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Ingénierie

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

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

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.

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)-(7×7)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)-(2×1) 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 ). 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.

Protocol

1. inicial configuración del microscopio y de experimentos 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 p…

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 e…

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 …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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
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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).

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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).
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