جميع الإلكترونية حل النانوسيكند المسح نفق مجهرية: تسهيل التحقيق في ديناميات تهمة يستعمل واحدة
Summary
علينا أن نظهر أسلوب جميع إلكترونية لمراقبة ديناميات تهمة النانوسيكند وتصميما من ذرات يستعمل السيليكون مع مجهر مسح نفقي.
Abstract
تصغير أجهزة أشباه الموصلات لجداول حيث يمكن إعداد صغيرة من دوبانتس التحكم في خصائص الجهاز يتطلب تطوير تقنيات جديدة قادرة على وصف ديناميتها. التحقيق في دوبانتس واحد يتطلب القرار المكانية نانومتر الفرعية، مما يحفز استخدام الفحص المجهري نفق (الموحدة). تحقيق الاستقرار والانتساب التقليدية غير محدودة للأزمنة ميلي ثانية. وقد وضعت عدة طرق للتغلب على هذا القصور، بما في ذلك جميع الإلكترونية الموحدة حل الوقت، الذي يستخدم في هذه الدراسة إلى دراسة ديناميات يستعمل السيليكون مع القرار النانوسيكند. الأساليب المقدمة هنا متاحة على نطاق واسع، وتسمح بقياس المحلية من مجموعة متنوعة واسعة من القوى المحركة في المقياس الذري. رواية الزمن–حل المسح النفقي تقنية التحليل الطيفي المقدمة واستخدامها بكفاءة البحث عن ديناميات.
Introduction
المسح النفقي مجهرية (STM) أصبح أداة رئيس الوزراء في الحفز لقدرته على حل المقياس الذري التضاريس وبنية إلكترونية. واحد الحد من تحقيق الاستقرار والانتساب التقليدية، غير أن قرارها الزماني مقيد إلى مقياس ميلي ثانية واحدة بسبب محدودية عرض النطاق الترددي المضخم الحالي1. منذ أمد بعيد هدف تمديد القرار الزماني لتحقيق الاستقرار والانتساب إلى المقاييس التي تحدث بها عمليات الذري عادة. رائدة العمل الوقت–حل الفحص المجهري نفق (TR-تحقيق الاستقرار والانتساب) قبل فريمان et al. 1 تستخدم رموز التبديل المكبسلة وخطوط نقل الشريط منقوشة على العينة إرسال نبضات الجهد بيكوسيكوند إلى مفترق نفق. قد استخدمت هذا الأسلوب خلط مفرق لتحقيق قرارات متزامنة من 1 نانومتر و 20 ps2، ولكن قد ابدأ اعتمدت على نطاق واسع نظراً لاشتراط استخدام الهياكل المتخصصة عينة. لحسن الحظ، يمكن أن يعمم البصيرة الأساسية المكتسبة من هذه الأشغال إلى العديد من تقنيات حل الوقت؛ على الرغم من عرض النطاق الترددي للدوائر تحقيق الاستقرار والانتساب ليقتصر على عدة كيلوهرتز، تسمح الاستجابة I(V) غير الخطية في تحقيق الاستقرار والانتساب ديناميات أسرع يكون سبر بقياس متوسط النفق الحالي تم الحصول عليها عبر العديد من دورات المضخة-التحقيق. في السنوات الفاصلة، تم استكشاف العديد من النهج، واستعرض الأكثر شعبية التي هي بإيجاز أدناه.
هزت-نبض-زوج-متحمس الموحدة (سبكس) يستفيد من التطورات في تكنولوجيات الليزر النبضي فائق السرعة لتحقيق القرار picosecond الفرعية بإضاءة مباشرة تقاطع نفق ومثيرة الناقلين في عينة3. ضوء الليزر حادث يخلق ناقلات الحرة التي تعزز عابر التوصيل، والتحوير للتأخير بين المضخة والتحقيق (تيد) يسمح دأنا/dتيد تقاس بقفل في مكبر الصوت. لأن التأخير بين المضخة والتحقيق وهو التضمين بدلاً من كثافة الليزر، كما هو الحال في العديد من النهج البصرية الأخرى، يتجنب سبكس-تحقيق الاستقرار والانتساب صور المستحثة بالإضاءة التمدد الحراري ل تلميح3. ملحقات أكثر حداثة لهذا النهج قد مددت الجداول الزمنية التي يمكن استخدام سبكس-تحقيق الاستقرار والانتساب للتحقيق ديناميكية باستخدام تقنيات النبض-الانتقاء لزيادة نطاق التحقيق مضخة التأخير مرات4. الأهم من ذلك، يوفر هذا التطور الأخير أيضا القدرة على قياس منحنيات أنا(تيد) مباشرة وليس عن طريق التكامل العددي. وشملت التطبيقات الحديثة لتحقيق الاستقرار والانتساب-سبكس دراسة جزئ الناقل في واحد-(مينيسوتا، Fe)/GaAs(110) هياكل ديناميات GaAs65 والجهات المانحة. التطبيقات لتحقيق الاستقرار والانتساب-سبكس تواجه بعض القيود. إشارة تدابير تحقيق الاستقرار والانتساب-سبكس يعتمد على ناقلات الحرة متحمس بالنبضات الضوئية وهو الأنسب لأشباه الموصلات. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن الإنفاق الحالي مترجمة إلى الحافة، نظراً لأن منطقة كبيرة هو متحمس بالنبضات الضوئية، هو الإشارة الالتواء من الخصائص المحلية ونقل المواد. أخيرا، تم إصلاح التحيز عند التقاطع في مقياس القياس حيث أن ديناميات قيد الدراسة يجب أن تكون فوتويندوسيد.
تقنية بصرية أكثر حداثة، تيراهيرتز تحقيق الاستقرار والانتساب (تهز-الموحدة)، الأزواج البقول تهز الفضاء الحر وركزت على مفترق الطرق إلى تحقيق الاستقرار والانتساب. خلافا في سبكس-تحقيق الاستقرار والانتساب، تتصرف البقول يزوج كنبضات الجهد بسرعة مما يسمح لتحقيق الجسيمات إلكترونيا مدفوعة ب قرار picosecond الفرعية7. من المثير للاهتمام، الحالي تصحح ولدت من البقول تهز النتائج في الذروة القصوى الحالية الكثافة لا يمكن الوصول إليها بتحقيق الاستقرار والانتساب التقليدية8،9. وقد استخدمت التقنية مؤخرا دراسة الإلكترونات الساخنة في Si(111)-(7×7)9 والصورة اهتزاز جزيء واحد بينتاسيني10. البقول تهز زوجين بطبيعة الحال إلى الحافة، بيد ضرورة إدماج مصدر تهز لتجربة تحقيق الاستقرار والانتساب المحتمل أن يكون تحديا للعديد من المجربون. وهذا يحفز تطوير تقنيات أخرى للتطبيق على نطاق واسع وقابلة للتطبيق بسهولة.
في عام 2010، لوث et al. 11 تطوير أسلوب جميع إلكترونية حيث ضخ النانوسيكند نبضات الجهد المطبق على رأس إزاحة DC إلكترونيا والتحقيق أن النظام11. الأخذ بهذا الأسلوب عرضت مظاهرة حرجة تطبيقات واضحة وعملية لحل وقت تحقيق الاستقرار والانتساب لقياس الفيزياء مخفي مسبقاً. على الرغم من أنها ليست أسرع مفرق خلط تحقيق الاستقرار والانتساب، التي سبقته، تطبيق نبضات الموجات الدقيقة لنصيحة STM تصاريح عينات عشوائية التحقيق. هذا الأسلوب لا يتطلب أي منهجيات بصرية معقدة أو الضوئية الوصول إلى مفترق طرق تحقيق الاستقرار والانتساب. وهذا يجعل من أسلوب أسهل للتكيف مع انخفاض درجة الحرارة STMs. وطبقت الدراسة تدور-الديناميات التي استخدمت فيها STM تدور الاستقطاب لقياس ديناميات الاسترخاء تدور-الدول متحمس ب نبضات المضخة11المظاهرة الأولى من هذه التقنيات. حتى وقت قريب، تطبيقها، ظلت محدودة للمغناطيسية أداتوم نظم12،،من1314 ولكن لديه منذ تم تمديد الدراسة معدل الالتقاط الناقل من فجوة منتصف منفصلة الدولة15 وتهمة ديناميات من الزرنيخ واحد دوبانتس في15،السليكون16. الدراسة الأخيرة هو أن التركيز في هذا العمل.
دراسات عن خصائص دوبانتس واحد في أشباه الموصلات مؤخرا قد اجتذبت اهتماما كبيرا لأكسيد معدني متمم (CMOS) الأجهزة الآن بإدخال النظام حيث دوبانتس واحد يمكن أن تؤثر على خصائص الجهاز17 . وبالإضافة إلى ذلك، أثبتت دراسات عديدة أن دوبانتس واحد يمكن أن تخدم كمكون أساسي للأجهزة المستقبلية، على سبيل المثال المكدسة ل حساب الكم18 والكم الذاكرة19، ذرة واحدة ترانزستور20 , 15-أجهزة المستقبل قد تتضمن أيضا غيرها من العيوب الحجم الذري، مثل السيليكون التعلق بوند (DB) التي يمكن تكييفها مع الدقة الذرية مع تحقيق الاستقرار والانتساب الطباعة الحجرية21. وتحقيقا لهذه الغاية، قد اقترحت كتهمة المكدسة22، نقاط الكم الكم الآلات الخلوية أبنية23،24، و25،أسلاك الذري26 DBs وقد تم نقش لإنشاء بوابات الكم منطق هاملتون27 و28،الجزيئات الاصطناعية29. التحرك إلى الأمام، قد تتضمن أجهزة دوبانتس واحدة و DBs. وهذا استراتيجية جذابة سبب DBs العيوب السطحية التي يمكن بسهولة وتتميز بتحقيق الاستقرار والانتساب ويستخدم كمؤشر لتوصيف الأجهزة يستعمل واحدة. كمثال على هذه الاستراتيجية، تستخدم DBs في هذا العمل كأجهزة استشعار المسؤول للاستدلال ديناميات مشحون دوبانتس القريبة من السطح. هذه الديناميات التي تم التقاطها باستخدام نهج كل الإلكترونية TR-تحقيق الاستقرار والانتساب التي مقتبسة من التقنيات التي طورتها لوث et al. 11
وتجري القياسات على DBs المحدد على سطح Si(100)-(2×1) هيدروجين إنهاؤها. يستعمل استنفاد منطقة تمتد حوالي 60 نيوتن متر تحت سطح الأرض، التي تم إنشاؤها عن طريق المعالجة الحرارية ل الكريستال30، decouples الديسيبل ودوبانتس القريبة من السطح المتبقية القليلة من العصابات الأكبر. وقد وجدت الدراسات الموحدة من DBs أن بهم الموصلية يعتمد على معلمات عينة عالمية، مثل تركيز دوبانتس ودرجة الحرارة، ولكن DBs الفردية كما تظهر اختلافات قوية اعتماداً على البيئة المحلية16. خلال مقياس تحقيق الاستقرار والانتساب على ديسيبل واحد، يخضع تدفق التيار المعدل الذي يمكن نفق الإلكترونات من الجزء الأكبر إلى DB (الجزء الأكبرمنΓ) ومن DB إلى نصيحة (نصيحةمنΓ) (الشكل 1). بيد لتوصيل الديسيبل حساس لبيئتها المحلية، يؤثر حالة تهمة دوبانتس القريبة Γالأكبر (الشكل 1B)، الذي يمكن أن يستدل برصد الموصلية DB. نتيجة لذلك الموصلية من الديسيبل يمكن استخدامها لشعور دول تهمة دوبانتس القريبة، ويمكن استخدامها لتحديد المعدلات التي يتم دوبانتس تزويد الإلكترونات من الجزء الأكبر (ΓLH) وتفقد لهم على طرف تحقيق الاستقرار والانتساب (ΓHL ). لحل هذه الديناميات، يتم تنفيذ TR-STS حول عتبة الفولتية (Vthr) الذي يدفع نصيحة تاين دوبانتس القريبة من السطح. دور نبضات المضخة والتحقيق هو نفسه في وقت حل تجريبي التقنيات الثلاثة المعروضة هنا. المضخة عابر يجلب مستوى التحيز من أدناه أعلاه الخامسthr، الذي يدفع التأين يستعمل. وهذا يزيد من الموصلية الديسيبل، الذي هو أخذ عينات من نبض المسبار الذي يتبع في وجود تحيز أقل.
التقنيات الموضحة في هذه الورقة سوف يستفيد أولئك الذين يرغبون في توصيف الديناميات التي تحدث في ميلي ثانية إلى مقياس الوقت النانوسيكند مع تحقيق الاستقرار والانتساب. في حين أن هذه التقنيات لا تقتصر على دراسة ديناميات التهمة، من الأهمية بمكان أن الديناميات تتجلى عبر تغيرات عابرة في الموصلية الدول التي يمكن سبر بتحقيق الاستقرار والانتساب (أي الدول أو بالقرب من السطح). إذا الموصلية عابرة الدول لا تختلف كثيرا عن حالة التوازن، حيث أن الفرق بين تيارات عابرة والتوازن مضروبة في دورة واجب نبض المسبار أصغر من الكلمة الضجيج نظم (عادة السلطة الفلسطينية 1)، الإشارة سوف تضيع في الضوضاء، وسوف لا يمكن كشفها بواسطة هذا الأسلوب. نظراً للتعديلات التجريبية المتاحة تجارياً النظم الموحدة المطلوبة لتنفيذ التقنيات الموضحة في هذه الورقة المتواضعة، فمن المتوقع وسوف تكون هذه التقنيات متاحة على نطاق واسع المجتمع.
Protocol
Representative Results
Discussion
البديل من TR-STS التي لا يتم تطبيق نبضة المضخة يماثل STS التقليدية، إلا أن هذا النظام هو يتم أخذ عينات بتردد عالية بدلاً من باستمرار. إذا كانت مدد البقول التحقيق المناسبة (>ΓLH)، TR-STS إشارة المكتسبة دون نبض مضخة يمكن أن يكون مضروباً ثابت يتناسب مع دورة العمل هذه التجربة تتطابق تماما مع S…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نشكر مارتن كلوتير ومارك سلومونس لخبرتهم التقنية. كما نشكر مجلس اللاجئين النرويجي، والأموال، وأيتف على الدعم المالي.
Materials
| 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 |
References
- Nunes, G., Freeman, M. R. . Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), 1029-1032 (1993).
- Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution. Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).
- Takeuchi, O., Morita, R., Yamashita, M., Shigekawa, H. Development of time-resolved scanning tunneling microscopy in femtosecond range. Jpn. J. Appl. Phys. 41 (7 B), 4994-4997 (2002).
- Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy. Nat. Photon. 4 (12), 869-874 (2010).
- Yoshida, S., Yokota, M., Takeuchi, O., Oigawa, H., Mera, Y., Shigekawa, H. Single-atomic-level probe of transient carrier dynamics by laser-combined scanning tunneling microscopy. Appl. Phys. Express. 6 (3), (2013).
- Kloth, P., Wenderoth, M. From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics. Science Ad. 3, (2017).
- Cocker, T. L., et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).
- Yoshioka, K., et al. Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz electric fields. Nat. Photon. 10 (12), 762-765 (2016).
- Jelic, V., et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).
- Cocker, T. L., Peller, D., Yu, P., Repp, J., Huber, R. Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging. Nature. 539 (7628), 263-267 (2016).
- Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution. Science. 329 (5999), 1628-1630 (2010).
- Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science. 335 (6065), (2012).
- Baumann, S., Paul, W., Choi, T., Lutz, C. P., Ardavan, A., Heinrich, A. J. Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface. Science. 350 (6259), 417-420 (2015).
- Yan, S., Choi, D. -. J., Burgess, J. A. J., Rolf-Pissarczyk, S., Loth, S. Control of quantum magnets by atomic exchange bias. Nat. Nano. 10 (1), 40-45 (2014).
- Rashidi, M., et al. Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale. Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805 (2016).
- Rashidi, M., et al. Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon. Nat. Comm. 7, 13258 (2016).
- Koenraad, P. M., Flatté, M. E. Single dopants in semiconductors. Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).
- Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).
- Freer, S., et al. A single-atom quantum memory in silicon. Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).
- Fuechsle, M., et al. A single-atom transistor. Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).
- Lyding, J. W., Shen, T. -. c., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2×1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope. Appl. Phys. Lett. 64 (118), 2010-2012 (1994).
- Livadaru, L., et al. Dangling-bond charge qubit on a silicon surface. New J. Phys. 12 (8), 83018 (2010).
- Haider, M. B., Pitters, J. L., DiLabio, G. A., Livadaru, L., Mutus, J. Y., Wolkow, R. A. Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature. Phys. Rev. Lett. 102 (4), 46805 (2009).
- Taucer, M., et al. Single-Electron Dynamics of an Atomic Silicon Quantum Dot on the H – Si (100)-(2×1) Surface. Phys. Rev. Lett. 112 (25), 256801 (2014).
- Engelund, M., Papior, N., Brandimarte, P., Frederiksen, T., Garcia-Lekue, A., Sánchez-Portal, D. Search for a Metallic Dangling-Bond Wire on n -Doped H-Passivated Semiconductor Surfaces. J. Phys. Chem. C. 120 (36), 20303-20309 (2016).
- Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires. Nano Lett. 17, 322-327 (2017).
- Kolmer, M., Zuzak, R., Dridi, G., Godlewski, S., Joachim, C., Szymonski, M. Realization of a quantum Hamiltonian Boolean logic gate on the Si(001):H surface. Nanoscale. 7, 12325-12330 (2015).
- Schofield, S. R., et al. Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds. Nat. Comm. 4, 1649 (2013).
- Wood, J. A., Rashidi, M., Koleini, M., Pitters, J. L., Wolkow, R. A. Multiple Silicon Atom Artificial Molecules. https://arxiv.org/abs/1607.06050. , (2016).
- Pitters, J. L., Piva, P. G., Wolkow, R. A. Dopant depletion in the near surface region of thermally prepared silicon (100) in UHV. J. Vac. Sci. Technol. 30 (2), 21806 (2012).
- Grosse, C., Etzkorn, M., Kuhnke, K., Loth, S., Kern, K. Quantitative mapping of fast voltage pulses in tunnel junctions by plasmonic luminescence. Appl. Phys. Lett. 103 (18), (2013).
- Boland, J. J. Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces. Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).
- Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen. J. Chem. Phys. 124, 204716 (2006).
- Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution. Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).
