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

Tüm elektronik Nanosecond çözüldü tarama tünelleme mikroskobu: tek Dopant şarj Dynamics incelenmesi kolaylaştırılması

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

Silikon dopant atomlar nano saniye çözüldü şarj dinamikleri ile tarama tünel mikroskop gözlemlemek için tüm elektronik yöntemi göstermektedir.

Abstract

Minyatür nerede dopants az sayıda aygıt özellikleri kontrol edebilirsiniz ölçekler için yarı iletken cihazların yeni teknikler onların dynamics karakterize yetenekli gelişimi gerektirir. Tek dopants araştıran tünelleme mikroskobu (STM) tarama kullanım motive alt nanometre Uzaysal çözünürlük gerektirir. Ancak, geleneksel STM milisaniyelik zamansal çözünürlük için sınırlıdır. Tüm elektronik zaman çözüldü STM bu çalışmada silikon nanosaniye çözünürlük ile dopant dinamiklerini incelemek için kullanılan da dahil olmak üzere bu eksiklik üstesinden gelmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Burada sunulan yöntemleri yaygın olarak erişilebilir ve atomik ölçekte dinamikleri çok çeşitli yerel ölçme izin. Bir roman saat-tünel spektroskopi tekniği tarama sundu ve verimli dynamics için arama için kullanılan çözüldü.

Introduction

Mikroskobu (STM) tünel tarama Nanobilim atomik ölçekli topografya ve elektronik yapısı çözme yeteneğini için önde gelen aracı haline gelmiştir. Bir geleneksel STM, ancak, onun zamansal çözünürlük geçerli Pre amplifikatör1sınırlı bant genişliği nedeniyle milisaniyelik zaman ölçeği için sınırlıdır kısıtlamasıdır. Uzun STM’ın zamansal çözünürlük üzerinde yaygın olarak atomik işlemler gerçekleştiği ölçekler için genişletmek için bir hedef olmuştur. Öncü çalışmak zaman-tünelleme mikroskobu (TR-STM) tarama Freeman et. al. tarafından çözüldü 1 photoconductive anahtarları ve Pikosaniye gerilim darbeleri tünel birleşim için iletimi için örnek üzerinde desenli mikroserit iletim hatları kullanılmaktadır. Bu kavşak karıştırma teknik 1 nm ve 20 ps2eşzamanlı çözünürlük elde etmek için kullanılan, ama bu asla yaygın olarak özel örnek yapıları kullanma zorunluluğu nedeniyle benimsenmiştir. Neyse ki, bu eserlerden elde temel fikir birçok kez çözüldü teknikleri için Genelleştirilmiş; bant genişliği STM’ın devresi için birkaç kilohertz sınırlı olsa bile, doğrusal olmayan I(V) yanıt olarak STM birçok pompa-sonda döngüleri elde edilen ortalama tünel geçerli ölçerek probed daha hızlı dynamics sağlar. Aradan geçen yıllarda, pek çok yaklaşım incelemiş bulunuyoruz, en popüler olan kısaca aşağıda incelenir.

(SPPX) STM sarsıldı-darbe-çift-heyecanlı gelişmeler ultrafast Lazer Teknolojileri doğrudan tünel birleşim aydınlatıcı ve taşıyıcıları örnek3heyecan verici alt Pikosaniye çözünürlük elde yararlanır. Olay lazer ışık geçici iletim geliştirmek ücretsiz taşıyıcıları oluşturur ve bir kilit-in amplifikatör ile ölçülecekbend i/dtd modülasyon pompa ve prob (td) arasındaki gecikme sağlar. Pompa ve yoklama arasındaki gecikme olduğu gibi pek çok diğer optik yaklaşım, lazer’ın şiddeti yerine modüle çünkü SPPX-STM fotoğraf aydınlatma kaynaklı termal genleşme ipucu3önler. Bu yaklaşımın daha yeni uzantıları üzerinde SPPX-STM dynamics pompa-sonda gecikme kere4aralığı artırmak için nabız-malzeme çekme teknikleri kullanarak araştırmak için kullanılabilir zaman çizelgelerine genişletmiştir. Önemlisi, bu son gelişme de ben(td) eğriler yerine doğrudan sayısal entegrasyon ile ölçmek için yeteneği sağlar. SPPX-STM son uygulamaları taşıyıcı rekombinasyon çalışma dahil tek-(Mn, Fe)/GaAs(110) yapıları GaAs6‘5 ve donör dinamiği. SPPX-STM uygulamaları bazı kısıtlamalar yüz. SPPX-STM ölçen sinyal ücretsiz taşıyıcıları tarafından optik darbeler heyecanlı bağlıdır ve yarı iletkenler için uygundur. Çünkü büyük bir alan optik darbeler tarafından heyecan geçerli tünel için belgili tanımlık uç, lokalize, Ayrıca, sinyal bir evrişim yerel özellikleri ve malzeme taşıma olsa da. Son olarak, dynamics altında eğitim photoinduced olması gerekir böylece önyargı kavşağında Ölçüm ölçeği sabittir.

Daha yeni bir optik teknik, terahertz (THz-STM), STM boş alan THz bakliyat STM ucu kavşak üzerinde duruldu çiftler. Aksine SPPX-STM eşleşmiş bakliyat alt Pikosaniye çözünürlük7ile elektronik olarak tahrik uyarilmalar incelenmesi için izin hızlı gerilim darbeleri gibi davranan. İlginçtir, doğrultucu geçerli THz bakliyat sonuçları aşırı tepe akım yoğunluğu değil erişilebilir geleneksel STM8,9tarafından oluşturulan. Bu teknik son zamanlarda sıcak elektron Si(111)-(7×7)9 çalışma ve bir tek pentacene molekül10titreşim resim kullanılmıştır. THz-bakliyat doğal olarak ucuna kadar çift, ancak, STM deney THz kaynağına entegre etmek gerekliliği için birçok Denemecileri zor olması muhtemeldir. Bu diğer yaygın olarak uygulanabilir ve kolayca implementable yöntemlerin geliştirilmesi sayesinde motive eder.

2010 yılında, dinginliği vd. 11 nerede bir DC uzaklığı üst kısmında elektronik olarak uygulanan nanosaniye gerilim darbeleri pompa ve sistem11sonda tüm elektronik bir teknik geliştirmiştir. Giriş Bu tekniğin daha önce farkedilmemiş fizik ölçmek için zaman karar vermek STM belirsizliği ve pratik uygulamaları kritik bir gösteri sundu. Bunun öncesinde, STM karıştırma kavşak hızlı değil bulunmakla mikrodalga bakliyat STM ucuna kadar uygulama araştırılması için rasgele örnekler verir. Bu teknik herhangi bir karmaşık optik metodolojileri veya optik STM kavşak erişim gerektirmez. Bu düşük sıcaklık STMs uyum için en kolay yöntem sağlar. Bu tekniklerin ilk gösteri spin-dinamiği nerede spin polarize STM spin-Birleşik Devletleri tarafından pompa bakliyat11heyecanlı gevşeme dinamikleri ölçmek için kullanılan çalışma uygulandı. Yakın zamana kadar manyetik adatom sistemleri12,13,14 kaldı sınırlı ama sahiptir uygulama taşıyıcısı yakalama hızı çalışma odasına ayrı bir orta boşluk uzatılmış beri15 devlet ve dinamikleri şarj Tek arsenik dopants silikon15,16. Bu çalışmanın odak ikinci çalışmadır.

Tamamlayıcı metal oksit yarı iletkeni (CMOS) cihazlar şu anda nerede tek dopants aygıt özelliklerini17 etkileyebilir rejim giriyorsunuz çünkü tek dopants yarı iletkenler özelliklerinde çalışmalar son zamanlarda önemli ilgisini çekti var . Ayrıca, çeşitli çalışmalarda tek dopants gelecek aygıt temel bileşeni olarak, örneğin qubits için kuantum hesaplama18 ve kuantum bellek19olarak ve tek atom transistörler20 olarak hizmet verebilir göstermiştir , 15. gelecek cihazlar Ayrıca STM litografi21ile atomik hassasiyetle desenli bond (DB) sarkan silikon gibi diğer atomik ölçekli kusurlar dahil. Bu amaçla, DBs şarj qubits22, kuantum hücresel Otomata mimarileri23,24ve atomik teller25,26 için kuantum nokta olarak önerilen ve oluşturmak için desenli Kuantum Hamilton mantığı27 ve yapay moleküller28,29gates. İleride, cihazlar tek dopants ve DBs dahil olabilir. DBs kolayca STM ile karakterize ve tek dopant aygıtları karakterize için bir tanıtıcı kullanılan yüzey kusurları olduğu için çekici bir stratejidir. Bu strateji bir örnek olarak, DBs şarj sensörler yüzey yakınındaki dopants şarj dinamikleri anlaması için bu çalışmalarında kullanılır. Bu dinamikler dinginliği ve ark. tarafından geliştirilen teknik uyarlanmıştır TR-STM tüm elektronik bir yaklaşım kullanımı ile yakalanır 11

Ölçüleri seçili DBs sonlandırıldı hidrojen Si(100)-(2×1) yüzeyi üzerinde gerçekleşir. Yaklaşık 60 uzanan dopant tükenmesi bölge nm yüzeyinin altında oluşturulan kristal30, Termal tedavi yolu ile DB ve birkaç diğer yüzey yakınındaki dopants toplu grup decouples. DBs STM çalışmaları onların gürültülerinden dopants ve sıcaklık, konsantrasyon gibi küresel örnek parametreleri bağlıdır ama bireysel DBs da bağlı olarak kendi yerel çevre16güçlü varyasyonları göstermek bulduk. Tek bir DB üzerinde bir STM ölçüm sırasında geçerli akış, elektron tünel toplu DB (Γtoplu) ve için belgili tanımlık uç (Γucu) DB oranı tabidir (şekil 1). Ancak, iletim DB kendi yerel çevreye duyarlı olduğundan, hangi DB’s gürültülerinden izleyerek anlaşılmaktadır olabilir Γtoplu (şekil 1B), yakındaki dopants şarj durumunu etkiler. Sonuç olarak, bir DB gürültülerinden yakındaki dopants, şarj durumları hissediyorum için kullanılabilir ve dopants olan oranları verilen toplu (ΓLH) elektron belirlemek için kullanılan ve STM ucuna kadar kaybetmek onları (ΓHL ). Bu dinamikler gidermek için TR-STS hangi ucunu yüzey yakınındaki dopants iyonlaşma indükler eşik gerilimi (Vthr) gerçekleştirilir. Pompa ve sonda nabız rolü burada sunulan üç kez çözüldü deneysel teknikleri aynıdır. Pompa geçici önyargı düzeyi aşağıdan hangi dopant iyonlaşma indükler Vthr, getiriyor. Bu daha düşük bir önyargı izleyen sonda darbe tarafından örneklenir DB gürültülerinden artırır.

Bu raporda açıklanan teknikleri milisaniyelik üzerinde nano saniye zaman ölçeğini STM ile meydana gelen dynamics karakterize etmek isteyenler yararlanacak. Bu teknikler şarj dynamics eğitimi için sınırlı değildir, bu dinamikleri STM (Yani, devletler veya yüzeye yakın) tarafından probed Birleşik gürültülerinden geçici değişiklikler yoluyla ortaya önemlidir. Öyle ki Darbe Gerilimlerinden ve denge akımları arasındaki farkı ile çarpılır geçici Birleşik gürültülerinden önemli ölçüde denge durumundan farklı değildir Eğer sonda darbe iş hacmi (genellikle sistemleri gürültü kat küçüktür 1 pA), sinyal gürültü kaybolur ve bu tekniği ile tespit olmayacaktır. Bu raporda açıklanan teknikleri gerçekleştirmek için gereken ticari olarak kullanılabilir STM sistemleri deneysel değişiklikler mütevazı olduğundan, bu teknikleri yaygın olarak topluma erişilebilir olması öngörülmektedir.

Protocol

1. ilk kurulum mikroskop ve deneyler Begin bir ultrahigh ile yetenekli kriyojenik STM vakum ve kontrol yazılımı ilişkili. STM kriyojenik sıcaklıklara serin.Not: Bu raporun ultrahigh vakum elde sistemleri için işaret < 10 x 10-10 Torr. STM kriyojenik sıcaklıklara soğutmalı; Bu mütevazı sıcaklıklarda termal aktif dopants şarj dinamiklerini araştırıyor özellikle önemlidir. Diğer odaları oda sıcaklığında olabilir. STM ipucu yüksek frekanslı kablolama (~ 500 MHz…

Representative Results

Metni bu bölümde sunulan sonuçlar önceden yayınlanmış15,16olmuştur. Şekil 3 seçili bir örnek davranışını gösterir DB geleneksel STM ile. Geleneksel I(V) ölçüm (şekil 3A) açıkça Vthr DB gürültülerinden keskin bir değişiklik gösteriyor -2,0 V =. Bu davranış da-2.1 V (şekil 3B, sol panelde), -2…

Discussion

Sistem yüksek frekansta yerine sürekli örneklenir dışında TR-STS pompa darbe uygulanmamış türevi geleneksel STS için karşılaştırılabilir gibidir. Sonda bakliyat süreleri uygun ise (>ΓLH), TR-STS sinyal elde olmadan pompa darbe deneyi iş hacmi tam olarak geleneksel bir STS ile aynı tarihte orantılı bir sabit ile çarpımı ölçüm. Aksi halde kullanılan alçak geçiren filtre uygulama nedeniyle sinyal bilinmeyen bir bölümünü azaltmak bir kilit-in amplifikatör, kullanımı ol…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Martin Cloutier ve Mark Salomons teknik uzmanlık için teşekkür etmek istiyorum. Biz de NRK, NSERC ve AITF mali destek için teşekkür ederiz.

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

Keywords: Nanosecond-resolved Scanning Tunneling MicroscopySingle Dopant Charge DynamicsTime-resolved Scanning Tunneling MicroscopySemiconductor DopantsTunneling CurrentUltra-high VacuumCryogenic TemperaturesArbitrary Function GeneratorRadio Frequency SwitchesSilicon WaferSample PreparationTungsten Filament
check_url/fr/56861?article_type=t

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