المسح مسبار واحدة الإلكترون الطيفي السعة
Summary
المسح مسبار-إلكترون واحد الطيفي السعة يسهل دراسة حركة الإلكترون واحد في مناطق تحت سطح الأرض المترجمة. أدرج حساسة تهمة الكشف عن الدوائر المبردة في المسح المجهر التحقيق للتحقيق في نظم صغيرة من الذرات إشابة تحت سطح عينات أشباه الموصلات.
Abstract
دمج درجات الحرارة المنخفضة تقنيات المسح الضوئي مسبار وإلكترون واحد الطيفي السعة يمثل أداة قوية لدراسة بنية الكم إلكترونية من نظم صغيرة – بما في ذلك dopants الذرية الفردية في أشباه الموصلات. ونحن هنا نقدم وسيلة المستندة إلى السعة، والمعروفة باسم تراكم تهمة تحت السطحية (SCA) التصوير، والتي هي قادرة على حل الشحن لإلكترون واحد مع تحقيق القرار المكانية كافية لصورة dopants الذرية الفردية. استخدام تقنية مراقبة السعة تمكن من الميزات تحت سطح الأرض، مثل dopants دفن العديد من نانومتر تحت السطح من المواد أشباه الموصلات 1،2،3. من حيث المبدأ، يمكن تطبيق هذه التقنية إلى أي نظام لحل حركة الإلكترون أدناه سطح العازلة.
كما هو الحال في تقنيات الممسوحة ضوئيا مسبار الميدان حساسة الكهربائية الأخرى 4، والقرار المكانية الجانبي للقياس يعتمد في جزء منه على نصف قطر curvatur(ه) من تلميح التحقيق. ويمكن استخدام النصائح مع دائرة نصف قطرها صغير من انحناء تمكين القرار المكانية من بضع عشرات من نانومتر. هذا القرار المكانية غرامة يسمح التحقيقات أعداد صغيرة (وصولا الى واحد) من dopants تحت سطح الأرض 1،2. القرار تهمة يعتمد إلى حد كبير على حساسية الدوائر الكشف تهمة، واستخدام ارتفاع الترانزستورات التنقل الإلكترون (HEMT) في مثل هذه الدوائر في درجات الحرارة المبردة تمكن حساسية حوالي 0.01 الإلكترونات / هرتز ½ عند 0.3 K 5.
Introduction
تراكم تهمة تحت السطحية (SCA) التصوير هو أسلوب درجات الحرارة المنخفضة قادرة على حل الأحداث شحن الإلكترون واحد. عندما يطبق لدراسة الذرات إشابة في أشباه الموصلات، ويمكن للطريقة الكشف عن الإلكترونات الفردية دخول ذرات المانحة أو متقبل، والسماح توصيف هيكل الكم من هذه الأنظمة الدقيقة. في قلبها، SCA التصوير هو قياس السعة المحلية 6 مناسبة تماما لتشغيل المبردة. لأنه يعتمد على السعة الحقل الكهربائي، بل هو تأثير بعيد المدى التي يمكن حل شحن تحت العازلة الأسطح 6. عملية المبردة يسمح التحقيق من حركة الإلكترون واحد وتباعد المستوى الكوانتي التي من شأنها أن تكون غير القابلة للحل في درجة حرارة الغرفة 1،2. ويمكن تطبيق هذه التقنية في أي نظام في أي حركة الإلكترون أدناه سطح العزل هو المهم، بما في ذلك ديناميات الشحن في نظم الإلكترون ثنائية الأبعاد في واجهات دفن 7؛ للإيجاز، سيتم التركيز هنا يكون على الدراسات من dopants أشباه الموصلات.
على المستوى الأكثر التخطيطي، وهذا الأسلوب يعامل الطرف الممسوحة ضوئيا ولوح واحد من موازية لوحة مكثف، على الرغم من تحليل واقعي يتطلب وصفا أكثر تفصيلا لحساب انحناء من طرف 8،9. لوحة أخرى في هذا النموذج هي منطقة النانومترية الحجم من طبقة إجراء الكامنة، كما هو مبين في الشكل 1. أساسا، كما يدخل تهمة لإشابة ردا على إثارة الجهد الدوري، فإنه يحصل أقرب إلى طرف؛ هذه الحركة يدفع أكثر تهمة الصورة على الحافة، التي تم الكشف عنها مع أجهزة الاستشعار الدائرة 5. وبالمثل، كما يخرج من تهمة إشابة، وانخفضت هذه التهمة الصورة على طرف. ومن هنا جاءت إشارة شحن الدوري ردا على إثارة الجهد هو إشارة الكشف – أساسا هو السعة، وبالتالي غالبا ما يشار إلى هذا القياس عن تحديد خصائص السيرة الذاتية للنظام.
خيمة "> وخلال قياس السعة، فإن صافي فقط النفقي هو بين الطبقة الموصلة الكامنة وطبقة إشابة -. تهمة أبدا الأنفاق مباشرة على إبعاد عدم وجود نفق مباشرة إلى أو من طرف أثناء عملية القياس هو الفرق المهم بين هذه تقنية وأكثر دراية المجهر النفقي الماسح، على الرغم من أن الكثير من الأجهزة لهذا النظام هو أساسا مطابقة لتلك التي من مجهر المسح النفقي. ومن المهم أيضا أن نلاحظ أن هيئة السلع التموينية التصوير ليست حساسة مباشرة إلى رسوم ثابتة. للتحقيق في تهمة ثابتة التوزيعات، مستشعر كالفن الماسح المجهري أو كهرباء المجهري القوة المناسبة طرق المبردة إضافية لدراسة السلوك الالكترونية المحلية والتي لها وجود أيضا إلى قرار الإلكترونية والمكانية جيدة، على سبيل المثال، المسح المجهري إلكترون واحد الترانزستور هو طريقة تحقيق اخر المسح الضوئي قادرة على اكتشاف دقائق شحن الآثار (4،10). SCA التصوير كان في الأصلوضعت من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في Tessmer، Glicofridis، Ashoori، وزملاء العمل (7)؛ وعلاوة على ذلك، يمكن اعتبار الطريقة الموضحة هنا كإصدار مسبار المسح الضوئي من واحد الكترون طريقة التحليل الطيفي السعة التي وضعتها Ashoori وزملاء العمل 11. وثمة عنصر رئيسي من القياس هو حساسة بشكل رائع تهمة الكشف عن الدائرة 5،12 باستخدام عالية الترانزستورات التنقل الإلكترون (HEMT)، بل يمكن تحقيق مستوى الضوضاء منخفضة تصل إلى 0.01 الإلكترونات / هرتز ½ عند 0.3 K، ودرجة الحرارة قاعدة ناظم البرد في المرجع 5. مثل وجود حساسية عالية تسمح مراقبة الشحن لإلكترون واحد في نظم تحت سطح الأرض. يناسب هذا الأسلوب لدراسة الإلكترون أو حفرة ديناميات مجموعات فردية أو صغيرة من dopants في أشباه الموصلات، مع نموذجي الكثافة المساحية إشابة بناء على أمر من 10 15 م -2 في الهندسة المستوية 2. ويرد مثال من تكوين عينة نموذجية لهذا النوع من التجارب في الشكل 1 </strong>. وعادة ما يتم وضع طبقة إشابة بضع عشرات من نانومتر تحت السطح، ومن المهم أن تعرف مسافات دقيقة بين إجراء طبقة الكامنة وطبقة إشابة وبين طبقة إشابة وسطح العينة. وعلى النقيض من نفق، لا تقع قبالة أضعافا مضاعفة السعة ولكن بدلا من ذلك يقلل أساسا في تناسب عكسي مع المسافة. وبالتالي، يمكن للعمق إشابة من حيث المبدأ أن يكون أعمق من عشرات من نانومتر تحت السطح، ما دام بعض جزء معقول من أراضي الحقل الكهربائي على طرف. لجميع ما سبق ذكره تحقيقات المحلية المبردة من السلوك الالكترونية، بما في ذلك تقنية الموضحة هنا، هو القرار المكانية محدودة بسبب حجم هندسية من طرف والمسافة بين ميزة تحت السطحية من الاهتمام وتلميح التحقيق المسح.Protocol
Representative Results
Discussion
ويرد شرح مفصل عن الأساس النظري لهذا المنهج التجريبي في المراجع 8 و 9 و مناقشته فيما يتعلق سيناريو dopants تحت سطح الأرض في المرجع 2، وبالتالي فإن نظرة عامة المعروضة هنا الإيجاز والمفاهيمية. يتم التعامل مع طرف واحد من لوحة مكثف، والطبقة إجراء الكامنة تشمل العينة لوحة أخرى. …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا البحث تمت مناقشتها هنا قبل معهد جامعة ولاية ميشيغان للعلوم الكم والمؤسسة الوطنية للعلوم DMR-0305461، DMR-0906939، وDMR-0605801. يقر KW دعم من وزارة التعليم الأمريكية GAANN التخصصات الإلكترونيات البيولوجية تدريب الزمالة البرنامج.
Materials
| Equipment | |||
| Besocke-design STM | Custom | References 14 and 15 | |
| Control electronics for STM | RHK Technology | SPM 1000 Revision 7 | |
| Lock-in amplifier | Stanford Research Systems | SR830 | |
| Curve tracer | Tektronix | Type 576 | |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS360 | |
| Multimeter | Tektronix | DMM912 | |
| Wire bonder | WEST·BOND | 7476D | with K~1200D temperature controller |
| Soldering iron | MPJA | 301-A | |
| Cryostat | Oxford Instruments | Heliox | |
| Material | |||
| Pt/Ir wire, 80:20 | nanoScience Instruments | 201100 | |
| GaAs wafer | axt | S-I | For the mounting chip |
| 99.99% Au wire, 2 mil diameter | SPM | For the mounting chip | |
| 99.99% Au wire, 1 mil diameter | K&S | For wire bonding | |
| Indium shot | Alfa Aesar | 11026 | |
| Silver epoxy | Epo-Tek | EJ2189-LV | Any low-temperature-compatible conductive epoxy is acceptable |
| HEMT | Fujitsu | Low Noise HEMT |
Riferimenti
- Gasseller, M., DeNinno, M., Loo, R., Harrison, J. F., Caymax, M., Rogge, S., Tessmer, S. H. Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon. Nano Lett. 11, 5208-5212 (2011).
- Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A., Tessmer, S. H., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules. Nat. Phys. 4, 227-233 (2008).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A. Nanometer-scale capacitance spectroscopy of semiconductor donor molecules. Physica B. 403, 3774-3780 (2008).
- Yoo, M. J., Fulton, T. A., Hess, H. F., Willett, R. L., Dunkleberger, L. N., Chichester, R. J., Pfeiffer, L. N., West, K. W. Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges. Science. 276, 579-582 (1997).
- Urazhdin, S., Tessmer, S. H., Ashoori, R. C. A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy. Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).
- Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale. Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).
- Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, M. R. Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid. Nature. 392, 51-54 (1998).
- Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes. Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).
- Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. R. Modeling electric-field-sensitive scanning probe measurements for a tip of arbitrary shape. Ultramicroscopy. 102, 7-12 (2004).
- Martin, J., Akerman, N., Ulbricht, G., Lohmann, T., Smet, J. H., von Klitzing, K., Yacoby, A. Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor. Nat. Phys. 4, 144-148 (2008).
- Ashoori, R. C. Electrons in artificial atoms. Nature. 379, 413-419 (1996).
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of a few electron box. Physica B. 189, 117-124 (1993).
- Frohn, J., Wolf, J. F., Besocke, K., Teske, M. Coarse tip distance adjustment and positioner for a scanning tunneling microscope. Rev. Sci. Instrum. 60 (6), 1200-1201 (1989).
- Besocke, K. An easily operable scanning tunneling microscope. Surf. Sci. 181, 145-153 (1987).
- Urazhdin, S., Maasilta, I. J., Chakraborty, S., Moraru, I., Tessmer, S. H. High-scan-range cryogenic scanning probe microscope. Rev. Sci. Instrum. 71 (11), 4170-4173 (2000).
- Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. Single-electron capacitance spectroscopy of discrete quantum levels. Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3088-3091 (1992).
