All-elektroniska nanosekund-löst Scanning Tunneling Microscopy: Att underlätta utredningen av enda dopämne kostnad Dynamics
Summary
Vi visar en all-elektroniska metod för att observera nanosekund-löst kostnad dynamics dopämne atomer i kisel med en sveptunnelmikroskop.
Abstract
Miniatyriseringen av halvledarkomponenter till skalor där litet numrerar av dopants kan styra enhetsegenskaper kräver utveckling av nya tekniker kan karakterisera deras dynamik. Utreda enda dopants kräver sub nanometer rumslig upplösning, som motiverar användning av scanning tunneling microscopy (STM). Konventionella STM är dock begränsat till millisekund temporal upplösning. Flera metoder har utvecklats för att övervinna denna brist, inklusive elektroniskt tid-löst STM, som används i denna studie för att undersöka dopämne dynamik i silicon med nanosekund upplösning. De metoder som presenteras här är lättillgänglig och möjliggöra lokala mätning av ett brett utbud av dynamics på den atomära skalan. En roman löst tid-scanning tunneling spektroskopi teknik presenteras och används för att effektivt söka för dynamics.
Introduction
Scanning tunneling microscopy (STM) har blivit det främsta verktyget i nanovetenskap för sin förmåga att lösa Atom-skala topografi och elektronisk struktur. En begränsning med konventionella STM, är dock att dess temporal upplösning är begränsad till millisekund tidsskalan på grund av den begränsa bandbredden för nuvarande förförstärkare1. Det har länge varit ett mål att förlänga STM’S temporal upplösning att skalorna som atomära processer ofta uppstå. De banbrytande arbete i tid-löst scanning tunneling microscopy (TR-STM) av Freeman et. al. 1 utnyttjas fotokonduktiva växlar och microstrip kraftledningar mönstrad på prov att överföra pikosekund spänning pulser till tunnel korsningen. Denna korsning-blandning teknik har använts för att uppnå samtidiga resolutioner av 1 nm och 20 ps2, men det har aldrig varit allmänt antas på grund av kravet att använda specialiserade prov strukturer. Lyckligtvis, den grundläggande insikten vunnits från dessa verk kan generaliseras till många tid-löst tekniker; även om STMS kretsar bandbredd är begränsad till flera kilohertz, tillåter den icke-linjära åsamkas reaktion i STM snabbare dynamics att bli utforskad genom att mäta den genomsnittliga tunnel nuvarande erhålls över många pump-probe cykler. Under de mellanliggande åren, många lösningar har undersökts, den mest populära som granskas kortfattat nedan.
Skakat-puls-par-upphetsad (SPPX) STM utnyttjar framsteg i ultrasnabb pulsad laser teknik för att uppnå sub pikosekund upplösning genom direkt lysande tunnel korsningen och spännande bärare i exempel3. Infallande laserljuset skapar gratis bärare som övergående förbättra överledning och modulering av fördröjningen mellan pumpen och sonden (td) tillåter djagdtd skall mätas med ett lock in-förstärkare. Eftersom fördröjningen mellan pumpen och sonden moduleras snarare än laserns intensitet, liksom i många andra optiska metoder, undviker SPPX-STM foto belysning-inducerad termisk expansion av tip3. Senare förlängningar av detta tillvägagångssätt har utökat de tidsskalor som SPPX-STM kan användas för att undersöka dynamics genom att utnyttja puls-plockning tekniker för att öka utbudet av pump-probe dröjsmål gånger4. Allt erbjuder detta senaste utveckling också möjligheten att mäta jag(td) kurvor direkt i stället för via numerisk integration. Senaste program för SPPX-STM har omfattade studiet av transportören rekombination i enkel-(Mn, Fe)/GaAs(110) strukturerar5 och givare dynamics i GaAs6. Tillämpningar av SPPX-STM möta vissa restriktioner. Signalen SPPX-STM åtgärder beror på gratis bärare upphetsad av de optiska pulserna och passar bäst för halvledare. Dessutom, även om tunneldrivning nuvarande är lokaliserad till spetsen, eftersom ett stort område är upphetsad av de optiska pulserna, är signalen en faltning av lokala egenskaper och materialtransport. Bias vid korsningen är slutligen fast vid mätning tidsskalan så att dynamiken under studie måste vara photoinduced.
En nyare optiska teknik, terahertz STM (THz-STM), par ledigt utrymme THz pulser fokuserade på korsningen till STM spetsen. Till skillnad från i SPPX-STM, kopplade pulserna beter sig som snabba spänning pulser möjliggör för utredning av elektroniskt driven excitationer med sub pikosekund resolution7. Intressant, genereras renad nuvarande från THz pulserna resultat i extrema peak strömtätheter inte tillgänglig av konventionella STM8,9. Tekniken har använts nyligen att studera heta elektroner i Si(111)-(7×7)9 och bild vibrationen av en enda pentacene molekyl10. THz-pulser naturligt par till spetsen, nödvändigheten av att integrera en THz källa till STM försök är dock sannolikt att vara utmanande att många praktiker. Detta motiverar utvecklingen av andra allmänt tillämpliga och lätt genomförbara tekniker.
I 2010, Loth o.a. 11 utvecklat ett elektroniskt teknik där nanosekund spänning pulser appliceras ovanpå en DC offset elektroniskt pump och sond system11. Införandet av denna teknik erbjöd en kritisk demonstration av entydig och praktiska tillämpningar av tid-löst STM att mäta tidigare obemärkt fysik. Även om det inte är lika snabb som junction blandning STM, som föregick det, tillåter tillämpa mikrovågsugn pulser till STM spetsen godtyckliga prover undersökas. Denna teknik kräver inte några komplicerade optiska metoder eller optisk access till STM korsningen. Detta gör det lättaste tekniken anpassas till låg temperatur stm. Den första demonstrationen av dessa tekniker tillämpades till studien av spin-dynamik där en spin-polariserade STM användes för att mäta avkoppling dynamiken i spin-stater upphetsad av pump pulser11. Tills nyligen, dess ansökan återstod begränsad till magnetiska adatom system12,13,14 , men har sedan utvidgats till studiet av transportören fånga takt från en diskret mitt gap anges15 och debitera dynamics av enstaka arsenik dopants i kisel15,16. Den sistnämnda studien är i fokus för detta arbete.
Studier av enstaka dopants i halvledare egenskaper har nyligen uppmärksammats betydande eftersom kompletterande metalloxid halvledarkomponenter (CMOS) går nu in regimen där enda dopants kan påverka enhetsegenskaper17 . Dessutom har flera studier visat att enstaka dopants kan tjäna som den grundläggande komponenten i framtida enheter, till exempel som qubits för quantum uträkningen18 och quantum minne19, och som enda atom transistorer20 , 15. framtiden enheter kan också innehålla andra Atom-skala defekter, såsom kisel dinglande bond (DB) som kan vara mönstrade med Atom precision med STM litografi21. I detta syfte DBs har föreslagits som kostnad qubits22, kvantprickar för quantum cellulära automater arkitekturer23,24, och atomic ledningar25,26 och har varit mönstrad för att skapa Quantum Hamiltonsk logik grindar27 och konstgjorda molekyler28,29. Framåt, kan enheter innefatta både enstaka dopants och DBs. Detta är en attraktiv strategi eftersom DBs ytdefekter som enkelt kan karakteriseras med STM och används som ett handtag för att karakterisera enda dopämne enheter. Som ett exempel på denna strategi används DBs i detta arbete som kostnadsfritt sensorer för att härleda laddning dynamiken i ytnära dopants. Dessa dynamics fångas med hjälp av ett elektroniskt förhållningssätt till TR-STM som är anpassade från de tekniker som utvecklats av Loth o.a. 11
Mätningar utförs på valda DBs på en väte avslutas Si(100)-(2×1) yta. En dopämne utarmning regionen sträcker sig ungefär 60 nm under ytan, skapas via termisk behandling av kristall30, frikopplar DB och de få återstående ytnära dopants från bulk band. STM studier av DBs har funnit att deras konduktans är beroende av övergripande urval parametrar, såsom koncentrationen av dopants och temperaturen, men enskilda DBs visar också starka variationer beroende på deras lokala miljö16. Under en STM mätning över en enda DB strömflödet styrs av den hastighet vid vilken kan elektroner tunnel från huvuddelen till DB (Γbulk) och från DB till spetsen (Γtip) (figur 1). Men eftersom överledning av DB är känslig till sin lokala miljö, påverkar kostnad delstaten närliggande dopants Γbulk (figur 1B), som kan härledas genom att övervaka DBS konduktans. Som ett resultat, konduktans en DB kan användas för att känna kostnad påstår av närliggande dopants, och kan användas för att fastställa de priser som dopants är levererade elektronerna från huvuddelen (ΓLH) och förlora dem till STM spetsen (ΓHL ). Lös dessa dynamics, utförs TR-STS runt tröskeln spänningar (Vthr) som inducerar spetsen jonisering av ytnära dopants. Rollen av pumpen och sonden pulserna är densamma i de tre tid-löst experimentella tekniker presenteras här. Pumpens ger normalnivå bias nivån från nedan ovan Vthr, som inducerar dopämne jonisering. Detta ökar konduktans i DB, som ingår i urvalet av sonden pulsen som följer på en lägre bias.
Metoder som beskrivs i denna uppsats kommer att gynna dem som vill karakterisera dynamics som inträffar på en millisekund att nanosekund tidsskalan med STM. Medan dessa tekniker inte är begränsade till att studera kostnad dynamics, är det avgörande att dynamiken manifesteras via övergående förändringar i konduktans i stater som kan bli utforskad av STM (dvs staterna på eller nära ytan). Om Konduktans övergående staternas inte skiljer sig avsevärt från den jämvikt staten, sådan att skillnaden mellan övergående och jämvikt strömmarna multiplicerat med är sonden puls intermittensen mindre än system buller golvet (vanligtvis 1 pA), signalen försvinner i bruset och kan inte upptäckas av denna teknik. Eftersom de experimentella ändringarna av kommersiellt tillgängliga STM-system som krävs för att utföra de metoder som beskrivs i detta dokument är blygsam, förväntas det att dessa tekniker blir allmänt tillgängliga för gemenskapen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Varianten av TR-STS som pumpen pulsen inte tillämpas är jämförbar med konventionella STS, förutom att systemet som samplas med hög frekvens i stället för kontinuerligt. Om varaktigheten för sonden pulserna är lämpliga (>ΓLH), TR-STS signal förvärvade utan pump pulsen kan multipliceras med en konstant som är proportionell mot experimentets intermittens att sammanfalla exakt med en konventionell STS mätning. Detta är endast möjligt eftersom mätningarna utförs utan användning av en i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka Martin Cloutier och Mark Salomons för sin tekniska expertis. Vi tackar också NRC, NSERC och AITF för ekonomiskt stöd.
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 |
References
- Nunes, G., Freeman, M. R. . Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), 1029-1032 (1993).
- Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution. Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kloth, P., Wenderoth, M. From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics. Science Ad. 3, (2017).
- Cocker, T. L., et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).
- 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).
- Jelic, V., et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).
- 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).
- 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).
- Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science. 335 (6065), (2012).
- 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).
- 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).
- Rashidi, M., et al. Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale. Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805 (2016).
- Rashidi, M., et al. Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon. Nat. Comm. 7, 13258 (2016).
- Koenraad, P. M., Flatté, M. E. Single dopants in semiconductors. Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).
- Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).
- Freer, S., et al. A single-atom quantum memory in silicon. Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).
- Fuechsle, M., et al. A single-atom transistor. Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).
- 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).
- Livadaru, L., et al. Dangling-bond charge qubit on a silicon surface. New J. Phys. 12 (8), 83018 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires. Nano Lett. 17, 322-327 (2017).
- 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).
- Schofield, S. R., et al. Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds. Nat. Comm. 4, 1649 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Boland, J. J. Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces. Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).
- Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen. J. Chem. Phys. 124, 204716 (2006).
- Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution. Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).
