स्कैनिंग जांच एकल इलेक्ट्रॉन समाई स्पेक्ट्रोस्कोपी
Summary
स्कैनिंग जांच एकल इलेक्ट्रॉन समाई स्पेक्ट्रोस्कोपी स्थानीयकृत उपसतह क्षेत्रों में एकल इलेक्ट्रॉन प्रस्ताव के अध्ययन की सुविधा. एक संवेदनशील आरोप पता लगाने सर्किट अर्धचालक नमूने की सतह के नीचे dopant परमाणुओं के छोटे प्रणालियों की जांच के लिए एक क्रायोजेनिक जांच स्कैनिंग माइक्रोस्कोप में शामिल किया है.
Abstract
अर्धचालक में व्यक्तिगत परमाणु dopants सहित – कम तापमान स्कैनिंग जांच तकनीकों और एकल इलेक्ट्रॉन समाई स्पेक्ट्रोस्कोपी के एकीकरण के छोटे प्रणालियों के इलेक्ट्रॉनिक क्वांटम संरचना का अध्ययन करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण का प्रतिनिधित्व करता है. यहाँ हम छवि व्यक्ति परमाणु dopants के लिए पर्याप्त स्थानिक संकल्प जबकि प्राप्त एकल इलेक्ट्रॉन चार्ज को हल करने में सक्षम है जो उपसतह प्रभारी संचय (एससीए) इमेजिंग, के रूप में जाना एक समाई आधारित पद्धति, उपस्थित थे. एक समाई तकनीक का उपयोग इस तरह के एक अर्धचालक पदार्थ 1,2,3 की सतह के नीचे कई नैनोमीटर दफन dopants रूप उपसतह सुविधाओं के अवलोकन के लिए सक्षम बनाता है. सिद्धांत रूप में, इस तकनीक का एक इन्सुलेट सतह के नीचे इलेक्ट्रॉन गति को हल करने के लिए किसी भी प्रणाली को लागू किया जा सकता है.
अन्य बिजली क्षेत्र के प्रति संवेदनशील स्कैन जांच तकनीकों 4 में के रूप में, माप के पार्श्व स्थानिक संकल्प curvatur की त्रिज्या पर भाग में निर्भर करता हैजांच टिप के ए. वक्रता का एक छोटा सा त्रिज्या के साथ युक्तियों का प्रयोग नैनोमीटर की कुछ दसियों के स्थानिक संकल्प सक्षम कर सकते हैं. यह ठीक स्थानिक संकल्प उपसतह dopants 1,2 की कम संख्या की जांच (नीचे एक करने के लिए) की अनुमति देता है. प्रभारी संकल्प प्रभारी का पता लगाने circuitry की संवेदनशीलता पर बहुत निर्भर करता है, क्रायोजेनिक तापमान पर इस तरह के सर्किट में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT) का उपयोग लगभग 0.01 इलेक्ट्रॉनों / हर्ट्ज की एक संवेदनशीलता सक्षम बनाता साढ़े 0.3 कश्मीर 5 बजे.
Introduction
उपसतह प्रभारी संचय (एससीए) इमेजिंग एकल इलेक्ट्रॉन चार्ज घटनाओं को हल करने में सक्षम एक कम तापमान विधि है. अर्धचालक में dopant परमाणुओं का अध्ययन करने के लिए आवेदन किया है, विधि इन मिनट प्रणालियों की मात्रा संरचना के लक्षण वर्णन की अनुमति, दाता या स्वीकर्ता परमाणुओं में प्रवेश व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों का पता लगा सकते हैं. अपने दिल में, एससीए इमेजिंग एक स्थानीय समाई माप 6 क्रायोजेनिक ऑपरेशन के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है. समाई बिजली के क्षेत्र पर आधारित है, यह सतहों 6 इन्सुलेट नीचे चार्ज को हल कर सकते हैं कि एक लंबी दूरी प्रभाव है. क्रायोजेनिक आपरेशन कमरे के तापमान 1,2 पर unresolvable होगा कि एकल इलेक्ट्रॉन गति और मात्रा के स्तर में अंतर रखने की जांच परमिट. तकनीक दफन इंटरफेस 7 पर दो आयामी इलेक्ट्रॉन प्रणालियों में चार्ज गतिशीलता सहित, एक इन्सुलेट सतह के नीचे इलेक्ट्रॉन गति महत्वपूर्ण है, जिसमें किसी भी प्रणाली को लागू किया जा सकता है, संक्षिप्तता के लिए, यहां ध्यान देने अर्धचालक dopants की पढ़ाई पर होगा.
यथार्थवादी विश्लेषण टिप 8,9 की वक्रता के लिए खाते में एक अधिक विस्तृत विवरण की आवश्यकता होती है, हालांकि सबसे योजनाबद्ध स्तर पर इस तकनीक, एक समानांतर थाली संधारित्र की एक थाली के रूप में स्कैन टिप मानते हैं. चित्र 1 में दिखाया के रूप में इस मॉडल में अन्य थाली, अंतर्निहित का आयोजन परत के nanoscale एक क्षेत्र है. एक प्रभारी एक आवधिक उत्तेजना वोल्टेज के जवाब में एक dopant में प्रवेश करती है के रूप में अनिवार्य रूप से, यह टिप के करीब हो जाता है, इस आंदोलन सेंसर सर्किट 5 के साथ पाया जाता है, जो टिप, पर अधिक छवि प्रभारी लाती है. इसी प्रकार, इस आरोप से बाहर निकालता है dopant के रूप में, टिप पर छवि आरोप में कमी आई है. इसलिए उत्तेजना वोल्टेज के जवाब में आवधिक चार्ज संकेत का पता चला संकेत है – अनिवार्य रूप से यह समाई है, इस प्रकार इस माप अक्सर प्रणाली के CV विशेषताओं का निर्धारण करने के लिए भेजा है.
तम्बू "> समाई माप के दौरान केवल शुद्ध सुरंग अंतर्निहित प्रवाहकीय परत और dopant परत के बीच में है -. सीधे नोक पर आरोप कभी नहीं सुरंगों माप के दौरान करने के लिए या टिप से सुरंग प्रत्यक्ष की कमी इस बीच एक महत्वपूर्ण अंतर है तकनीक और अधिक परिचित स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी, हालांकि यह है कि इस प्रणाली के लिए हार्डवेयर की एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप के लिए अनिवार्य है. यह एससीए इमेजिंग स्थिर आरोपों को सीधे संवेदनशील नहीं है कि नोट के लिए भी महत्वपूर्ण है. स्थैतिक चार्ज की जांच के लिए वितरण, केल्विन जांच माइक्रोस्कोपी या विद्युत बल माइक्रोस्कोपी स्कैनिंग उपयुक्त है भी अच्छा इलेक्ट्रॉनिक और स्थानिक संकल्प है जो स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार अस्तित्व की जांच के लिए अतिरिक्त क्रायोजेनिक तरीके;. उदाहरण के लिए, एकल इलेक्ट्रॉन ट्रांजिस्टर माइक्रोस्कोपी स्कैनिंग चार्ज मिनट का पता लगाने में सक्षम एक और स्कैनिंग जांच विधि है एससीए इमेजिंग मूल प्रभाव 4,10. थाTessmer, Glicofridis, Ashoori, और सह कार्यकर्ता 7 से एमआईटी में विकसित किया है, इसके अलावा, यहां वर्णित विधि Ashoori और साथियों ने 11 से विकसित एकल इलेक्ट्रॉन समाई स्पेक्ट्रोस्कोपी विधि की जांच स्कैनिंग संस्करण के रूप में माना जा सकता है. माप का एक प्रमुख तत्व उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT) का उपयोग कर एक exquisitely संवेदनशील आरोप पता लगाने सर्किट 5,12 है, यह 0.01 इलेक्ट्रॉनों / हर्ट्ज के रूप में कम के रूप में एक शोर के स्तर को प्राप्त कर सकते साढ़े 0.3 कश्मीर में, cryostat के आधार तापमान संदर्भ 5 में. इस तरह के एक उच्च संवेदनशीलता उपसतह सिस्टम में एकल इलेक्ट्रॉन चार्ज के अवलोकन की अनुमति देता है. इस पद्धति का एक विमान ज्यामिति 2 में 10 15 मीटर -2 के आदेश पर ठेठ dopant areal घनत्व के साथ, अर्धचालकों में dopants के व्यक्तिगत या छोटे समूहों के इलेक्ट्रॉन या छेद की गतिशीलता के अध्ययन के लिए अनुकूल है. इस प्रकार के परीक्षण के लिए एक ठेठ नमूना विन्यास का एक उदाहरण चित्र 1 में दिखाया गया है </strong>. dopant परत आम तौर पर सतह के नीचे नैनोमीटर की कुछ दसियों तैनात है, यह अंतर्निहित का आयोजन परत और dopant परत के बीच और dopant परत और नमूना की सतह के बीच सटीक दूरी पता करने के लिए महत्वपूर्ण है. सुरंग के विपरीत, समाई तेजी से गिर नहीं करता है, लेकिन इसके बजाय अनिवार्य रूप से दूरी के प्रतिलोम अनुपात में कम हो जाती है. इसलिए, dopant गहराई सिद्धांत में नोक पर बिजली के क्षेत्र की भूमि के कुछ उचित अंश के रूप में लंबे समय के सतह के नीचे नैनोमीटर के दसियों से भी गहरा हो सकता है. यहाँ वर्णित तकनीक सहित इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार, के aforementioned क्रायोजेनिक स्थानीय जांच के सभी के लिए, स्थानिक संकल्प टिप के ज्यामितीय आकार के द्वारा और ब्याज की उपसतह सुविधा और स्कैनिंग जांच टिप के बीच की दूरी तक सीमित है.Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रयोगात्मक विधि के लिए सैद्धांतिक आधार का एक विस्तृत विवरण सन्दर्भ 8 और 9 में दिए गए और संदर्भ 2 में उपसतह dopants के परिदृश्य के संबंध में चर्चा की है, यहाँ प्रस्तुत सिंहावलोकन इसलिए संक्षिप्त और वैचारि?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यहाँ पर चर्चा अनुसंधान क्वांटम विज्ञान के लिए मिशिगन राज्य विश्वविद्यालय संस्थान और राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन डीएमआर 0305461, डीएमआर 0906939, और डीएमआर 0605801 द्वारा समर्थित किया गया था. किलोवाट शिक्षा GAANN अंतःविषय Bioelectronics प्रशिक्षण कार्यक्रम फैलोशिप के एक अमेरिकी विभाग से समर्थन मानता है.
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 |
References
- 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).
