JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingénierie

ВС электронные решена НС сканирующий туннельный микроскопии: Содействие исследования динамики одного легирующего заряда

Published: January 19, 2018
doi:
10.3791/56861
, , , , , , ,
1Department of Physics,University of Alberta, 2National Institute for Nanotechnology,National Research Council of Canada, Edmonton, 3Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, 4Max Planck Institute for Solid State Research, 5Department of Physics and Astronomy,University of Manitoba, 6Joint Attosecond Science Laboratory,University of Ottawa

Summary

Мы показываем все электронного метода с сканирующий туннельный микроскоп наблюдать динамику решена НС заряда примеси атомов кремния.

Abstract

Миниатюризация полупроводниковых приборов шкалы, где небольшое количество активаторов можно управлять свойствами устройства требует разработки новых методов, способных характеризующие их динамику. Расследование одного активаторов требует суб нанометра пространственным разрешением, которая стимулирует использование сканирующей микроскопии туннелирования (СТМ). Однако обычные STM ограничивается миллисекунды временного разрешения. Были разработаны несколько методов для преодоления этого недостатка, включая все электронные время решена STM, который используется в данном исследовании для изучения динамики примеси в кремнии с резолюцией НС. Представленные здесь методы широко доступны и позволяют местные измерения широкий спектр динамики атомного масштаба. Роман времени решена сканирование технология туннелирования спектроскопии представлена и используется для эффективного поиска динамики.

Introduction

Сканирование, туннелирование микроскопии (СТМ) стал премьер инструментом в нанотехнологий для его способности решать атомного масштаба топографии и электронной структуры. Одно ограничение обычных STM, однако, является его временное разрешение ограничивается миллисекунды сроки из-за ограниченной пропускной способности текущего предусилитель1. Он уже давно цель расширить STM в временное разрешение на весы, на которых часто происходят атомные процессы. Пионерские работы в раз решается сканирующей микроскопии туннелирования (TR-STM) Фримен et. al. 1 использовать светопроводящих переключатели и микрополосковые линии электропередачи узором на образце для передачи пикосекундных импульсов напряжения до перекрестка туннеля. Эта Джанкшн смешивание техника использовалась для достижения одновременного резолюций 1 Нм и 20 ps2, но он никогда не был широко принят из-за требования об использовании специализированных образец структуры. К счастью основные опыт из этих работ может быть обобщена на много времени решены методов; даже несмотря на то, что пропускная способность STM схемы ограничивается несколько килогерц, нелинейных ответ I(V) в STM позволяет быстрее динамика быть исследован путем измерения среднего туннеля текущего получено над много циклов насоса зонд. В последующие годы были изучены многие подходы, наиболее популярными из которых кратко рассматриваются ниже.

Потрясенный пульс пара возбужденных STM (SPPX) использует достижений в сверхбыстрого импульсных лазерных технологий для достижения резолюции Подкомиссии пикосекундной непосредственно светящиеся перекрестка туннеля и захватывающие перевозчиков в в образца3. Инцидент лазерный свет создает свободных носителей, которые временно повысить теплопроводности, и модуляции задержки между насосом и зонд (td) позволяет d,я/dtd измеряется с усилителем блокировки. Потому что задержка между насосом и зонд модулируется вместо интенсивности лазера, как и многие другие оптические подходы, SPPX-STM избегает фото освещение индуцированной теплового расширения отзыв3. Более поздние расширения этого подхода продлили сроки, над которой SPPX-STM может использоваться для изучения динамики, используя пульс рудоразборка методы для увеличения диапазона насоса зонд задержки раза4. Важно отметить, что это недавнее развитие также обеспечивает возможность измерения, я(td) кривых непосредственно, а не посредством численного интегрирования. Последние приложения SPPX-СТМ включают исследование несущей рекомбинации в одно-(Mn, Fe)/GaAs(110) структуры5 и доноров динамика в GaAs6. Применение SPPX-STM сталкиваются некоторые ограничения. Сигнал, который SPPX-STM мер зависит от свободных носителей возбуждается оптических импульсов и лучше всего подходит для полупроводников. Кроме того хотя туннелирование текущего локализован к кончику, потому что большой площади возбужденные оптических импульсов, сигнал является свертки свойств локальной и перевозки материалов. Наконец уклон на стыке фиксируется на шкалу измерений так, что динамика исследуемых должны быть фотоиндуцированной.

Более поздние оптической техники, терагерцевого STM (ТГц-STM), пары свободного пространства ТГц импульсов сосредоточена на стыке до кончика STM. В отличие от в SPPX-STM, спаренных импульсов ведут себя как импульсов напряжения быстро, позволяя для расследования электронно управляемые возбуждений с суб пикосекундной резолюции7. Интересно, что выпрямленный ток порожденных от импульсов ТГц результаты в экстремальных пик плотностях тока не доступны обычные STM8,9. Техника недавно использовался для изучения горячих электронов в Si(111)-(7×7)9 и изображения вибрации молекул одного Пентацен10. ТГц импульсы естественно пара на кончике, однако, необходимость интеграции ТГц источник STM эксперимент может быть сложным для многих экспериментаторов. Это мотивирует развитие других широко применяемых и легко осуществимых методов.

В 2010 году лот и др. 11 разработал все электронная техника, где наносекундных импульсов напряжения применяется поверх DC смещение электронным насоса и датчика системы11. Введение этой техники предложил критический демонстрация недвусмысленные и практических приложений времени решены STM для измерения ранее ненаблюдаемых физики. Хотя это не так быстро, как перекрестка смешивания STM, которые ей предшествовали, применяя микроволновые импульсы к кончику STM позволяет произвольным образцы должны расследоваться. Этот метод не требует каких-либо сложных оптических методологий или оптический доступ к перекрестка STM. Это делает простой метод адаптироваться к низкой температуре STM. Первая демонстрация этих методов был применен к изучению динамики спин-где вращательно поляризованный STM был использован для измерения динамики релаксации спина-государств возбуждается импульсами насоса11. До недавнего времени, его применение, остался только для магнитных adatom систем12,13,14 , но имеет с расширен к изучению скоростью захвата перевозчика от дискретных середины разрыва государства15 и заряд динамика из одного мышьяка активаторов в Силиконовой15,16. Последние исследования находится в центре внимания этой работы.

Исследования свойств одного активаторов в полупроводниках недавно привлекли большое внимание, потому что комплементарный металло-оксидный полупроводник (CMOS) устройства теперь вступаем режима где один активаторов может повлиять на свойства устройства17 . Кроме того несколько исследований показали, что один активаторов могут служить как основных компонентов будущих устройств, например кубитов для квантовых вычислений18 и квантовой памяти19, а также один атом транзисторов20 , 15. будущее устройства может также включать другие атомного масштаба дефектов, таких как кремний, оборванных Бонд (DB), который может быть рисунком с атомной точностью с STM литографии21. С этой целью были предложены как заряд кубитов22, квантовых точек для квантовой клеточных автоматов архитектуры23,24и атомной провода25,26 DBs и был рисунком для создания Квантовая логика Гамильтониан ворота,27 и28,искусственные молекулы29. Продвигаясь вперед, устройства могут включать одного активаторов и DBs. Это привлекательный стратегия, потому что DBs дефекты поверхности, которые легко могут быть охарактеризованы с STM и используется как ручка для характеристики одного легирующего устройств. В качестве примера этой стратегии DBs используются в этой работе как заряда датчики для выведения зарядки динамика активаторов вблизи поверхности. Эти динамики регистрируются с использованием ВС электронные подход к TR-STM, который заимствован из методики, разработанные Loth et al. 11

Измерения выполняются на выбранных DBs на поверхности Si(100)-(2×1) водорода прекращено. Примеси обедненной области расширения примерно 60 Нм ниже поверхности, созданные с помощью термической обработки кристалл30, отделяет DB и немногих оставшихся вблизи поверхности активаторов от основной полосы. STM исследования DBs показали, что их проводимости зависит от глобальной выборки параметров, как концентрация активаторов и температуры, но отдельные DBs также показывают сильные вариации в зависимости от их местных условий16. Во время измерения STM над одной БД, текущий поток регулируется скорость, на которой электроны может проложить туннель от основную БД (МассоваяΓ) и DB на кончике (наконечникΓ) (рис. 1). Однако потому что проводимости DB чувствителен к местной окружающей среды, состояние заряда рядом активаторов влияет Γсыпучих (рис. 1B), который может быть выведен путем мониторинга DB проводимости. В результате, проводимость БД может использоваться для смысл государства заряда рядом активаторов и может использоваться для определения ставки, на которых являются активаторов поставляется электроны из массовых (LHΓ) и потерять их до кончика STM (ΓHL ). Чтобы устранить эти динамики, TR-STS выполняется вокруг порог напряжения (ЧетV), на которых кончик индуцирует ионизации активаторов вблизи поверхности. Роль насоса и датчика импульсов является то же самое в трех время решена экспериментальные методы, представленные здесь. Насос временно приносит уровень смещения снизу выше Vthr, который индуцирует примеси ионизации. Это повышает проводимость дБ, что пробы от датчика пульса, который следует на нижней уклоном.

Методы, описанные в настоящем документе выиграют желающих характеризовать динамику происходящих на миллисекунду для наносекундных шкалы с STM. Хотя эти методы не ограничены для изучения динамики заряда, важно, что динамики проявляются через временные изменения в проводимости государств, которые могут быть исследован STM (т.е. государства, на территории или вблизи поверхности). Если проводимость переходных состояний существенно не отличается от состояния равновесия, таким образом, что разница между равновесие и переходных токов умножается Скважность импульсов зонд меньше, чем слово шум систем (обычно 1 ПА), сигнал будет потеряно в шум и не будет обнаружить по этой методике. Потому что экспериментальные изменения коммерчески доступных STM систем, необходимых для выполнения методов, описанных в данном документе являются скромными, предполагается, что эти методы будут широко доступными для сообщества.

Protocol

1. Начальная настройка микроскоп и экспериментов Начните с ультравысокой вакуумные криогенных поддержкой STM и связанного с ней программного обеспечения управления. Прохладный STM для криогенных температур.Примечание: В настоящем докладе, сверхвысокого вакуума относится к систе…

Representative Results

Результаты, представленные в этом разделе текста были ранее опубликованных15,16. Рисунок 3 иллюстрирует поведение примера выбран дБ с обычными STM. Обычные измерения I(V) (рис. 3A) явно изображает резкого измене…

Discussion

Вариант TR-STS, в которых не применяется насос пульс сопоставимо с обычными STS, за исключением того, что система является производится выборка на высоких частотах, а не непрерывно. Если длительность зондирующих импульсов подходят (>ΓLH), TR-STS сигнал, приобретенных без импульса насо…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы хотели бы поблагодарить Мартина Клутье и Марк Саломонс за их технического опыта. Мы также благодарим СРН, Сенти и AITF за финансовую поддержку.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nunes, G., Freeman, M. R. . Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), 1029-1032 (1993).
  2. Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution. Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Kloth, P., Wenderoth, M. From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics. Science Ad. 3, (2017).
  7. Cocker, T. L., et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).
  8. 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).
  9. Jelic, V., et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science. 335 (6065), (2012).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Rashidi, M., et al. Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale. Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805 (2016).
  16. Rashidi, M., et al. Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon. Nat. Comm. 7, 13258 (2016).
  17. Koenraad, P. M., Flatté, M. E. Single dopants in semiconductors. Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).
  18. Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).
  19. Freer, S., et al. A single-atom quantum memory in silicon. Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).
  20. Fuechsle, M., et al. A single-atom transistor. Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).
  21. 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).
  22. Livadaru, L., et al. Dangling-bond charge qubit on a silicon surface. New J. Phys. 12 (8), 83018 (2010).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires. Nano Lett. 17, 322-327 (2017).
  27. 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).
  28. Schofield, S. R., et al. Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds. Nat. Comm. 4, 1649 (2013).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Boland, J. J. Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces. Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).
  33. Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen. J. Chem. Phys. 124, 204716 (2006).
  34. Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution. Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).

Tags

Nanosecond-resolved Scanning Tunneling MicroscopySingle Dopant Charge DynamicsTime-resolved Scanning Tunneling MicroscopySemiconductor DopantsTunneling CurrentUltra-high VacuumCryogenic TemperaturesArbitrary Function GeneratorRadio Frequency SwitchesSilicon WaferSample PreparationTungsten Filament

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Rashidi, M., Vine, W., Burgess, J. A., 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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image