in, que caso contrário iria atenuar uma parte desconhecida do sinal devido a filtragem de passa-baixo usado. Esta é uma diferença significativa entre os métodos empregados por Loth et al 11 e as apresentadas neste trabalho. O uso de um amplificador de lock-in pode ser usado para melhorar a sensibilidade das medições, mas impede a comparação direta de TR-STS com medições convencionais do STS. Em sistemas onde essa sensibilidade é necessária, prevê-se que ambos os métodos poderiam ser usados em concerto, com o fechamento-em amplificador desligado que experimentadores eficientemente podem procurar dinâmica e bloquear em amplificador ligado para adicionado sensibilidade durante a caracterização da dinâmica de excitação e relaxamento.

A principal desvantagem dessas técnicas é que a sua resolução temporal está atualmente limitada a nanossegundos vários. Isto é várias ordens de magnitude mais lentas do que o que pode ser conseguido com técnicas de junção-mistura ou ópticas. Esta é uma consequência do sinal tocar, que ocorre quando pulsos de tensão com tempos de ascensão de nanossegundos sub são usados, devido a incompatibilidade de impedância entre o circuito do STM e a junção de túnel31. Com efeito, todo-eletrônico métodos tem alcançado o tempo de resolução tão fino como 120 ps34 mas ainda não foram utilizados para investigar a dinâmica com essa resolução. Um STM otimamente projetado teria um circuito STM impedância-perfeitamente até a junção de túnel, que seria perfeitamente incompatibilidade de impedância. Isto iria eliminar a distorção e dissipação do pulso e refletem a energia de microondas, preferiria entregá-lo através da junção. Uma estratégia possível para eliminar o toque musical resultante seria adicionar dissipação extra ao circuito STM para que refletiu pulsos iria ser atenuados eficazmente.

Neste trabalho, a abordagem mais simples levaram, ou seja, nenhuma modificação interna para o STM comercial foi executada. Uma técnica de correlação cruzada foi usada para caracterizar o zumbido, que em seguida foi minimizado, simplesmente estendendo os tempos de ascensão dos pulsos. Porque o tempo de subida dos pulsos limita o tempo de resolução, esta estratégia não pode ser usada para caracterizar processos dinâmicos que ocorrem em escalas de tempo os limites dessas técnicas (vários ns). Nessas situações, tocando pode ser ativamente suprimido empregando as técnicas desenvolvidas por Grosse et al 31 , que envolvem a moldar os pulsos para dar conta da função de transferência do gerador de função arbitrária e a junção de túnel.

A abordagem todo-eletrônico para TR-STM tem muitas vantagens sobre outras abordagens de TR-STM proeminentes. Em primeiro lugar, em comparação com a mistura de junção STM, esta abordagem não requer quaisquer estruturas especializadas de amostra. A colheita de amostras que pode ser digitalizada com STM convencional deve ser receptiva a estas técnicas. Além disso, a abordagem de todo-eletrônico não requer modificações significativas para o STM ou o uso de ótica ultra rápida. Com efeito, as modificações para os circuitos STM necessário para executar essas técnicas são extremamente modestas, como STMs comerciais com cabeamento de alta frequência estão disponíveis. Além disso, a dinâmica sondada com a abordagem de todo-eletrônico é puramente local, como os pulsos são fornecidos diretamente para a ponta do STM. Isto contrasta com SPPX-STM, onde os pulsos de laser incidente só podem ser focados a vários microns quadrados. Finalmente, o método todo-eletrônico permite a capacidade de manipular com precisão os enviesamentos da bomba e sonda, permitindo uma comparação direta com medidas padrão do STM. Isto é central para várias das técnicas descritas neste documento, e embora possa ser possível implementar sequências de pulso similares em abordagens ópticas para TR-STM, é difícil experimentalmente.

As técnicas experimentais apresentadas aqui medida carga dinâmica com resolução espacial atômica e resolução temporal de nanossegundos. Há uma riqueza da nova física para ser estudado com esta abordagem muito acessível. Por exemplo, a dinâmica de simples átomos é fascinantes e importantes tecnologicamente. Dinâmica do átomo foram estudada anteriormente dentro das limitações do STM convencional, mas esta técnica abre a porta para semelhante a investigar processos adicionais sobre seis ordens de magnitude (de milissegundo para nanossegundos). Notavelmente, esta preenche a lacuna de eventos lentos tipicamente observada em STM, para os processos fundamentais que lhes estão subjacentes.

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Disclosures

Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.

Acknowledgments

Gostaríamos de agradecer a Martin Cloutier e Mark Salomons por seus conhecimentos técnicos. Agradecemos também a NRC, NSERC e AITF apoio financeiro.

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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