JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

علينا أن نظهر أسلوب جميع إلكترونية لمراقبة ديناميات تهمة النانوسيكند وتصميما من ذرات يستعمل السيليكون مع مجهر مسح نفقي.

Abstract

تصغير أجهزة أشباه الموصلات لجداول حيث يمكن إعداد صغيرة من دوبانتس التحكم في خصائص الجهاز يتطلب تطوير تقنيات جديدة قادرة على وصف ديناميتها. التحقيق في دوبانتس واحد يتطلب القرار المكانية نانومتر الفرعية، مما يحفز استخدام الفحص المجهري نفق (الموحدة). تحقيق الاستقرار والانتساب التقليدية غير محدودة للأزمنة ميلي ثانية. وقد وضعت عدة طرق للتغلب على هذا القصور، بما في ذلك جميع الإلكترونية الموحدة حل الوقت، الذي يستخدم في هذه الدراسة إلى دراسة ديناميات يستعمل السيليكون مع القرار النانوسيكند. الأساليب المقدمة هنا متاحة على نطاق واسع، وتسمح بقياس المحلية من مجموعة متنوعة واسعة من القوى المحركة في المقياس الذري. رواية الزمن--حل المسح النفقي تقنية التحليل الطيفي المقدمة واستخدامها بكفاءة البحث عن ديناميات.

Introduction

المسح النفقي مجهرية (STM) أصبح أداة رئيس الوزراء في الحفز لقدرته على حل المقياس الذري التضاريس وبنية إلكترونية. واحد الحد من تحقيق الاستقرار والانتساب التقليدية، غير أن قرارها الزماني مقيد إلى مقياس ميلي ثانية واحدة بسبب محدودية عرض النطاق الترددي المضخم الحالي1. منذ أمد بعيد هدف تمديد القرار الزماني لتحقيق الاستقرار والانتساب إلى المقاييس التي تحدث بها عمليات الذري عادة. رائدة العمل الوقت--حل الفحص المجهري نفق (TR-تحقيق الاستقرار والانتساب) قبل فريمان et al. 1 تستخدم رموز التبديل المكبسلة وخطوط نقل الشريط منقوشة على العينة إرسال نبضات الجهد بيكوسيكوند إلى مفترق نفق. قد استخدمت هذا الأسلوب خلط مفرق لتحقيق قرارات متزامنة من 1 نانومتر و 20 ps2، ولكن قد ابدأ اعتمدت على نطاق واسع نظراً لاشتراط استخدام الهياكل المتخصصة عينة. لحسن الحظ، يمكن أن يعمم البصيرة الأساسية المكتسبة من هذه الأشغال إلى العديد من تقنيات حل الوقت؛ على الرغم من عرض النطاق الترددي للدوائر تحقيق الاستقرار والانتساب ليقتصر على عدة كيلوهرتز، تسمح الاستجابة I(V) غير الخطية في تحقيق الاستقرار والانتساب ديناميات أسرع يكون سبر بقياس متوسط النفق الحالي تم الحصول عليها عبر العديد من دورات المضخة-التحقيق. في السنوات الفاصلة، تم استكشاف العديد من النهج، واستعرض الأكثر شعبية التي هي بإيجاز أدناه.

هزت-نبض-زوج-متحمس الموحدة (سبكس) يستفيد من التطورات في تكنولوجيات الليزر النبضي فائق السرعة لتحقيق القرار picosecond الفرعية بإضاءة مباشرة تقاطع نفق ومثيرة الناقلين في عينة3. ضوء الليزر حادث يخلق ناقلات الحرة التي تعزز عابر التوصيل، والتحوير للتأخير بين المضخة والتحقيق (تيد) يسمح دأنا/dتيد تقاس بقفل في مكبر الصوت. لأن التأخير بين المضخة والتحقيق وهو التضمين بدلاً من كثافة الليزر، كما هو الحال في العديد من النهج البصرية الأخرى، يتجنب سبكس-تحقيق الاستقرار والانتساب صور المستحثة بالإضاءة التمدد الحراري ل تلميح3. ملحقات أكثر حداثة لهذا النهج قد مددت الجداول الزمنية التي يمكن استخدام سبكس-تحقيق الاستقرار والانتساب للتحقيق ديناميكية باستخدام تقنيات النبض-الانتقاء لزيادة نطاق التحقيق مضخة التأخير مرات4. الأهم من ذلك، يوفر هذا التطور الأخير أيضا القدرة على قياس منحنيات أنا(تيد) مباشرة وليس عن طريق التكامل العددي. وشملت التطبيقات الحديثة لتحقيق الاستقرار والانتساب-سبكس دراسة جزئ الناقل في واحد-(مينيسوتا، Fe)/GaAs(110) هياكل ديناميات GaAs65 والجهات المانحة. التطبيقات لتحقيق الاستقرار والانتساب-سبكس تواجه بعض القيود. إشارة تدابير تحقيق الاستقرار والانتساب-سبكس يعتمد على ناقلات الحرة متحمس بالنبضات الضوئية وهو الأنسب لأشباه الموصلات. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن الإنفاق الحالي مترجمة إلى الحافة، نظراً لأن منطقة كبيرة هو متحمس بالنبضات الضوئية، هو الإشارة الالتواء من الخصائص المحلية ونقل المواد. أخيرا، تم إصلاح التحيز عند التقاطع في مقياس القياس حيث أن ديناميات قيد الدراسة يجب أن تكون فوتويندوسيد.

تقنية بصرية أكثر حداثة، تيراهيرتز تحقيق الاستقرار والانتساب (تهز-الموحدة)، الأزواج البقول تهز الفضاء الحر وركزت على مفترق الطرق إلى تحقيق الاستقرار والانتساب. خلافا في سبكس-تحقيق الاستقرار والانتساب، تتصرف البقول يزوج كنبضات الجهد بسرعة مما يسمح لتحقيق الجسيمات إلكترونيا مدفوعة ب قرار picosecond الفرعية7. من المثير للاهتمام، الحالي تصحح ولدت من البقول تهز النتائج في الذروة القصوى الحالية الكثافة لا يمكن الوصول إليها بتحقيق الاستقرار والانتساب التقليدية8،9. وقد استخدمت التقنية مؤخرا دراسة الإلكترونات الساخنة في Si(111)-(7x7)9 والصورة اهتزاز جزيء واحد بينتاسيني10. البقول تهز زوجين بطبيعة الحال إلى الحافة، بيد ضرورة إدماج مصدر تهز لتجربة تحقيق الاستقرار والانتساب المحتمل أن يكون تحديا للعديد من المجربون. وهذا يحفز تطوير تقنيات أخرى للتطبيق على نطاق واسع وقابلة للتطبيق بسهولة.

في عام 2010، لوث et al. 11 تطوير أسلوب جميع إلكترونية حيث ضخ النانوسيكند نبضات الجهد المطبق على رأس إزاحة DC إلكترونيا والتحقيق أن النظام11. الأخذ بهذا الأسلوب عرضت مظاهرة حرجة تطبيقات واضحة وعملية لحل وقت تحقيق الاستقرار والانتساب لقياس الفيزياء مخفي مسبقاً. على الرغم من أنها ليست أسرع مفرق خلط تحقيق الاستقرار والانتساب، التي سبقته، تطبيق نبضات الموجات الدقيقة لنصيحة STM تصاريح عينات عشوائية التحقيق. هذا الأسلوب لا يتطلب أي منهجيات بصرية معقدة أو الضوئية الوصول إلى مفترق طرق تحقيق الاستقرار والانتساب. وهذا يجعل من أسلوب أسهل للتكيف مع انخفاض درجة الحرارة STMs. وطبقت الدراسة تدور-الديناميات التي استخدمت فيها STM تدور الاستقطاب لقياس ديناميات الاسترخاء تدور-الدول متحمس ب نبضات المضخة11المظاهرة الأولى من هذه التقنيات. حتى وقت قريب، تطبيقها، ظلت محدودة للمغناطيسية أداتوم نظم12،،من1314 ولكن لديه منذ تم تمديد الدراسة معدل الالتقاط الناقل من فجوة منتصف منفصلة الدولة15 وتهمة ديناميات من الزرنيخ واحد دوبانتس في15،السليكون16. الدراسة الأخيرة هو أن التركيز في هذا العمل.

دراسات عن خصائص دوبانتس واحد في أشباه الموصلات مؤخرا قد اجتذبت اهتماما كبيرا لأكسيد معدني متمم (CMOS) الأجهزة الآن بإدخال النظام حيث دوبانتس واحد يمكن أن تؤثر على خصائص الجهاز17 . وبالإضافة إلى ذلك، أثبتت دراسات عديدة أن دوبانتس واحد يمكن أن تخدم كمكون أساسي للأجهزة المستقبلية، على سبيل المثال المكدسة ل حساب الكم18 والكم الذاكرة19، ذرة واحدة ترانزستور20 , 15-أجهزة المستقبل قد تتضمن أيضا غيرها من العيوب الحجم الذري، مثل السيليكون التعلق بوند (DB) التي يمكن تكييفها مع الدقة الذرية مع تحقيق الاستقرار والانتساب الطباعة الحجرية21. وتحقيقا لهذه الغاية، قد اقترحت كتهمة المكدسة22، نقاط الكم الكم الآلات الخلوية أبنية23،24، و25،أسلاك الذري26 DBs وقد تم نقش لإنشاء بوابات الكم منطق هاملتون27 و28،الجزيئات الاصطناعية29. التحرك إلى الأمام، قد تتضمن أجهزة دوبانتس واحدة و DBs. وهذا استراتيجية جذابة سبب DBs العيوب السطحية التي يمكن بسهولة وتتميز بتحقيق الاستقرار والانتساب ويستخدم كمؤشر لتوصيف الأجهزة يستعمل واحدة. كمثال على هذه الاستراتيجية، تستخدم DBs في هذا العمل كأجهزة استشعار المسؤول للاستدلال ديناميات مشحون دوبانتس القريبة من السطح. هذه الديناميات التي تم التقاطها باستخدام نهج كل الإلكترونية TR-تحقيق الاستقرار والانتساب التي مقتبسة من التقنيات التي طورتها لوث et al. 11

وتجري القياسات على DBs المحدد على سطح Si(100)-(2x1) هيدروجين إنهاؤها. يستعمل استنفاد منطقة تمتد حوالي 60 نيوتن متر تحت سطح الأرض، التي تم إنشاؤها عن طريق المعالجة الحرارية ل الكريستال30، decouples الديسيبل ودوبانتس القريبة من السطح المتبقية القليلة من العصابات الأكبر. وقد وجدت الدراسات الموحدة من DBs أن بهم الموصلية يعتمد على معلمات عينة عالمية، مثل تركيز دوبانتس ودرجة الحرارة، ولكن DBs الفردية كما تظهر اختلافات قوية اعتماداً على البيئة المحلية16. خلال مقياس تحقيق الاستقرار والانتساب على ديسيبل واحد، يخضع تدفق التيار المعدل الذي يمكن نفق الإلكترونات من الجزء الأكبر إلى DB (الجزء الأكبرمنΓ) ومن DB إلى نصيحة (نصيحةمنΓ) (الشكل 1). بيد لتوصيل الديسيبل حساس لبيئتها المحلية، يؤثر حالة تهمة دوبانتس القريبة Γالأكبر (الشكل 1B)، الذي يمكن أن يستدل برصد الموصلية DB. نتيجة لذلك الموصلية من الديسيبل يمكن استخدامها لشعور دول تهمة دوبانتس القريبة، ويمكن استخدامها لتحديد المعدلات التي يتم دوبانتس تزويد الإلكترونات من الجزء الأكبر (ΓLH) وتفقد لهم على طرف تحقيق الاستقرار والانتساب (ΓHL < /c13 >). لحل هذه الديناميات، يتم تنفيذ TR-STS حول عتبة الفولتية (Vthr) الذي يدفع نصيحة تاين دوبانتس القريبة من السطح. دور نبضات المضخة والتحقيق هو نفسه في وقت حل تجريبي التقنيات الثلاثة المعروضة هنا. المضخة عابر يجلب مستوى التحيز من أدناه أعلاه الخامسthr، الذي يدفع التأين يستعمل. وهذا يزيد من الموصلية الديسيبل، الذي هو أخذ عينات من نبض المسبار الذي يتبع في وجود تحيز أقل.

التقنيات الموضحة في هذه الورقة سوف يستفيد أولئك الذين يرغبون في توصيف الديناميات التي تحدث في ميلي ثانية إلى مقياس الوقت النانوسيكند مع تحقيق الاستقرار والانتساب. في حين أن هذه التقنيات لا تقتصر على دراسة ديناميات التهمة، من الأهمية بمكان أن الديناميات تتجلى عبر تغيرات عابرة في الموصلية الدول التي يمكن سبر بتحقيق الاستقرار والانتساب (أي الدول أو بالقرب من السطح). إذا الموصلية عابرة الدول لا تختلف كثيرا عن حالة التوازن، حيث أن الفرق بين تيارات عابرة والتوازن مضروبة في دورة واجب نبض المسبار أصغر من الكلمة الضجيج نظم (عادة السلطة الفلسطينية 1)، الإشارة سوف تضيع في الضوضاء، وسوف لا يمكن كشفها بواسطة هذا الأسلوب. نظراً للتعديلات التجريبية المتاحة تجارياً النظم الموحدة المطلوبة لتنفيذ التقنيات الموضحة في هذه الورقة المتواضعة، فمن المتوقع وسوف تكون هذه التقنيات متاحة على نطاق واسع المجتمع.

Protocol

1-الإعداد الأولى من تجارب والمجهر

  1. البدء مع أولتراهيغ فراغ المبردة قادرة على تحقيق الاستقرار والانتساب وبرنامج حاسوبي لمراقبة الأفراد المرتبطين بها. بارد في تحقيق الاستقرار والانتساب إلى درجات حرارة المبردة.
    ملاحظة: في جميع أجزاء هذا التقرير، أولتراهيغ الفراغ يشير إلى النظم التي تحقق < 10 × 10-10 ميلليمتر زئبق. ينبغي تبريده في تحقيق الاستقرار والانتساب إلى درجات حرارة التبريد؛ وهذا مهم بشكل خاص عند التحقيق في ديناميات تهمة دوبانتس، الذي يتم تنشيط حرارياً في درجات حرارة متواضعة. قد تكون الدوائر الأخرى في درجة حرارة الغرفة.
  2. التأكد من أن تلميح STM مجهز بالأسلاك عالية التردد (~ 500 ميجاهرتز).
    ملاحظة: باستخدام النبض تشكيل الأساليب، زيادة كبيرة في وقت استجابة تحقيق الاستقرار والانتساب مع معيار درجة الحرارة المبردة الأسلاك المحورية (~ 20 ميغاهرتز) أبلغ غروس et al. 31
  3. قم بتوصيل مولد دالة تعسفي مع قنوات اثنين على الأقل لنصيحة (الشكل 2)، التي سوف تستخدم لإعداد دورات أزواج نبض الجهد المستخدمة لإجراء التجارب على مضخة-التحقيق.
  4. تكوين مولد دالة التعسفي حيث تكون نبضات الجهد مضخة والتحقيق التي تم إنشاؤها بشكل مستقل وقد لخص قبل تم تغذية الحافة.
  5. تطبيق الجهد التحيز DC المستخدمة للتقليدية والتصوير الطيفي للعينة (VDC).
  6. قم بتوصيل التبديل الترددات الراديوية بين قنوات الإنتاج على مولد الدالة التعسفي.
  7. تكوين المفاتيح بحيث سوف ترتكز التلميح أثناء تحقيق الاستقرار والانتساب التقليدية والتصوير الطيفي، وهو تحيز فعالة VDC + Vتلميح أثناء التحقيق مضخة تجارب (الشكل 4 أ).
  8. جمع النفق الحالي لكافة القياسات عن طريق المضخم متصل بالعينة.

2-التحضير لإعادة إعمار H-Si(100)-(2x1)

  1. تنشق عينة من رقاقة Si(100) ن نوع الزرنيخ يخدر mΩ·cm 3-4 بخدش الجزء الخلفي من يفر مع خطاط كربيد السليكون والعض بلطف العينة قبالة يفر مع شرائح المجهر الزجاج.
  2. إلصاق العينة لحائز عينة تحقيق الاستقرار والانتساب وتدرجه إلى فراغ أولتراهيغ غرفة مجاورة لغرفة تحقيق الاستقرار والانتساب.
  3. ديغا العينة بالتدفئة من ريسيستيفيلي إلى 600 درجة مئوية (البيرومتر يمكن استخدامها لرصد درجة حرارة العينة) وعقد أن درجة حرارة على الأقل 6 ح في فراغ أولتراهيغ.
    ملاحظة: في البداية سوف يرتفع الضغط بعينه وعينه حامل ديغا، ولكن ينبغي أن تستقر قرب ضغط قاعدة (< 10-10 ميلليمتر زئبق) بعد عدة ساعات.
  4. تسمح العينة لتبرد لدرجة حرارة الغرفة قبل المتابعة.
  5. ديغا خيوط تنغستن في الدائرة نفسها كالنموذج ريسيستيفيلي تدفئة خيوط إلى 1800 درجة مئوية وفي انتظار النظام لاسترداد لضغط قاعدة. إيقاف الشعيرة قبل المتابعة.
    ملاحظة: العينة يمكن أن تبقى في الدائرة أثناء هذه الخطوة نظراً لأنه هو تخمل بطبقة أكسيد الأصلي على سطحه، وستتم إزالة أي تلوث لسطح العينة بسبب من هذه الخطوة في وقت لاحق. درجة الحرارة خيوط سيتعين على معايرة إلى محددة الحالية/جهد المطبقة على خيوط استخدام البيرومتر.
  6. إزالة أكسيد من سطح العينة بوميض العينة إلى 900 درجة مئوية، وعقد في ذلك درجة الحرارة لمدة 10 ق قبل التبريد أن درجة حرارة الغرفة. سيزيد الضغط عدة أوامر من ضخامة من ضغط قاعدة أثناء الإجراء وامض. بعد كل من ومضات وجدت في جميع أنحاء هذا الإجراء، الانتظار للحصول على نموذج لتبرد بدرجة حرارة الغرفة ونظام لاسترداد لضغط قاعدة قبل المتابعة.
    ملاحظة: يتم تعريف وامض ضمن هذا التقرير كالتدفئة والتبريد العينة مع معدلات عالية من منحدر، يقارب 100 ° C/s.
  7. فلاش العينة لارتفاع درجات الحرارة تدريجيا أثناء محاولة الوصول إلى فلاش نهائي 1250 درجة مئوية. إحباط أي فلاش حيث يرتفع الضغط فوق 9 × 10-10 ميلليمتر زئبق للحيلولة دون الحصول على تلوث سطح العينة. سجل الجهد/الحالية المستخدمة لتحقيق درجة 1250 ج فلاش (سيمنع الضوء نظراً بخيوط ساخنة في الخطوة 2، 6 البيرومتر من إعطاء قراءة دقيقة لدرجة حرارة العينة، وهكذا ينبغي أن تستخدم هذه setpoint). على فلاش النهائي، تحديد الجهد/التيار المطلوب لتسخين العينة إلى 330 درجة مئوية حيث يتم تبريد الكريستال، ثم السماح العينة تبرد لدرجة حرارة الغرفة، والسماح للنظام باستعادة لضغط قاعدة قبل المتابعة.
  8. تسرب غاز2 ح في الدائرة عند ضغط 1 × 10-6 عربة والحرارة خيوط التنغستن إلى 1800 درجة مئوية.
    ملاحظة: وهذا له التأثير لتكسير ح2 إلى الهيدروجين أدلر32.
  9. عقد العينة في هذه الظروف لمدة 2 دقيقة قبل تومض عينة إلى 1250 درجة مئوية، القابضة أن درجة حرارة 5 s، والتبريد إلى 330 درجة مئوية.
  10. بعد 1 دقيقة من التعرض في 330 درجة مئوية، في الوقت نفسه إغلاق صمام تسرب2 ح وإيقاف خيوط التنغستن، والسماح لتبرد عينة لدرجة حرارة الغرفة.
    ملاحظة: يؤثر هذه ارتفاع درجات الحرارة فلاش توزيع دوبانتس في العينة. تم العثور على التدفئة إلى 1250 درجة مئوية للحث على منطقة نضوب يستعمل نانومتر ~ 60 قرب سطح العينة30.
  11. التحقق من جودة العينة بأخذ صور تحقيق الاستقرار والانتساب للسطح.
    ملاحظة: سيكون عينات جيدة كبيرة (> 30 نانومتر x 30 nm) المصاطب بمعدل عيب < 1% (التعلق السندات، الجزيئات الممتزة، أداتومس، إلخ) وسوف تثبت الكلاسيكية Si(100)-(2x1) إعادة الإعمار32، الذي يتميز بصفوف ديمر تشغيل أنتيباراليل مع بعضها البعض عبر حواف خطوة (الشكل 3B).

3-تقييم نوعية نبضات المضخة-التحقيق عند تقاطع نفق

  1. نهج نصيحة تحقيق الاستقرار والانتساب لسطح العينة بإشراك وحدة التحكم الملاحظات الحالية مع setpoint الحالية للسلطة الفلسطينية 50 وتحيز عينة من-1.8 V.
    ملاحظة: في ظل هذه الظروف، يقدر التلميح بأنه < 1 نيوتن متر من سطح العينة. نصيحة الموحدة المستخدمة في هذا العمل أنتجت كيميائيا النقش التنغستن الكريستالات. قد شحذ المزيد باستخدام النتروجين النقش الداخلي، الذي وصفاً جيدا في رزق et al. 33.
  2. ابحث عن منطقة على سطح العينة خالية من العيوب السطحية الكبيرة بأخذ بمسح مساحة كبيرة (مثلاً 50 نانومتر نانومتر x 50).
  3. تلميح الموقف تحقيق الاستقرار والانتساب عبر ح سي على السطح، والتي تظهر كصفوف ديمر في تحقيق الاستقرار والانتساب الصور (الشكل 3B).
  4. إيقاف تشغيل وحدة تحكم الملاحظات الحالية
  5. تعيين VDC إلى-1، 0 الخامس، و الخامسمضخة إلى-0.5 V، الخامسالمسبار إلى-0.5 V، عرض نبضات المضخة والتحقيق إلى 200 ns، ووقت الارتفاع/الانخفاض من البقول إلى 2.5 ns (الشكل 4 أ).
  6. إرسال مجموعة من القطارات من نبضات المضخة والتحقيق التي اجتاحت فيها التأخر النسبي للمضخة والتحقيق هو من-900 ns إلى 900 ns.
  7. ارسم نفق الحالية كدالة للتأخير بين المضخة والتحقيق. المرجح أن شرح قوية مدوية (التذبذبات في نفق الحالية كدالة للتأخر النسبي بين نبضات المضخة والتحقيق، الشكل 4B).
    ملاحظة: استخدمت برمجيات بايثون والمنشأ للأرض وتحليل وتقييم البيانات التي تم جمعها لهذه المخطوطة.
  8. كرر الخطوات 3.1 – 3.5، ولكن زيادة أوقات الارتفاع/الانخفاض البقول. رنين ستنخفض كما زادت مرات الزيادة/الانخفاض.
    ملاحظة: فإنه قد المطلوب للقضاء على رنين لتوفير أدق النتائج الطيفية، الوقت الحل لهذه التقنيات غير محدودة لعرض النبضات المستخدمة. 25 ns الارتفاع مرة استخدمت لهذا العمل.

4-الوقت-حل المسح النفقي التحليل الطيفي (TR-STS)

  1. أكثر من سيليكون DB، من طرف الموقف تحقيق الاستقرار والانتساب التي تظهر كنتوءات مشرقة في عينة تلميح التحيزات السلبية (الشكل 3B).
  2. إيقاف تشغيل وحدة التحكم الملاحظات الحالية في تحقيق الاستقرار والانتساب.
  3. إرسال قطار تتألف من نبض التحقيق فقط مع معدل تكرار 25 كيلوهرتز. عبر سلسلة من القطارات النبض، اكتساح تحيز نبض التحقيق أكثر من مجموعة من 500 أم من تحيز DC-1.8 V.
    ملاحظة: هذه التجربة البسيطة يماثل STS التقليدية حيث هو أخذ عينات الموصلية أكثر من مجموعة من التحيز.
    1. قم بتكوين مدة القطارات النبض (كل منها مع وجود تحيز مختلفة) مثل الأطياف الناتجة تكون إشارة إلى نسبة الضوضاء > 10.
  4. إرسال قطار تتألف من البقول مضخة في وجود تحيز ثابتة (مثل أن VDC + Vمضخة > Vthr) مع معدل تكرار 25 كيلوهرتز. في هذه التجارب، تعيين VDC، و الخامسمضخة، و الخامسالثريونين إلى-1.8 V، 500 أم و-2.0 الخامس، على التوالي.
    ملاحظة: يمكن أن يكون نبضات المضخة مدد طويلة تعسفاً (المايكروثانيه 1 غير كافية عادة).
  5. إرسال قطار تتألف من البقول مضخة مع البقول مسبار متبوعاً بتأخير 10 نانو ثانية. في هذه التجارب، تعيين السعة لنبض مضخة ك 500 أم من الاجتياح مسبار ذبذبة من 50 إلى 500، وأم.
    ملاحظة: على في هذه التجربة، يتم أخذ العينات نبض مجس الدولة أعدته نبض مضخة، بدلاً من حالة التوازن عينات في STS التقليدية.
    1. طرح الإشارات التي تم الحصول عليها عند تطبيق نبض مضخة فقط عند عرض تقييم الإشارات التي تم جمعها من هذه الخطوة.
  6. مقارنة التحقيق فقط، والمضخة + التحقيق إشارات بالتآمر عليها في نفس الرسم البياني. أي التباطؤ في إشارات اثنين يعتبر مؤشرا للديناميات التي يمكن بحث مع الوقت تحل تقنيات تحقيق الاستقرار والانتساب.
    ملاحظة: الاحتفاظ بنطاق التحقيق نبض ثابتة والمسح خشونة وحدة تحكم المجال DC كفاءة يمكن تعيين واحد الإزاحة (في 0.25 V الخطوات، على سبيل المثال)، نطاق الطاقة بأكمله من العينة للتعرف على ديناميات الوصول إلى التقنية. يمكن تعديل المدد نبض اعتماداً على التجربة. عرض النبض المضخة يجب أن يكون أطول من المعدل الذي هو المتأين يستعمل، بأنه إيونيزيس دائماً يستعمل. وبصفة عامة، ينبغي أن تكون فترات التحقيق بنفس ترتيب هذه العملية الديناميكية قيد الدراسة، مثل أنه يمكن قياس إشارة الحد الأقصى دون أخذ العينات في متوسط الدول الموصلية اثنين. عند البحث عن الطاقات في الديناميات التي توجد، من المستحسن أن يتم تصغير المدد الزمنية للتحقيق أن يقاس دولة واحدة فقط من هذا النظام لتعزيز التباطؤ. كما تم العثور على الثوابت وقت الاسترخاء، يمكن زيادة مدة نبض مسبار لتحسين إشارة إلى نسبة الضوضاء.

5-القياسات الموحدة الوقت--حل لديناميات الاسترخاء

  1. ضع طرف STM سليكون DB وإيقاف تشغيل وحدة التحكم الملاحظات الحالية في تحقيق الاستقرار والانتساب.
  2. إرسال قطار تتألف من البقول مضخة في وجود تحيز ثابتة (مثل أن VDC + Vمضخة > Vthr) مع معدل تكرار 25 كيلوهرتز. في هذه التجارب، تعيين VDC، و الخامسمضخة، و الخامسالثريونين إلى-1.8 V، 400 أم و-2.0 الخامس، على التوالي.
    ملاحظة: يمكن أن يكون نبضات المضخة مدد طويلة تعسفاً (المايكروثانيه 1 غير كافية عادة).
  3. إرسال قطار نبضات المضخة والتحقيق. ضمان أن البقول المسبار سعة أصغر من المضخات، وقابلة للمقارنة على النطاق في التباطؤ الذي يحدث (Vمسبار < الخامسمضخة، و الخامسمسبار + VDC≈ Vهيستيرسيس).
  4. اكتساح التأخير بين نبض مضخة والتحقيق تصل إلى عدة عشرات من المايكروثانيه.
  5. طرح الإشارات التي تم الحصول عليها عندما كان يطبق فقط نبض مضخة. في هذه التجارب، تعيين VDC، و الخامسمضخة، والخامسالمسبار إلى-1.8 V، 400 mV و 210 mV، على التوالي. تعيين اكتساح التأخر النسبي من ميكروثانية-5 إلى 35 ميكروثانية.
    ملاحظة: إذا كانت الإشارات التي تم الحصول عليها من الخطوة السابقة تناسب جيدا (ص2 > 0.80) بوظيفة واحدة تحلل أسي، ثم عمر الدولة عابرة أعدتها نبض مضخة يمكن أن تستخلص من الاحتواء.

6-القياسات الموحدة الوقت--حل لديناميات الإثارة

  1. إرسال قطار تتألف من البقول مضخة في وجود تحيز ثابتة (مثل أن أكبر من VDC + Vمضخة > Vthr) مع معدل تكرار 25 كيلوهرتز. في هذه التجارب، تعيين VDC و الخامسthr -1.8 V و-2.0 الخامس، على التوالي. تعيين الخامسمضخة بين 220 و 450 بالسيارات.
  2. اكتساح مدة نبض مضخة من عدة نانو ثانية لعدة مئات من نانو ثانية.
  3. إرسال قطار نبضات المضخة والتحقيق. البقول التحقيق ينبغي أن يكون سعة أصغر من المضخات وقابلة للمقارنة على النطاق في التباطؤ الذي يحدث (Vمسبار < الخامسمضخة، و الخامسمسبار + VDC≈الخامس هيستيرسيس). في هذه التجارب، تعيين الخامسالمسبار إلى 210 mV.
  4. طرح إشارة الحصول عليها عند تطبيق فقط نبض التحقيق.
    ملاحظة: إذا كانت الإشارات التي تم الحصول عليها من الأسى، تشير إلى أن نبض مضخة تستعد الدولة عابرة (يستعمل المتأينة) بمعدل يمكن استخلاصها من الملاءمة (ص2> 0.80). البروتوكول المذكورة أعلاه خاصة بالتجارب والمعدات المبينة في هذا التقرير. هناك العديد من السبل المحتملة للقراء لتخصيص الإعداد التجريبية الخاصة بهم للدراسات المتعلقة بالنظم الأخرى. على سبيل المثال، تقنيات عامة لا تقتصر على جثمان تبريد STMs؛ يمكن استخدام أي مادة تلميح، وأنها لا تحتاج إلى النيتروجين النقش. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام مولد دالة تعسفي مبرمجة تأهيلاً مناسباً لتوليد مزدوج--نبض الطول الموجي، الذي سوف تلغي الحاجة إلى جمع قناتين مستقلة. أخيرا، يمكن أن يكون أقل عرض النطاق الترددي الكابلات المستخدمة31.

النتائج

النتائج المعروضة في هذا القسم من النص قد تم نشرها مسبقاً15،16. يوضح الشكل 3 سلوك على سبيل المثال تحديد DB مع تحقيق الاستقرار والانتساب التقليدية. قياس I(V) تقليدية (الشكل 3A) وضوح يصور تغيير حاد في الموصلية ديسيبل ...

Discussion

البديل من TR-STS التي لا يتم تطبيق نبضة المضخة يماثل STS التقليدية، إلا أن هذا النظام هو يتم أخذ عينات بتردد عالية بدلاً من باستمرار. إذا كانت مدد البقول التحقيق المناسبة (>ΓLH)، TR-STS إشارة المكتسبة دون نبض مضخة يمكن أن يكون مضروباً ثابت يتناسب مع دورة العمل هذه التجربة تتطابق تماما مع S...

Disclosures

الكتاب يعلن أن لديهم لا تضارب المصالح المالية.

Acknowledgements

نود أن نشكر مارتن كلوتير ومارك سلومونس لخبرتهم التقنية. كما نشكر مجلس اللاجئين النرويجي، والأموال، وأيتف على الدعم المالي.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Low Temperature Scanning Tunneling MicroscopeScientaomicronCustom-made with 500MHz bandwidth wiring
Arbitarary Function GenoratorTektronixAFG3252C
RF Power Splitter/ CombinerMini-CircuitsZFRSC-42-S +
RF SwitchMini-CircuitsX80-DR230-S +
Non-Contact Infrared PyrometersMicron InfraredMI 140

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)-(2x1) 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

131

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved