Name: all-electronic nanosecond-resolved scanning tunneling microscopy: facilitating the investigation of single dopant charge dynamics
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics at JoVE.com

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

<ol>
	<li>Nunes, G., Freeman, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), 1029-1032 (1993).</li><li>Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+scanning+tunneling+microscopy+with+1+nm+resolution.">Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution.</a> Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).</li><li>Takeuchi, O., Morita, R., Yamashita, M., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+time-resolved+scanning+tunneling+microscopy+in+femtosecond+range.">Development of time-resolved scanning tunneling microscopy in femtosecond range.</a> Jpn. J. Appl. Phys. 41 (7 B), 4994-4997 (2002).</li><li>Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-space+imaging+of+transient+carrier+dynamics+by+nanoscale+pump-probe+microscopy.">Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy.</a> Nat. Photon. 4 (12), 869-874 (2010).</li><li>Yoshida, S., Yokota, M., Takeuchi, O., Oigawa, H., Mera, Y., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-atomic-level+probe+of+transient+carrier+dynamics+by+laser-combined+scanning+tunneling+microscopy.">Single-atomic-level probe of transient carrier dynamics by laser-combined scanning tunneling microscopy.</a> Appl. Phys. Express. 6 (3), (2013).</li><li>Kloth, P., Wenderoth, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+time-resolved+atomic-scale+imaging+of+individual+donors+to+their+cooperative+dynamics.">From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics.</a> Science Ad. 3, (2017).</li><li>Cocker, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+ultrafast+terahertz+scanning+tunnelling+microscope.">An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope.</a> Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).</li><li>Yoshioka, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-space+coherent+manipulation+of+electrons+in+a+single+tunnel+junction+by+single-cycle+terahertz+electric+fields.">Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz electric fields.</a> Nat. Photon. 10 (12), 762-765 (2016).</li><li>Jelic, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+terahertz+control+of+extreme+tunnel+currents+through+single+atoms+on+a+silicon+surface.">Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface.</a> Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).</li><li>Cocker, T. L., Peller, D., Yu, P., Repp, J., Huber, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tracking+the+ultrafast+motion+of+a+single+molecule+by+femtosecond+orbital+imaging.">Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging.</a> Nature. 539 (7628), 263-267 (2016).</li><li>Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+Fast+Electron+Spin+Relaxation+Times+with+Atomic+Resolution.">Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution.</a> Science. 329 (5999), 1628-1630 (2010).</li><li>Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bistability+in+Atomic-Scale+Antiferromagnets.">Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets.</a> Science. 335 (6065), (2012).</li><li>Baumann, S., Paul, W., Choi, T., Lutz, C. P., Ardavan, A., Heinrich, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+paramagnetic+resonance+of+individual+atoms+on+a+surface.">Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface.</a> Science. 350 (6259), 417-420 (2015).</li><li>Yan, S., Choi, D. -. J., Burgess, J. A. J., Rolf-Pissarczyk, S., Loth, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+quantum+magnets+by+atomic+exchange+bias.">Control of quantum magnets by atomic exchange bias.</a> Nat. Nano. 10 (1), 40-45 (2014).</li><li>Rashidi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-Resolved+Imaging+of+Negative+Differential+Resistance+on+the+Atomic+Scale.">Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale.</a> Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805 (2016).</li><li>Rashidi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+single+dopant+charge+dynamics+in+silicon.">Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon.</a> Nat. Comm. 7, 13258 (2016).</li><li>Koenraad, P. M., Flatt&#233;, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+dopants+in+semiconductors.">Single dopants in semiconductors.</a> Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).</li><li>Kane, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+silicon-based+nuclear+spin+quantum+computer.">A silicon-based nuclear spin quantum computer.</a> Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).</li><li>Freer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+single-atom+quantum+memory+in+silicon.">A single-atom quantum memory in silicon.</a> Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).</li><li>Fuechsle, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+single-atom+transistor.">A single-atom transistor.</a> Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. c., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+oxidation+of+H-passivated+Si(100)-2&#215;1+surfaces+with+an+ultrahigh+vacuum+scanning+tunneling+microscope.">Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2&#215;1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope.</a> Appl. Phys. Lett. 64 (118), 2010-2012 (1994).</li><li>Livadaru, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dangling-bond+charge+qubit+on+a+silicon+surface.">Dangling-bond charge qubit on a silicon surface.</a> New J. Phys. 12 (8), 83018 (2010).</li><li>Haider, M. B., Pitters, J. L., DiLabio, G. A., Livadaru, L., Mutus, J. Y., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Coupling+and+Occupation+of+Silicon+Atomic+Quantum+Dots+at+Room+Temperature.">Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature.</a> Phys. Rev. Lett. 102 (4), 46805 (2009).</li><li>Taucer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-Electron+Dynamics+of+an+Atomic+Silicon+Quantum+Dot+on+the+H+-+Si+(100)-(2x1)+Surface.">Single-Electron Dynamics of an Atomic Silicon Quantum Dot on the H - Si (100)-(2x1) Surface.</a> Phys. Rev. Lett. 112 (25), 256801 (2014).</li><li>Engelund, M., Papior, N., Brandimarte, P., Frederiksen, T., Garcia-Lekue, A., S&#225;nchez-Portal, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Search+for+a+Metallic+Dangling-Bond+Wire+on+n+-Doped+H-Passivated+Semiconductor+Surfaces.">Search for a Metallic Dangling-Bond Wire on n -Doped H-Passivated Semiconductor Surfaces.</a> J. Phys. Chem. C. 120 (36), 20303-20309 (2016).</li><li>Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+Transport+in+Gated+Dangling-Bond+Atomic+Wires.">Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires.</a> Nano Lett. 17, 322-327 (2017).</li><li>Kolmer, M., Zuzak, R., Dridi, G., Godlewski, S., Joachim, C., Szymonski, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+a+quantum+Hamiltonian+Boolean+logic+gate+on+the+Si(001):H+surface.">Realization of a quantum Hamiltonian Boolean logic gate on the Si(001):H surface.</a> Nanoscale. 7, 12325-12330 (2015).</li><li>Schofield, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+engineering+at+the+silicon+surface+using+dangling+bonds.">Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds.</a> Nat. Comm. 4, 1649 (2013).</li><li>Wood, J. A., Rashidi, M., Koleini, M., Pitters, J. L., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+Silicon+Atom+Artificial+Molecules.">Multiple Silicon Atom Artificial Molecules.</a> https://arxiv.org/abs/1607.06050. , (2016).</li><li>Pitters, J. L., Piva, P. G., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dopant+depletion+in+the+near+surface+region+of+thermally+prepared+silicon+(100)+in+UHV.">Dopant depletion in the near surface region of thermally prepared silicon (100) in UHV.</a> J. Vac. Sci. Technol. 30 (2), 21806 (2012).</li><li>Grosse, C., Etzkorn, M., Kuhnke, K., Loth, S., Kern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+mapping+of+fast+voltage+pulses+in+tunnel+junctions+by+plasmonic+luminescence.">Quantitative mapping of fast voltage pulses in tunnel junctions by plasmonic luminescence.</a> Appl. Phys. Lett. 103 (18), (2013).</li><li>Boland, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+tunnelling+microscopy+of+the+interaction+of+hydrogen+with+silicon+surfaces.">Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces.</a> Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).</li><li>Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tungsten+nanotip+fabrication+by+spatially+controlled+field-assisted+reaction+with+nitrogen.">Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen.</a> J. Chem. Phys. 124, 204716 (2006).</li><li>Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Versatile+scanning+tunneling+microscopy+with+120+ps+time+resolution.">Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).</li></ol>

الكتاب يعلن أن لديهم لا تضارب المصالح المالية.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Low Temperature Scanning Tunneling Microscope</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>Custom-made with 500MHz bandwidth wiring</td></tr><tr><td>Arbitarary Function Genorator</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>RF Power Splitter/ Combiner</td><td>Mini-Circuits</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr><tr><td>RF Switch</td><td>Mini-Circuits</td><td>X80-DR230-S +</td><td></td></tr><tr><td>Non-Contact Infrared Pyrometers</td><td>Micron Infrared</td><td>MI 140</td><td></td></tr></tbody></table>

all-electronic nanosecond-resolved scanning tunneling microscopy: facilitating the investigation of single dopant charge dynamics

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.

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 ...

Watch this Scientific Journal Video about All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics at JoVE.com

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

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

جميع الإلكترونية حل النانوسيكند المسح نفق مجهرية: تسهيل التحقيق في ديناميات تهمة يستعمل واحدة

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

all-electronic-nanosecond-resolved-scanning-tunneling-microscopy

Research

JoVE Journal

Engineering

9.5K Views.  University of Alberta. علينا أن نظهر أسلوب جميع إلكترونية لمراقبة ديناميات تهمة النانوسيكند وتصميما من ذرات يستعمل السيليكون مع مجهر مسح نفقي.

Video: All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

حصاد الطاقة الشمسية من وسائل البلورات النانوية المسؤول فصل المواد الصلبة وتلك

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

المسح مسبار واحدة الإلكترون الطيفي السعة

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees of freedom to control electronic devices. In particular, the behavior of graphene&#8217;s charge carriers in response to potentials from charged Coulomb impurities is predicted to differ significantly from that of most materials. Scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) can provide detailed information on both the spatial and energy dependence of graphene&#39;s electronic structure in the presence of a charged impurity.&#160;The design of a hybrid impurity-graphene device, fabricated using controlled deposition of impurities onto a back-gated graphene surface, has enabled several novel methods for controllably tuning graphene&#8217;s electronic properties.1-8 Electrostatic gating enables control of the charge carrier density in graphene and the ability to reversibly tune the charge2 and/or molecular5 states of an impurity. This paper outlines the process of fabricating a gate-tunable graphene device decorated with individual Coulomb impurities for combined STM/STS studies.2-5 These studies provide valuable insights into the underlying physics, as well as signposts for designing hybrid graphene devices.

This paper details the fabrication process of a gate-tunable graphene device, decorated with Coulomb impurities for scanning tunneling microscopy studies. Mapping the spatially dependent electronic structure of graphene in the presence of charged impurities unveils the unique behavior of its relativistic charge carriers in response to a local Coulomb potential.

تلفيق بوابة الانضباطي الجرافين أجهزة لمسح حفر نفق المجهر الدراسات مع كولوم الشوائب

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

السيليكون المعدنية أكسيد أشباه الموصلات الكم النقاط لالضخ وحيد الإلكترون

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

إعادة التركيب حيوية في الأغشية الرقيقة المواد الضوئية عن طريق وحلها الوقت ميكروويف التوصيل

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal structure and probing the hydrogen-bond (H-bond) dynamics of the water molecules adsorbed on solid surfaces are fundamental issues of water science, which remains a great challenge owing to the light mass and small size of hydrogen. Scanning tunneling microscopy (STM) is a promising tool for attacking these problems, thanks to its capabilities of sub-&#197;ngstr&#246;m spatial resolution, single-bond vibrational sensitivity, and atomic/molecular manipulation. The designed experimental system consists of a Cl-terminated tip and a sample fabricated by dosing water molecules in situ onto the Au(111)-supported NaCl(001) surfaces. The insulating NaCl films electronically decouple the water from the metal substrates, so the intrinsic frontier orbitals of water molecules are preserved. The Cl-tip facilitates the manipulation of the single water molecules, as well as gating the orbitals of water to the proximity of Fermi level (EF) via tip-water coupling. This paper outlines the detailed methods of submolecular resolution imaging, molecular/atomic manipulation, and single-bond vibrational spectroscopy of interfacial water. These studies open up a new route for investigating the H-bonded systems at the atomic scale.

Here, we present a protocol to investigate the structure and dynamics of interfacial water at the atomic scale, in terms of submolecular resolution imaging, molecular manipulation, and single-bond vibrational spectroscopy.

سبر بنية وديناميات مياه السطح البيني مع مسح نفق مجهر والتحليل الطيفي

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

Chemistry

Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational spectroscopy and time-resolved electron diffraction. Liquid crystal phase is an important state of matter that exists between the solid and liquid phases and it is common in natural systems as well as in organic electronics. Liquid crystals are orientationally ordered but loosely packed, and therefore, the internal conformations and alignments of the molecular components of LCs can be modified by external stimuli. Although advanced time-resolved diffraction techniques have revealed picosecond-scale molecular dynamics of single crystals and polycrystals, direct observations of packing structures and ultrafast dynamics of soft materials have been hampered by blurry diffraction patterns. Here, we report time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffractometry to acquire ultrafast snapshots of a columnar LC material bearing a photoactive core moiety. Differential-detection analyses of the combination of time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffraction are powerful tools for characterizing structures and photoinduced dynamics of soft materials.

Here, we present the protocols of differential-detection analyses of time-resolved infrared vibrational spectroscopy and electron diffraction which enable observations of the deformations of local structures around photoexcited molecules in a columnar liquid crystal, giving an atomic perspective on the relationship between the structure and the dynamics of this photoactive material.

تقنيات الرواية لمراقبة ديناميات الهيكلية من بلورات سائلة فوتوريسبونسيفي

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational ...

Quantitative Atomic-Site Analysis of Functional Dopants/Point Defects in Crystalline Materials by Electron-Channeling-Enhanced Microanalysis

A novel elemental and chemical analysis scheme based on electron-channeling phenomena in crystalline materials is introduced, where the incident high-energy electron beam is rocked with the submicrometric pivot point fixed on a specimen. This method enables us to quantitatively derive the site occupancies and site-dependent chemical information of impurities or intentionally doped functional elements in a specimen, using energy-dispersive X-ray spectroscopy and electron energy-loss spectroscopy attached to a scanning transmission electron microscope, which is of significant interest to current materials science, particularly related to nanotechnologies. This scheme is applicable to any combination of elements even when the conventional Rietveld analysis by X-ray or neutron diffraction occasionally fails to provide the desired results because of limited sample sizes and close scattering factors of neighboring elements in the periodic table. In this methodological article, we demonstrate the basic experimental procedure and analysis method of the present beam-rocking microanalysis.

We provide a general outline of quantitative microanalysis methods for estimating the site occupancies of impurities and their chemical states by taking advantage of electron-channeling phenomena under incident electron beam-rocking conditions, which reliably extract information from minority species, light elements, oxygen vacancies, and other point/line/planar defects.

تحليل الموقع الذري الكمي لعيوب Dopants / نقطة وظيفية في المواد البلورية عن طريق التحليل الدقيق المعزز لتوجيه الإلكترون

A novel elemental and chemical analysis scheme based on electron-channeling phenomena in crystalline materials is introduced, where the incident ...

تحليل الأداء غير المتجانس للجسيمات النانوية المفردة بالطرق الكهروكيميائية

Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy

Studying electrochemical reactions on single nanoparticles is important to understand the heterogeneous performance of individual nanoparticles. This nanoscale heterogeneity remains hidden during the ensemble-averaged characterization of nanoparticles. Electrochemical techniques have been developed to measure currents from single nanoparticles but do not provide information about the structure and identity of the molecules that undergo reactions at the electrode surface. Optical techniques such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) microscopy and spectroscopy can detect electrochemical events on individual nanoparticles while simultaneously providing information on the vibrational modes of electrode surface species. In this paper, a protocol to track the electrochemical oxidation-reduction of Nile Blue (NB) on single Ag nanoparticles using SERS microscopy and spectroscopy is demonstrated. First, a detailed protocol for fabricating Ag nanoparticles on a smooth and semi-transparent Ag film is described. A dipolar plasmon mode aligned along the optical axis is formed between a single Ag nanoparticle and Ag film. The SERS emission from NB fixed between the nanoparticle and the film is coupled into the plasmon mode, and the high-angle emission is collected by a microscope objective to form a donut-shaped emission pattern. These donut-shaped SERS emission patterns allow for the unambiguous identification of single nanoparticles on the substrate, from which the SERS spectra can be collected. In this work, a method for employing the SERS substrate as a working electrode in an electrochemical cell compatible with an inverted optical microscope is provided. Finally, tracking the electrochemical oxidation-reduction of NB molecules on an individual Ag nanoparticle is shown. The setup and the protocol described here can be modified to study various electrochemical reactions on individual nanoparticles.

تسليط الضوء على المؤلف: تتبع الكيمياء الكهربائية على الجسيمات النانوية المفردة باستخدام مطيافية تشتت رامان المحسنة بالسطح والفحص المجهري  

The protocol describes how to monitor electrochemical events on single nanoparticles using surface-enhanced Raman scattering spectroscopy and imaging.

تتبع الكيمياء الكهربائية على الجسيمات النانوية المفردة باستخدام مطيافية تشتت رامان المحسنة السطح والفحص المجهري

Studying electrochemical reactions on single nanoparticles is important to understand the heterogeneous performance of individual nanoparticles. This ...

جميع الإلكترونية حل النانوسيكند المسح نفق مجهرية: تسهيل التحقيق في ديناميات تهمة يستعمل واحدة

Summary

Explore More Videos

PLAYLIST