Totalmente electrónico resuelto nanosegundo túnel microscopía: Facilitar la investigación de Dopant solo carga dinámica

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Summary

Demostrar un método totalmente electrónico para observar la dinámica de carga resuelto nanosegundo de los átomos del dopant en silicio con un microscopio de efecto túnel.

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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

La miniaturización de dispositivos semiconductores a escalas donde una pequeña cantidad de dopantes puede controlar propiedades del dispositivo requiere el desarrollo de nuevas técnicas capaces de caracterizar su dinámica. Investigación de dopantes solo requiere sub-nanométrica resolución espacial, que motiva el uso de microscopía de efecto túnel (STM). Sin embargo, STM convencional se limita a la resolución temporal de milisegundos. Varios métodos se han desarrollado para superar esta deficiencia, incluyendo STM tiempo resuelto totalmente electrónico, que se utiliza en este estudio para examinar la dinámica de dopante en silicio con la resolución de nanosegundo. Los métodos presentados aquí son ampliamente accesibles y permitan la medición local de una gran variedad de dinámicas en la escala atómica. Una novela de tiempo resuelto técnica espectroscopía túnel de escaneo se presenta y utiliza para buscar eficiencia dinámica.

Introduction

Exploración (STM) la microscopia el hacer un túnel se ha convertido en la principal herramienta en Nanociencia por su capacidad para resolver escala atómica topografía y estructura electrónica. Una limitación de STM convencional, sin embargo, es que su resolución temporal está restringida a la escala de tiempo de milisegundos debido al ancho de banda limitado de la corriente de preamplificador1. Durante mucho tiempo ha sido una meta para ampliar la resolución temporal de STM a las escalas que ocurren comúnmente procesos atómicos. Pionera en el trabajo tiempo resuelto microscopía de efecto túnel (STM-TR) por Freeman et. al. 1 utilizar interruptores fotoconductora y líneas de transmisión de Microcinta con dibujos en la muestra para transmitir impulsos de tensión del picosegundo para el cruce de túnel. Esta técnica mezcla de cruce se ha utilizado para lograr la resolución simultánea de 1 nm y 20 ps2, pero nunca ha sido adoptado ampliamente debido a la exigencia del uso de las estructuras especializadas de la muestra. Afortunadamente, la idea fundamental de estas obras se puede generalizar a muchas técnicas de tiempo resuelto; Aunque el ancho de banda de circuitos de STM se limita a varios kilohercios, la respuesta no lineal de la detección en STM permite dinámica más rápido a ser sondeado por el túnel promedio actual obtenido durante muchos ciclos de bomba-sonda de medición. En los años transcurridos, se han explorado diversos enfoques, el más popular de la que se repasa brevemente a continuación.

STM (SPPX) sacudido-pulso-par-excitada aprovecha de los avances en tecnologías láser de pulsos ultrarrápidos para lograr la resolución sub-picosegundo por iluminar directamente la salida del túnel y emocionante portadores en la muestra3. La luz láser incidente crea portadores libres que mejoran transitoriamente la conducción, y modulación de la demora entre la bomba y sonda (td) permite d/dtd a medirse con un amplificador lock-in. Porque la demora entre la bomba y sonda es modulada en lugar de la intensidad del láser, como en muchos otros enfoques ópticos, STM SPPX evita dilatación térmica inducida por la iluminación de foto de la punta3. Las extensiones más recientes de este enfoque han ampliado los plazos que SPPX STM se puede utilizar para investigar la dinámica mediante la utilización de técnicas de recolección de pulso para aumentar la gama de bomba sonda retardo veces4. Lo importante, este reciente desarrollo también proporciona la capacidad a medida (td) curvas directamente en lugar de mediante la integración numérica. Aplicaciones recientes de STM SPPX han incluido el estudio de la recombinación del portador en solo-(Mn, Fe)/GaAs(110) estructuras dinámicas5 y donantes en GaAs6. Aplicaciones de STM SPPX enfrentan algunas restricciones. La señal QUE STM SPPX medidas depende de portadores libres excitados por los pulsos ópticos y se adapta mejor a los semiconductores. Además, aunque el túnel actual se localiza en la punta, porque un área es excitado por los pulsos ópticos, la señal es una circunvolución de las propiedades locales y transporte de material. Por último, el sesgo en el cruce se fija en la escala de tiempo de medición para que la dinámica bajo estudio debe ser fotoinducida.

Una técnica óptica más reciente, terahertz (THz-STM), de STM parejas pulsos de THz de espacio libre se centró en el cruce a la punta STM. A diferencia de en SPPX-STM, los impulsos acoplados se comportan como pulsos de voltaje rápida que permite la investigación de excitaciones conducidas electrónicamente con el picosegundo resolución7. Curiosamente, la corriente rectificada había generado de los pulsos de THz resultados en densidades de corriente de pico extrema no accesibles por convencional STM8,9. La técnica se ha utilizado recientemente para estudiar electrones calientes en Si(111)-(7x7)9 y la vibración de una molécula de pentaceno solo10de la imagen. THz-pulsos par naturalmente a la punta, sin embargo, la necesidad de integrar una fuente de THz a un experimento STM es probable que sea difícil para muchos experimentadores. Esto motiva el desarrollo de otras técnicas ampliamente aplicables y fácilmente implementables.

En 2010, Loth et al. 11 desarrolló una técnica totalmente electrónico donde nanosegundo pulsos de voltaje aplicados en la parte superior un offset DC electrónicamente bombean y sonda system11. La introducción de esta técnica ofrece una demostración crítica de aplicaciones prácticas sin ambigüedades de tiempo resuelto STM para medir física previamente inadvertido. Aunque no es tan rápido como ensambladura del STM, que lo precedieron, de mezcla aplicación de pulsos de microondas hasta la punta STM permite muestras arbitrarias a investigarse. Esta técnica no requiere complicados métodos ópticos ni acceso óptico a la ensambladura del STM. Esto hace que la técnica más fácil para adaptarse a la baja temperatura STMs. La primera manifestación de estas técnicas se aplicó al estudio de la dinámica de la vuelta donde un STM polarizada vuelta fue utilizado para medir la dinámica de relajación de spin-estados excitados por los pulsos de la bomba11. Hasta hace poco, su uso seguía siendo limitado a adatom magnética sistemas12,13,14 pero tiene puesto que se ha extendido al estudio de la velocidad de captura de portador de un discreto mediados de-boquete15 del estado y carga dinámica de dopantes solo arsénico en silicio15,16. Este último estudio es el foco de este trabajo.

Estudios sobre las propiedades de solo dopantes en semiconductores recientemente han atraído considerable atención debido a semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) entrando en el régimen donde solo dopantes pueden afectar propiedades del dispositivo17 . Además, varios estudios han demostrado que los dopantes solo pueden servir como el componente fundamental de los futuros dispositivos, por ejemplo como qubits para quantum computación18 y quantum memoria19y como solo átomo transistores20 , 15. dispositivos de futuro pueden incorporar también otros defectos de la escala atómica, como el silicio colgando de bonos (DB) que pueden ser modelado con precisión atómica con STM litografía21. Para ello, DBs se han propuesto como charge qubits22, puntos cuánticos para quantum autómatas celulares arquitecturas23,24y de25,cables atómica26 y ha sido modelada para crear cuántica lógica hamiltoniano puertas27 y moléculas artificiales28,29. Avanzando, los dispositivos pueden incorporar dopantes solo y DBs. Esto es una estrategia atractiva porque DBs son defectos superficiales que fácilmente pueden ser caracterizados con STM y utilizados como asa para caracterizar dispositivos de dopant solo. Como ejemplo de esta estrategia, DBs se utilizan en este trabajo como sensores de carga para deducir la carga dinámica de dopantes cerca de la superficie. Estas dinámicas son capturadas con el uso de un enfoque totalmente electrónico TR-STM que es una adaptación de las técnicas desarrolladas por Loth et al. 11

Las mediciones se realizan en las DBs en una superficie de Si(100)-(2x1) de hidrógeno terminado. Una región de agotamiento de dopante que se extiende aproximadamente 60 nm debajo de la superficie, creado a través del tratamiento térmico del cristal30, desvincula, el DB y el pocos restantes dopantes de cerca de la superficie de las bandas a granel. Estudios STM de DBs han encontrado que su conductancia depende de parámetros de la muestra global, como la concentración de dopantes y la temperatura, pero DBs individuales también muestran fuertes variaciones dependiendo de su entorno local16. Durante una medición de STM sobre una única DB, el flujo actual se rige por la tasa en la cual electrones pueden túnel del bulto a la DB (Γgrueso) y de la DB a la punta (puntadeΓ) (figura 1). Sin embargo, porque la conducción de la DB es sensible a su entorno local, del estado de carga de dopantes cercanas influencias Γa granel (figura 1B), que puede inferirse mediante el control de la conductancia de la DB. Como resultado, la conductancia de una DB puede utilizarse para detectar los Estados de carga de dopantes cercana y puede utilizarse para determinar las tarifas que los dopantes son suministran electrones de la mayor parte (ΓLH) y perder la punta del STM (ΓHL < / c13 >). Para resolver estas dinámicas, TR-STS se realiza alrededor de los voltajes de umbral (Vthr) en la que la punta induce la ionización de dopantes cerca de la superficie. El papel de los impulsos de la bomba y la sonda es la misma en las técnicas experimentales tiempo resuelto tres presentadas aquí. La bomba transitoriamente trae el nivel diagonal de abajo a arriba Vthr, que induce la ionización dopante. Esto aumenta la conductancia de la DB, que es muestreada por el pulso de la punta de prueba que sigue a un menor sesgo.

Las técnicas descritas en este trabajo beneficiará a aquellos que desean caracterizar dinámica que ocurre en los milisegundos a nanosegundos calendario con STM. Mientras que estas técnicas no se limitan al estudio de carga dinámica, es crucial que la dinámica se manifiesta a través de cambios transitorios en la conductancia de Estados que puede ser sondeado por STM (es decir, Estados en o cerca de la superficie). Si la conductancia de los Estados transitorios no difieren significativamente al estado de equilibrio tal que la diferencia entre las corrientes transitorios y equilibrio multiplicado por el ciclo de trabajo del pulso sonda suele ser más pequeño que el ruido de los sistemas ( 1 pA), la señal se perderá en el ruido y no será detectable por esta técnica. Porque las modificaciones experimentales de sistemas STM comercialmente disponibles necesarios para realizar las técnicas descritas en este documento son modestas, se prevé que estas técnicas sea ampliamente accesibles a la comunidad.

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Protocol

1. inicial configuración del microscopio y de experimentos

  1. Comience con un ultra vacío criogénicos capaces STM y software de control asociado. Enfriar el STM a temperaturas criogénicas.
    Nota: A lo largo de este informe, vacío ultraalto se refiere a sistemas que logran < 10 x 10-10 Torr. El STM debe refrigerarse a temperaturas criogénicas; Esto es especialmente importante al investigar la dinámica de carga de dopantes, que son activados térmicamente a temperaturas modestas. Otras cámaras pueden estar a temperatura ambiente.
  2. Asegúrese que la punta STM es equipada con cableado de alta frecuencia (~ 500 MHz).
    Nota: Al usar pulso formar métodos, un gran aumento en el tiempo de respuesta de un STM con cableado coaxial estándar temperatura criogénica (~ 20 MHz) ha sido reportado por Grosse et al. 31
  3. Conectar un generador de función arbitraria con al menos dos canales para la punta (figura 2), que se utilizará para preparar los ciclos de pares de pulso de voltaje usados para los experimentos de la sonda de la bomba.
  4. Configurar el generador de funciones arbitrarias para que los pulsos de voltaje de bomba y sonda se generan independientemente y se suman antes de ser alimentadas en la punta.
  5. Se aplica el voltaje bias DC utilizado para espectroscopia convencional e imágenes a la muestra (VDC).
  6. Conectar dos interruptores de la frecuencia de radio con canales de salida del generador de funciones arbitrarias.
  7. Configurar los switches para que la punta se basarse en espectroscopia convencional e imágenes de STM, y el sesgo eficaz VDC + Vpunta durante experimentos de la sonda de la bomba (Figura 4A).
  8. Recoger el túnel actual para todas las mediciones a través de un preamplificador conectado a la muestra.

2. preparación de la reconstrucción H-Si(100)-(2x1)

  1. Partirá de una muestra de una oblea de Si(100) de 3-4 mΩ·cm arsénico tipo n dopado por rascarse la parte trasera de la oblea con una punta de trazar de carburo de silicio y ajustar con cuidado la muestra de la oblea con portaobjetos de vidrio.
  2. Colocar la muestra en un portamuestras STM e introducir a una cámara de vacío ultraalta adyacente a la cámara STM.
  3. Desgasificar la muestra por resistividad calienta a 600 ° C (puede usarse un pirómetro para controlar la temperatura de la muestra) y se mantiene a esa temperatura durante al menos 6 h en vacío ultra.
    Nota: La presión se elevará inicialmente como la muestra y el portamuestras degas, pero deben estabilizarse cerca de la presión base (< 10-10 Torr) después de varias horas.
  4. Permita que la muestra se enfríe a temperatura ambiente antes de continuar.
  5. Desgasificar un filamento de tungsteno en la misma cámara que la muestra resistividad calentando el filamento a 1800 ° C y esperando el sistema a recuperar a la presión de base. Apague el filamento antes de continuar.
    Nota: La muestra puede permanecer en la cámara durante este paso porque es apaciguado por la capa de óxido nativo en su superficie, y cualquier contaminación de la superficie de la muestra de este paso se eliminará posteriormente. Temperatura del filamento debe ser calibrado para un corriente/voltaje específico aplicado a los filamentos con un pirómetro.
  6. Quitar el óxido de la superficie de la muestra por intermitente muestra a 900 ° C y se mantiene a esta temperatura por 10 s antes de enfriamiento a temperatura ambiente. La presión aumentará varios órdenes de magnitud de la presión base durante el procedimiento de flasheo. Después de cada uno de los destellos en todo este procedimiento, espere a que la muestra se enfríe a temperatura ambiente y el sistema para recuperar a la presión base antes de continuar.
    Nota: Intermitente se define dentro de este informe como de calefacción y refrigeración de la muestra con velocidades de rampa alta, del orden de 100 ° C/s.
  7. Flash progresivamente la muestra a temperaturas más altas al intentar llegar a un final flash de 1250 ° C. Cancelar cualquier flash donde la presión se eleva por encima de 9 x 10-10 Torr para evitar que la superficie de la muestra obteniendo contaminados. Registrar la tensión para alcanzar 1250 ° C flash (la luz emitida por el filamento caliente en el paso 2.6 evitará un pirómetro de dar una lectura exacta de la temperatura de la muestra, y por lo tanto este punto debe utilizarse). En el final flash, determine la tensión necesaria para calentar la muestra a 330 ° C mientras el cristal se enfría y, a continuación, deje que la muestra enfriar a temperatura ambiente y el sistema recuperar a presión base antes de continuar.
  8. Fugas de gas de2 H en la cámara a una presión de 1 x 10-6 Torr y calentar el filamento de tungsteno a 1800 ° C.
    Nota: Esto tiene el efecto de grietas H2 hidrógeno de atmoic32.
  9. Mantenga la muestra en estas condiciones durante 2 min antes de parpadear la muestra a 1250 ° C, mantiene a esa temperatura durante 5 s y el enfriamiento al 330 ° C.
  10. Después de 1 min de exposición a 330 ° C, al mismo tiempo cierre la válvula de escape de2 H, apague el filamento de tungsteno y deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente.
    Nota: Estas altas temperaturas flashes afectan la distribución de los dopantes en la muestra. Calefacción a 1250 ° C se ha encontrado para inducir a una región de agotamiento de ~ 60 nm dopante cerca de la superficie de la muestra30.
  11. Verificar la calidad de la muestra tomando imágenes STM de la superficie.
    Nota: Las muestras buena tendrá grandes (> 30 nm nm x 30) terrazas con una tasa de defecto de < 1% (colgando enlaces, moléculas adsorbidas, adatoms, etc.) y demostrará el clásico Si(100)-(2x1) reconstrucción32, que cuenta con filas de dímero correr antiparallel uno al otro a través de bordes de paso (figura 3B).

3. evaluación de la calidad de los pulsos de la bomba de sondeo en el cruce de túnel

  1. Planteamiento de la punta STM la superficie de la muestra por participar el actual regulador de retroalimentación con un punto de referencia actual de 50 pA y un sesgo de la muestra de-1.8 V.
    Nota: En estas condiciones, la punta se estima < 1 nanómetro de la superficie de la muestra. La punta STM utilizada en este trabajo fue producida por grabado químicamente policristalino tungsteno. Fue afilar aún más con un nitrógeno grabado el procedimiento que se describe bien en Rezeq et al. 33.
  2. Busque un área en la superficie de la muestra libre de defectos de superficie grandes realizando exploraciones de gran área (por ejemplo, 50 nm nm x 50).
  3. Posición del STM volcar un H-Si en la superficie, que aparecen como las filas de dímero de imágenes STM (figura 3B).
  4. Apague el controlador actual de retroalimentación
  5. Sistema VDC a -1.0 V, Vbomba a -0.5 V, Vsonda -0,5 V, la anchura de los impulsos de la bomba y sonda de 200 ns y el tiempo de subida/bajada de los pulsos a 2.5 ns (Figura 4A).
  6. Enviar una serie de trenes de pulsos de la bomba y la sonda donde se barre el retraso relativo de la bomba y sonda de-900 ns a 900 ns.
  7. Parcela el túnel actual en función de la demora entre la bomba y sonda. Probablemente mostrarán fuertes llamadas (oscilaciones en el túnel actual como una función del relativo retraso entre los pulsos de la bomba y sonda, Figura 4B).
    Nota: El software Python y origen se utilizaron para trazar, analizar y evaluar los datos recogidos para este manuscrito.
  8. Repita los pasos 3.1 a 3.5, pero aumentar los tiempos de subida/bajada de los pulsos. El timbre se reducirá como se aumentan los tiempos de subida/caída.
    Nota: Ha deseado eliminar zumbido para proporcionar los resultados espectroscópicos más precisos, sin embargo, el tiempo de resolución de estas técnicas está limitada a la anchura de los pulsos utilizados. tiempos de subida de ns 25 fueron utilizados para este trabajo.

4. tiempo-Resolved exploración túnel espectroscopia (TR-STS)

  1. Posición del STM volcar un silicio de DB, que aparecen como protuberancias brillantes en sesgos de punta muestra negativa (figura 3B).
  2. Apagar el regulador de respuesta actual de STM.
  3. Enviar un tren compuesto por sólo el pulso de la sonda con una tasa de repetición de 25 kHz. Una serie de trenes de pulso, barrer el sesgo del pulso sonda sobre una gama de 500 mV desde el sesgo de la C.C. de-1.8 V.
    Nota: Este simple experimento es análogo a STS convencionales donde la conductancia se muestrea en un rango de sesgos.
    1. Configurar la duración de los trenes de pulso (cada uno con un sesgo diferente) que los espectros resultantes tienen una relación señal a ruido > 10.
  4. Enviar un tren compuesto por pulsos de la bomba en un bias fijo (tal que V + Vde laC.C. bomba > Vthr) con una tasa de repetición de 25 kHz. En estos experimentos, establezca la VDC Vbombay Vthr en-1.8 V, 500 mV y -2,0 V, respectivamente.
    Nota: Los pulsos de la bomba pueden tener arbitrariamente largas duraciones (1 μs es normalmente suficiente).
  5. Enviar un tren compuesto por los impulsos de la bomba con los pulsos de sonda, seguidos de un retraso de 10 ns. En estos experimentos, establecer la amplitud del pulso de la bomba como 500 mV y del barrido de pulso sonda de 50 a 500 mV.
    Nota: En este experimento, el pulso de la sonda muestreo el estado preparado por el pulso de la bomba, en lugar del estado de equilibrio en STS convencionales.
    1. Restar la señal obtenida cuando se aplicó sólo el pulso de la bomba cuando Mostrar/evaluación de señal de este paso.
  6. Comparar la sonda y la bomba + sonda de señales mediante la representación en el mismo gráfico. Cualquier histéresis en las dos señales es una indicación de la dinámica que puede ser sondeado con técnicas STM de tiempo resuelto.
    Nota: Manteniendo el rango del pulso sonda fijado y análisis grueso del DC offset (en 0,25 V pasos, por ejemplo), uno puede eficientemente asignar la gama de energía entera de la muestra para identificar la dinámica accesible a la técnica. Duraciones de pulso pueden modificarse dependiendo de la experiencia. El ancho del pulso de la bomba debe ser superior a la tasa a la cual se ioniza el dopant, que constantemente ioniza el dopant. En general, las duraciones de la sonda deben ser del mismo orden como el proceso dinámico de estudio, tal que la señal máxima se puede medir sin un promedio de los Estados de la dos conductancia de muestreo. Cuando se busca de energías dinámicas que existen, se recomienda que las duraciones de la sonda se reducen al mínimo tal que sólo un estado del sistema se mide para realzar la histéresis. Como las constantes de tiempo de relajación se encuentran, se puede aumentar la duración del pulso de sondeo para mejorar la relación señal a ruido.

5. tiempo-resolved STM medidas de relajación dinámica

  1. Coloque la punta STM sobre silicio DB y apague el controlador actual de retroalimentación STM.
  2. Enviar un tren compuesto por pulsos de la bomba en un bias fijo (tal que V + Vde laC.C. bomba > Vthr) con una tasa de repetición de 25 kHz. En estos experimentos, establezca la VDC Vbombay Vthr en-1.8 V, 400 mV y -2,0 V, respectivamente.
    Nota: Los pulsos de la bomba pueden tener arbitrariamente largas duraciones (1 μs es normalmente suficiente).
  3. Enviar un tren de pulsos de bomba y sonda. Asegúrese de que los pulsos de la sonda con una amplitud inferior a las bombas y comparable a la gama en que histéresis ocurre (Vsonda < Vbomba, Vsonda + VDC Vhystersis).
  4. Barrer el retraso entre la bomba y sonda de pulso hasta varias decenas de μs.
  5. Restar la señal obtenida cuando se aplicó sólo el pulso de la bomba. En estos experimentos, establecer la VDC Vbombay Vsonda a-1.8 V, 400 mV y 210 mV, respectivamente. Configurar el barrido del retraso relativo de-5 μs a 35 μs.
    Nota: Si la señal obtenida del paso anterior es bien ajuste (R2 > 0.80) por una función del decaimiento exponencial único, entonces la duración del estado transitorio preparado por el pulso de la bomba puede extraerse de la fit.

6. tiempo-resolved STM medidas de excitación dinámica

  1. Enviar un tren compuesto por pulsos de la bomba en un bias fijo (que mayor que V + Vde laC.C. bomba > Vthr) con una tasa de repetición de 25 kHz. En estos experimentos, configurar VDC y Vthr -1.8 V y -2,0 V, respectivamente. Sistema Vlabomba de entre 220 y 450 mV.
  2. La duración de la pulsación de la bomba de varios nanosegundos a varios cientos nanosegundos de barrido.
  3. Enviar un tren de pulsos de bomba y sonda. Los pulsos de la sonda deben tener una amplitud más pequeña que las bombas y comparable a la gama en que histéresis ocurre (Vsonda < Vbomba, Vsonda + VDCV hystersis). En estos experimentos, establecer Vsonda a 210 mV.
  4. Restar la señal obtenida cuando se aplicó sólo el pulso de la sonda.
    Nota: Si la señal obtenida es exponencial, indica que el pulso de la bomba está preparando el estado transitorio (dopante ionizado) a un ritmo que se puede extraer desde el ajuste (R2> 0.80). El protocolo descrito anteriormente es específico para los experimentos y el equipo descrito en este documento. Hay muchas avenidas potenciales para los lectores personalizar su propia configuración experimental para estudios de otros sistemas. Por ejemplo, las técnicas generales no se limitan a STMs criogénico refrescados; puede utilizarse cualquier material de punta, y que no requieren de la aguafuerte del nitrógeno. Además, un generador de función arbitraria convenientemente programada podría utilizarse para generar formas de onda de impulso doble, que negaría la necesidad de sumar dos canales independientes. Por último, cableado de menor ancho de banda puede ser utilizado31.

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Representative Results

Los resultados presentados en esta sección del texto han sido publicado previamente15,16. La figura 3 ilustra el comportamiento de un ejemplo seleccionado DB con STM convencional. Una medida de detección convencional (Figura 3A) muestra claramente un cambio brusco en la conductancia de la DB en Vthr = -2,0 V. Este comportamiento también se observa en STM imágenes tomadas a -2.1 V (figura 3B, panel izquierdo), -2,0 V (panel central) y-1.8 V (panel derecho), donde la DB tiene la apariencia de una protuberancia brillante, una protrusión manchada y una oscura depresión, respectivamente. Esta transición también se pueden observar mirando el túnel actual recogió con la punta colocada directamente encima de la DB con el z-controlador de apagado y el sesgo en Vthr, que da lugar a dos niveles del telégrafo (figura de ruido 3 C)., en estas mediciones, la punta del STM fue colocada directamente sobre la base de datos. En este arreglo, la fluctuación del estado de carga de la DB se produce en escalas de tiempo abajo e / IT = 2ns, que es mucho más rápido que el cambio observado. Como tal, el comportamiento observado se atribuye a la carga dinámica de dopantes cercano que afecta la conductancia de la DB. Es importante observar que porque la función de la onda extendida de DB media prohibida de energía Estados acto como puente para llevar a cabo electrones de la banda de conducción a granel a la punta, el comportamiento observado es sólo aparente cuando la punta se coloca directamente sobre el DBs. Como el sesgo fue aumentado, la frecuencia del ruido del telégrafo también aumentado fuertemente, que en-2.02 V, el comportamiento de conmutación ya no podría resolverse directamente por preamplificador de STM. Esto motivó el uso de tiempo resuelto túnel microscopía (TR-STM) y análisis de espectroscopia túnel (TR-STS) de tiempo resuelto.

Figura 4 muestra un método que puede utilizarse para evaluar la calidad de los pulsos a la Unión. Timbre se observa cuando se utilizan tiempos de subida rápida para los pulsos de la bomba y sonda debido el desajuste de impedancia entre la circuitería del STM y el cruce de túnel. Una correlación cruzada de los impulsos de la bomba y la sonda puede ser generada por barrer el retraso relativo del pulso de sonda con cero retraso. Un aumento fuerte en túnel actual se produce cuando los impulsos de la bomba y sonda se solapan debido al comportamiento no lineal característico de las medidas de detección. De llamada se manifiesta a través de pequeñas oscilaciones de la amplitud en el túnel actuales a ambos lados del origen. Aumentando los tiempos de subida en los pulsos de 2.5 ns a 25 ns, se observa una fuerte supresión de la llamada. El desplazamiento relativo de las señales generadas con cada tiempo de subida del pulso es el resultado del hecho de que el ancho de pulso se mide para incluir los tiempos de subida de los impulsos. Por lo tanto, los pulsos con tiempos de subida de 2,5 ns tienen un área integrado, y por lo tanto una mayor integrado actual, comparado con pulsos con tiempos de subida de 25 ns. Esto pone de relieve esa comparación cuantitativa de TR-STM las mediciones deberán realizarse solamente cuando los tiempos de subida de los pulsos utilizados son iguales.

Figura 5 muestra a TR-STS. En estas mediciones, un pulso de la bomba trae transitoriamente el sistema arriba Vthr, e inmediatamente después de un pulso de sonda interroga la conductancia del estado transitorio. La conductancia del estado transitorio puede asignarse al restar la señal adquirida con sonda solamente de la señal obtenida con bomba + sonda. Cuando las señales de sólo bomba + sonda y sonda se compararon directamente, cualquier histéresis es indicativa de procesos dinámicos que pueden ser sondeados por TR-STS. Cambiando el valor de la parcialidad offset fijo de DC, la dinámica del sistema que puede sondeado por TR-STS puede identificarse eficazmente.

En TR-STS, es importante considerar la duración de los impulsos de la bomba y sonda. El pulso de la bomba debe ser lo suficientemente largo para inducir a un estado estacionario del sistema (es decir, la bomba lo en el estado de alta conductancia). Si la duración de la pulsación de la sonda es muy larga, sin embargo, luego en amplitudes de la sonda bajo, la conductancia de la DB puede relajarse durante la medición. En este caso, el pulso de la punta de prueba se muestra los Estados de alta y baja conductancia de la DB y reducir la visibilidad de la histéresis. Por lo tanto, para maximizar la visibilidad de la histéresis, la duración del pulso de sondeo debe ser inferior a la tasa de relajación del estado alta conductancia.

Figura 6 muestra las mediciones de tiempo resuelto de dinámicas de relajación y excitación de dopant. Como en TR-STS, la muestra se establece en un sesgo de compensación DC fijo abajo Vthry los pulsos de la bomba que transitoriamente el sistema arriba Vthr. Dinámica de relajación fueron sondeado por barrer el relativo retraso de los pulsos de la sonda (figura 6A). Montaje de una parcela de la sonda de corriente en función del retraso relativo (Figura 6B) con un decaimiento exponencial solo permitido ΓHL se extrae. Es importante tener en cuenta que este tipo nunca se observa de un solo ciclo, más bien se infiere ΓHL de la corriente túnel un promedio de tiempo que se compone de muchos eventos. Esto es análogo a la espectroscopia óptica, donde la vida de un estado excitado puede determinarse de mediciones individuales de un conjunto, excepto que en este caso la vida útil de un dopante solo puede ser caracterizada a través de un conjunto de medidas porque se puede ser probado directamente por la punta STM. Es importante tener en cuenta que la punta de prueba actual observado en la Figura 6B no decae a cero, sino más bien un desplazamiento fijo. Esto es porque el pulso bomba excita dinámica (observada como el ruido de telégrafo de milisegundos-escala en figura 3) que no decae en el tiempo de medición. Esto indica que la conductancia de la DB bajo estudio es cerrada por dos dopantes con constantes de tiempo de relajación diferentes. Figura 6 se muestra un experimento de control donde la amplitud de la bomba es variada desde -0.25 V a -0,6 V. Un cambio en la vida del estado ionizado, en función de la amplitud de la bomba, indican que procesos dinámicos adicionales existen cerca en energía Vthr. Porque ΓHL es constante más allá de-2.05 V, se concluye que sólo los Estados de carga de los dos identificados dopantes bloquean la conductancia de la DB.

Excitación dinámica fueron sondeado por barrer el ancho del pulso de la bomba (figura 6). Γ LH fue extraída de un ajuste exponencial de la corriente promedio de tiempo en función de la anchura de la bomba (figura 6E). Cuando el sesgo bombeado no supera el Vthr, no hay ninguna dependencia observada entre la anchura de la bomba y el túnel actual porque los dopantes permanecen neutrales. Cuando el sesgo bombeado excede Vthr, un electrón puede túnel desde el dopant de la punta dejando el dopant ionizado. Por barrer el ancho de la bomba, se asigna el tipo de medio en el cual se ioniza el dopante. Figura 6F investiga la dependencia de ΓLH en función de la amplitud de la bomba. Si un DB es cerrada por un dopante sola, ΓLH espera escalar exponencialmente con la amplitud de la bomba sobre la gama diagonal16. Se espera porque la tarifa de la ionización del dopant depende exponencialmente de la fuerza el campo eléctrico local, que con el sesgo aplicado a la punta. Db1, que es el DB en todas las figuras anteriores, muestra una dependencia exponencial entre -2.1 V y-2.25 V y un paso en-2.05 V. Este paso es evidencia adicional que DB1 es cerrado por dos cercanos dopantes. Se observó una dependencia exponencial para DB2 sobre la gama a -1,3 V a -1,6 V, indicando que solo dopante había cerrada lo. DB2 no exhibió ninguna dinámica más allá de la escala de tiempo de milisegundos y por lo tanto no fue estudiada con las otras técnicas de tiempo resuelto.

Figure 1
Figura 1: esquema del sistema de estudio y su diagrama de energía asociados. (A) la corriente muestreada por la punta STM colocada directamente encima de un silicio que DB predominante se compone de electrones, pasando la mayor parte a la DB y la DB a la punta, con tarifas Γa granel y Γdepunta, respectivamente. Dopantes arsénicas, representados por bolas de verdes, también tienen (ΓHL) de llenado y vaciado de índices (ΓLH) que pueden ser sondeados por medidas de STM de tiempo resuelto. (B) el borde de la banda de conducción en presencia de un dopante ionizado (curva verde) está hacia relativa cuando el dopant es neutro (curva negra), que se traduce en una mayor conductancia. El diagrama de energía se calculó para un sesgo de la muestra de -2,0 V. El área de color azul representa a los Estados llenados. Esta figura se ha tomado con permiso de Rashidi et al. 16 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: las modificaciones requeridas que deben hacerse a un STM comercial tal que con los métodos descritos en este trabajo se puede realizar TR-STM. Un sesgo de offset de DC es aplicado a la muestra, y en espectroscopia de la proyección de imagen y convencional de STM, se funda la punta STM. Cuando se utiliza para mediciones de tiempo resuelto, las señales creadas por un generador de función arbitraria con dos canales independientes están suma y a la punta del STM, que debe estar equipado con cables de alta frecuencia. Dos interruptores de radiofrecuencia se utilizan para controlar los trenes de pulso. El túnel actual se mide en la parte de la muestra. Esta figura se ha tomado con permiso de Rashidi et al. 16 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: el comportamiento espectroscópico de una DB seleccionado con convencional STM. (A) una medida de detección sobre la DB en altura constante. (B) corriente constante STM imágenes del DB más allá (-2.1 V, izquierda), en (-2,0 V, media) y a continuación (-1.8 V, derecha) el voltaje del umbral. Filas del dímero de la reconstrucción de H-Si(100)-(2x1) aparecen como barras paralelas. (C) con la regeneración actual regulador del STM de un rastro de tiempo actual adquirido en la DB en el voltaje de umbral (-2.01 V) muestra dos Estados telégrafo ruido en la escala de tiempo de milisegundos. Esta figura se ha tomado con permiso de Rashidi et. al. 16 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: una correlación cruzada de los impulsos en el cruce del túnel de bomba y sonda de. (A) diagrama esquemático de las secuencias de pulso de correlación cruzada. Un sesgo compensación estática de DC (barra verde) se aplica a la muestra. El relativo retraso entre las pulsaciones de la bomba (barras rojas) y los pulsos de la sonda (barras azules) se barre a través de cero retraso. Cada par de bomba y sonda de pulsos representa un tren de pulsos enviados a la punta. (B) la punta se coloca sobre el H-Si y un tren de pares bomba sonda se entrega a la salida del túnel. El retraso relativo de la sonda se mide desde el borde de salida de la bomba hasta el borde de la sonda y fue barrido de-900 ns a 900 ns. Un offset DC estático de -1,0 V se aplicó a la muestra. Bomba y sonda de amplitudes se establecieron en -0.50 V con 200 anchuras del ns. El tiempo de subida/bajada de los pulsos fue fijado a 25 ns (negro), 10 ns (rojo) y 2.5 ns (azul). La punta de prueba actual se multiplicó por un factor de 20 para tener en cuenta el ciclo de trabajo 5% empleado en la medición, sin embargo, no se intentó corregir el hecho de que las áreas integradas de cada tren de pulso difieren. Recuadro: una visión ampliada de la llamada entre 0 y 900 retardo relativo de ns. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: tiempo-resolved exploración túnel espectroscopia de detección (TR-STS). (A) diagrama esquemático de las secuencias de pulso TR-STS. Un sesgo compensación estática de DC (barra verde) se aplica a la muestra. Pulsos de la bomba (barras rojas) preceden sonda pulsos (barras azules). Cada par de bomba y sonda de pulsos representa un tren de pulsos enviados a la punta. (B) medición de TR-STS con 1 μs ancho bomba y sonda de pulsos. La histéresis entre las curvas sin bomba (triángulos rojos) y con la bomba (círculos azules) superpone a la gama polarización donde el sistema es biestable. El sesgo del C.C. se establece en-1.80 V, el sesgo de la bomba es de -0.50 V y el sesgo de la sonda fue barrido de 500 a 50 mV. Los pulsos han aumentado y disminuido tiempos de 25 ns, el retardo relativo entre el trailing edge de la bomba y el borde de ataque del pulso sonda es de 10 ns y la tasa de reposición es de 25 kHz. Esta figura se ha tomado con permiso de Rashidi et. al. 16 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: mediciones de tiempo resuelto de excitación y relajación dinámica de dopant. (A,D) Esquemas de las secuencias de pulso. Un sesgo compensación estática de DC (barra verde) se aplica a la muestra. Pulsos de la bomba (barras rojas) preceden sonda pulsos (barras azules). Cada par de bomba y sonda de pulsos representa un tren de pulsos enviados a la punta. (B) medición de la ΓHL hecho barrer el relativo retraso de los impulsos de la bomba y sonda. Los pulsos de la bomba y sonda tienen anchuras de 1 μs. Un desplazamiento de DC de-1.80 V se aplica a la muestra; los pulsos de la bomba y sonda tienen amplitudes de -0,4 y -0,21 V, respectivamente. La línea continua es un ajuste de los datos con una función exponencial. (C) mediciones de ΓHL en amplitudes diferentes de la bomba. Barras de error representan el error estándar de las guarniciones exponenciales. (E) medición de ΓLH se hace barriendo la duración de la bomba. Un desplazamiento de DC de-1.80 V se aplica a la muestra y los pulsos de la sonda tienen una amplitud de -0,21 V. Vthr para el DB seleccionado es-2.05 V. La línea continua es un ajuste de los datos con una función exponencial. (F) medidas de ΓLH en amplitudes diferentes de la bomba de dos seleccionaron DBs. DB1 (triángulos rojos) es el DB que se utiliza para todas las otras medidas en el texto. DB2 es un DB seleccionado diferente y se describe completamente en Rashidi et al. 16 líneas sólidas son los ajustes de los datos con una función exponencial. Esta figura se ha tomado con permiso de Rashidi et al. 16 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La variante del TR-STS en el cual no se aplica el pulso de la bomba es comparable a STS convencionales, excepto que el sistema es ser muestreado a una frecuencia alta en lugar de continuamente. Si la duración de los pulsos de la sonda es adecuada (>ΓLH), el TR-STS señal adquirida sin el pulso de la bomba se puede multiplicar por una constante proporcional al ciclo de deber del experimento coinciden exactamente con una STS convencional medición. Esto sólo es posible porque las mediciones se hacen sin el uso de un amplificador lock-in, que lo contrario sería atenuar una porción desconocida de la señal por el filtro de paso bajo utilizado. Esta es una diferencia significativa entre los métodos empleados por Loth et al. 11 y los presentados en este trabajo. El uso de un amplificador lock-in puede utilizarse para mejorar la sensibilidad de las mediciones, pero evita la comparación directa de TR-STS con medidas convencionales de STS. En sistemas donde se requiere esta sensibilidad, se prevé que ambos métodos podrían ser utilizados en concierto, con el amplificador lock-in apagado experimentadores pueden buscar eficientemente para la dinámica y el amplificador lock-in para añade sensibilidad durante la caracterización de la excitación y la relajación dinámica.

El principal inconveniente de estas técnicas es que su resolución temporal está actualmente limitada a varios nanosegundos. Esto es varios órdenes de magnitud más lentas que lo que puede lograrse con técnicas de mezcla de cruce u ópticas. Esto es una consecuencia de la señal de llamada, que se produce cuando se utilizan pulsos de voltaje con tiempos de subida del secundario-nanosegundo, debido el desajuste de impedancia entre el circuito STM y el túnel de salida31. De hecho, métodos totalmente electrónico han alcanzado tiempo resolución tan fino como 120 ps34 pero no se han utilizado para investigar la dinámica en la resolución. Un STM óptimamente diseñado tendría un circuito STM perfectamente impedancia hasta el cruce de túnel, que sería perfectamente no coincide la impedancia. Esto sería eliminar la distorsión y la disipación del impulso de y reflejan la potencia del microondas, en lugar de entregar a través de la Unión. Una posible estrategia para eliminar el sonido resultante sería añadir disipación adicional al circuito STM para que reflejan impulsos cortarán efectivamente.

En este trabajo, se tomó el enfoque más sencillo, es decir, no se llevó a cabo ninguna modificación interna a la STM comercial. Una técnica de correlación cruzada fue utilizada para caracterizar el sonido, que luego fue minimizada simplemente extendiendo los tiempos de subida de los impulsos. Porque el tiempo de subida de los pulsos limita la resolución de tiempo, esta estrategia no puede utilizarse para caracterizar procesos dinámicos que ocurren en escalas de tiempo en los límites de estas técnicas (varios ns). En estas situaciones, de llamada puede ser activamente suprimida mediante el empleo de las técnicas desarrolladas por Grosse et al. 31 , que implican formar los impulsos para tener en cuenta la función de transferencia del generador de funciones arbitrarias y el cruce de túnel.

El enfoque totalmente electrónico TR-STM tiene muchas ventajas sobre otros métodos de TR-STM prominente. En primer lugar, en comparación con la mezcla de salida STM, este enfoque no requiere ninguna estructuras especializada muestra. Las muestras que pueden analizarse con STM convencional deben prestarse a estas técnicas. Además, el enfoque totalmente electrónico no requiere modificaciones significativas para el STM o el uso de la óptica ultrarrápida. De hecho, las modificaciones en los circuitos STM necesarios para realizar estas técnicas son extremadamente modestas, como STM comercial con alta frecuencia de cableado está disponible. Además, la dinámica sondada con el enfoque totalmente electrónico es puramente local, como los pulsos se suministran directamente a la punta STM. Esto contrasta con la SPPX-STM, donde los pulsos del láser incidente sólo pueden ser enfocados a varios micrones cuadrados. Por último, el método totalmente electrónico permite la capacidad para manipular con precisión los sesgos de la bomba y sonda, lo que permite una comparación directa a las medidas estándar de STM. Esto es fundamental para varias de las técnicas descritas en este documento, y si bien es posible implementar similares secuencias de pulso en métodos ópticos para TR-STM, es experimentalmente difícil.

Las técnicas experimentales presentadas medida carga dinámica atómica resolución espacial y resolución temporal de nanosegundos. Hay una gran cantidad de nueva física a estudiar este enfoque muy accesible. Por ejemplo, la dinámica de los átomos individuales es fascinantes e importantes tecnológicamente. Solo átomo dinámica anteriormente fueron estudiado dentro de las limitaciones de STM convencional, pero esta técnica abre la puerta para investigar similares procesos adicionales en seis órdenes de magnitud (de milisegundos a nanosegundos). En particular, esto llena el vacío de los eventos lento típicamente observados en STM, a los procesos fundamentales que fundamentan.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

Acknowledgments

Nos gustaría agradecer a Martin Cloutier y Mark Salomons por sus conocimientos técnicos. También agradecemos a NRC, NSERC y AITF para apoyo financiero.

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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