Die Forschung, die hier beschrieben wurde von der Michigan State University Institute for Quantum Wissenschaften und der National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939 und DMR-0605801 unterstützt. KW dankt für die Unterstützung von einem US-Department of Education GAANN Interdisziplinäre Bioelectronics Training Program Stipendium.

1. PROTOKOLL <ol><li> Ersteinrichtung des Mikroskops und Elektronik <ol><li> Beginnen Sie mit einer kryogenen-fähigen Rastersondenmikroskops zugeordnet Steuerelektronik. Die Mikroskope für die Forschung hier beschriebenen verwenden Trägheitstranslation zu &quot;gehen&quot; der Probe in Richtung auf und weg von der Spitze entlang Rampen 13 (aus einem leitenden Material, wie Kupfer, Messing oder rostfreiem Stahl, damit sie mit der Vorspannung, um die Sende- Probe) als Teil eines Besocke Design STM 14, der schematisch in 2 gezeigt. </li><li> Zusätzlich zu der Vorspannung und der Tunnelstrom Koaxialkabeln bieten mindestens zwei koaxialen Drähte und einen Erdungsdraht, die von der Elektronik Zahnstange erstrecken, um in der Nähe der Spitzenbereich des Mikroskops, um das kryogene Verstärkerschaltung für empfindliche Ladung Erkennung arbeiten. Bauen Sie die Elemente der Verstärkerschaltung im Detail in Referenzen 5, 12 und 15 beschrieben werden, die auf der e untergebrachtlectronics Rack, das ist der Teil der Schaltung außerhalb des schattierten Feld in Abbildung 2. Dieser Teil der Schaltung wird bei Raumtemperatur während des Experiments bleiben. </li></ol></li><li> Montieren Sie die Montage-Chip für den Tipp und HEMT Schaltung (schattierte Feld in Abbildung 2), die HEMT Schaltung auf kryogene Temperatur abgesenkt werden, um eine optimale Energie-Auflösung zu erhalten. <ol><li> Cleave eine quadratische Chip Größe von ungefähr 1 cm x 1 cm aus einer GaAs-Wafer mit einem Schreiber, der Sensor-Schaltung und Spitze wird auf diesem Chip montiert werden. Deposit etwa 100 nm Gold auf einem Titan-Haftschicht durch eine Lochmaske auf den GaAs-Chip zu bilden, mehrere Goldpads jeweils einer Größe von ungefähr 1 mm x 1 mm, auf die Drähte des HEMT und Vorspannungswiderstand wird verklebt werden. Die Abmessungen der Pads sind nicht kritisch. </li><li> Bereiten Sie eine scharfes STM-Spitze durch mechanisches Schneiden eines 80:20 Pt: Ir-Draht mit Seitenschneider. Die Spitze kann auch durch chemisches Ätzen hergestellt werden or eine andere Methode oder im Handel erworben werden. Bestimmen des Radius der Krümmung der Spitze über Rasterelektronenmikroskopie; der Krümmungsradius sollte in der Größenordnung von der räumlichen Auflösung für das Experiment benötigt werden. </li><li> Epoxy ein Golddraht auf jede der Goldpads mit leitfähigem Epoxidharz standhalten tiefen Temperaturen, wobei diese Drähte werden die Elemente der Schaltung auf dem Chip Montage der koaxialen Leitungen auf dem Mikroskop zu verbinden. Da die Golddrähte lassen sich nach dem nächsten Schritt, wenn sie nicht benötigt werden, Epoxy einige redundante Golddrähte auf die Pads entfernt werden. Epoxy die HEMT, die Vorspannwiderstand und die STM-Spitze auf die Montage GaAs-Chip. Cure das Epoxidharz wie angegeben über seine Produkt-Datenblatt. (Siehe die Tabelle der Materialien unten für Details.) </li><li> Mit einem Drahtbonder mit Golddraht Bindung geladen die Source-, Drain-und Gate-Elemente des HEMT Gold-Pads auf der GaAs-Chips zu trennen. Bond temporären Adern das Gate-und Source-or Drain-Anschlussflächen, um das Tor zu gewährleisten wird nicht berechnet in bezug auf die Source-Drain-Kanal. Verwenden Sie ein Erdungsband für zusätzliche Sicherheit während die Manipulation der HEMT, es ist wichtig, Vorkehrungen zu treffen, um zu vermeiden, die Einführung streunende statische Aufladungen, die HEMT zerstören könnte. </li><li> Bewahren der vorbereiteten Montage-Chip mit den Drähten an dem Gate und der Source-Drain-Kanal des HEMT elektrisch miteinander verbunden, um zu vermeiden Kurzschließen des HEMT. Wenn die temporären Adern im vorherigen Schritt erwähnt entfernt wurden, drehen Sie vorsichtig die Drähte zusammen. Am einfachsten ist es, alle Drähte miteinander zu verbinden. </li></ol></li><li> Befestigen Sie den Chip mit dem Mikroskop. <ol><li> Stellen Sie sicher, dass die Gate-und Source-Drain-Kanäle sind schwimmende nie, das ist zu destruktiven Kurzschlüsse zwischen den Gate-und Source-Drain-Kanäle des HEMT verhindern. Erden Koaxialkabeln am Mikroskop an dem die Drähte von dem Chip gelötet werden. </li><li> Befestigen Sie die Halterung oben auf t-Chiper Scannen piezotube, wie in Abbildung 2 dargestellt. </li><li> Löten Sie die Golddrähten sich von der Montage-Chip den einschlägigen Koaxialkabeln mit Indium-Lot. </li></ol></li><li> Überprüfen Sie die Integrität des HEMT mit einem Kurventracers an den koaxialen Leitungen an die Elektronik-Rack. Grundsätzlich zeigt die Kurve Tracer die Source-Drain-Strom-Spannungs-Kennlinie. Die häufigste Fehlermodus ist ein Kurzschluss zwischen dem HEMT Gate und dessen Source-Drain-Kanal, der in Source-Drain-Eigenschaften, die unempfindlich gegenüber Gate-Spannung werden die Ergebnisse. </li><li> Montieren Sie die Probe. Gehen Sie in den Bereich mit dem Mikroskop in STM-Modus konfiguriert, um sicherzustellen, dass die Probe erfolgreich nähern sich der Spitze. <ol><li> Verbinden Draht T an den Vorverstärker für STM Tunnelstrom Messungen verwendet, und befestigen DC-Vorspannung V DC auf Draht B. (Alle Anschlüsse sind an der Elektronik Rack gemacht.) </li><li> Gehen Sie, bis die Probe und Spitze sind im Tunnelbau Bereich. Wenn in range, sollte der Scan piezotube bleiben leicht aus dem Gleichgewicht Position, so dass die Erdung des Scan piezotube bewirkt, dass die Spitze von seinem in-Bereich zurückziehen Erweiterung erweitert. Dies bestätigt, dass die Probe erfolgreich nähern sich der Spitze. Gehen Sie aus der Reichweite nach, dies zu tun, um die Spitze in den nächsten Aktionen zu schützen. </li><li> Übertragen Sie das Mikroskop vom Labortisch zum Dewar für eventuelle Tieftemperatur-Betrieb. An diesem Punkt ist die Testphase abgeschlossen und der experimentellen Phase beginnen kann. </li></ol></li><li> Pumpen Sie das Mikroskop auf einen Unterdruck von wenigen microtorr. Kühlen Sie das Mikroskop auf 4,2 K oder unten für eine optimale Energie-Auflösung nach dem Verfahren in dem Handbuch für den Kryostaten skizziert. <ol><li> Nach dem Abkühlen des Mikroskops zu seiner Basis Temperatur, damit das Mikroskop ausreichende Zeit, um das thermische Gleichgewicht zu erreichen, da wiederholte, langen Abtastungen des gleichen Bereichs durchgeführt werden, ist es wichtig, thermischen Drift zu minimieren. (Drift isteine Verschiebung des Gleichgewichts Position der Spitze mit Bezug auf die Probe.) </li><li> Hängen Sie das Dewar das Mikroskop so viel wie möglich von Schwingungen durch mechanische Kopplung mit dem Gebäude und Vakuumpumpen und andere Geräte an das Mikroskop und Dewar isolieren. Dies kann durch eine mit Schnur Federungssystem, wie in Referenzbeispiel 15, oder mit Luftfedern oder ein ähnliches Verfahren. </li></ol></li><li> Nach dem Abkühlen des Mikroskops und bevor Datenerhebung, überprüfen Sie die Integrität des HEMT wieder mit dem Kurventracers. </li><li> Scannen Sie die Probe im Tunnelbau (STM)-Modus. <ol><li> Gehen Sie in Reichweite. Suchen Sie eine Region der Probenoberfläche, die frei von Schmutz und von erheblicher Höhe oder Leitfähigkeit Variationen ist, und sicherzustellen, dass die Spitze ist stabil. </li><li> Korrigieren Sie für jede Neigung der Probe, das ist besonders wichtig, weil Kapazität Scans mit der Rückkopplungsschleife deaktiviert durchgeführt werden, damit die Spitze in die Oberfläche könnte abstürzen, wenn der scannten Ebene nicht parallel zu der Oberfläche der Probe. Im Prinzip könnte man die Kapazität Signal mit Rückkopplung verwenden, um eine konstante Kapazität zu erhalten, während das Scannen der Spitze, aber in der Praxis ist das Signal nicht robust genug, um einen Absturz zu verhindern, wenn Rückkopplung verwendet wird. </li><li> Beobachten Sie die thermische Drift, so dass es für die durch Neupositionierung der Spitze Offset kompensiert werden. Notieren Sie sich die Verlängerung der Spitze, während in Bereich im Tunnel-Modus, nach diesem Protokoll als Berührungspunkt. </li></ol></li><li> Gehen Sie zu einem ungestörten Bereich der Probe, eine, die nicht in STM-Modus gescannt wurde. <ol><li> Deaktivieren Sie die Feedback-Schleife in der STM-Controller. Daran erinnern, dass, wenn der Feedback-Schleife deaktiviert ist, manuelle Bewegungen der Spitze könnte versehentlich einen Absturz verursachen. Große Sorgfalt sollte daher genommen, während die Spitze zu bewegen werden. </li><li> Einfahren der Spitze ein paar Dutzend Nanometer von der Berührungspunkt. </li><li> Offset die seitliche Position der Spitze einer in der Nähe der Probe which hat in letzter Zeit nicht gescannt worden, um keine Störungen (z. B. Laden von Halbleiter-Dotierung Sites) die Vorspannung erforderlich, damit Tunneln durch die halbleitende Probe für STM Scanning bewogen haben könnten, zu vermeiden. </li><li> Vorsichtig verlängern die Spitze in Richtung der Oberfläche, bis die Spitze Verschiebung des Gleichgewichts Erweiterung liegt in der Nähe in der Größenordnung des Berührungspunkt. </li></ol></li><li> Schalten Verdrahtungskonfiguration zur Kapazität Modus. <ol><li> Erden Sie alle koaxiale Leitungen, um den HEMT schützen. </li><li> Verbinden der koaxialen Leitungen zu den jeweiligen Spannungsquellen und Widerstände und die Lock-in-Verstärker und dem Funktionsgenerator, wie in Abbildung 2 dargestellt. </li><li> Schalten Sie alle Spannungsquellen. Um zu vermeiden, schockt die HEMT mit Spannungsquelle Ausgänge beginnen bei 0 V. </li><li> Ungemahlenes die koaxialen Leitungen, daran zu denken, dem Gate und der Source-Drain-Kanal des HEMT miteinander verbunden sind, so lange wie möglich, um den HEMT schützen zu halten. </li><li> Stellen Sie die voltage Quelle auf dem Spannungsteilerwiderstand (Draht D). </li><li> Stimmen Sie die HEMT seine empfindlichste Region durch Überwachung der Spannung über Draht L mit einem Multimeter beim Einstellen V tune. Bringen Draht L auf die Lock-in-Verstärker danach. </li><li> Erhöhen V tune bis zum In-Phase-Signal auf der Lock-in-Verstärker zu und beginnt Plateau; Aufzeichnung dieser Wert von V tune, die die Spannung, die an der Spitze ist. Dies ermöglicht allen Ladung von der Messung bis zum HEMT gehen anstatt undicht durch Draht L. </li><li> Optimieren Sie die innere Phase der Lock-in-Verstärker mit seiner Fähigkeit Autophase und notieren Sie die Phase Wert. </li><li> Warten Sie auf den HEMT zu stabilisieren, um sicherzustellen, gibt es keine signifikanten thermische Effekte (das dauert oft bis zu zwei Stunden). </li></ol></li><li> Balance der HEMT durch Einstellen des Signals auf der Standard-Kondensator, um sicherzustellen, dass nur das Signal von Interesse für die Lock-in-Verstärker geht. Anpassungen des Signals auf derStandard-Kondensator entweder der Amplitude V oder Gleichgewicht der relativen Phase zwischen V und V Balance Anregung erfolgen. Der HEMT wird als im Gleichgewicht, wenn das In-Phase-Signal auf der Lock-in-Verstärker wird bei diesem Schritt des Verfahrens minimiert. </li><li> Führen Sie das Scannen Ladungsakkumulation Bildgebung. <ol><li> Stellen Sie die DC-Vorspannung V DC auf die Probe. </li><li> Verlängern Sie die Spitze innerhalb von 1 nm von der Oberfläche, mit dem Touch-Punkt als Referenz. </li><li> Notieren Sie den Ausgang des Lock-in-Verstärker mit der Datenerfassungs-Software, das ist das Signal von Interesse. </li><li> Scannen Sie die Probe. Um eine gute Auflösung zu erhalten, kann die Scans müssen mit einer Geschwindigkeit von mehreren Stunden pro Abtastung erfasst werden, um ein ausreichendes Signal Mittelwertbildung für jedes Pixel zu ermöglichen und um ein Verschmieren des Signals in benachbarten Pixeln des Bildes zu verhindern. Führen mehreren Scans auf der gleichen Fläche, und durchschnittlich diese Scans zusammen, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. </li></ol&gt; </li><li> Führen Kapazität (CV)-Spektroskopie mit der Spitze stationär über einer unterirdischen Merkmal von Interesse in der Ladungsakkumulation Bild im vorherigen Schritt erworben. <ol><li> Ramp V DC und notieren Sie den Ausgang des Lock-in-Verstärker mit der Datenerfassungs-Software. </li><li> Nehmen Sie mehrere Kapazität-Spannungs-(CV)-Kurven in der gleichen Position, und durchschnittliche diese Kurven zusammen, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Typischerweise werden ein paar Kurven gemittelt zusammen. Während Mittelung Kurven verbessert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, weil das Potenzial für Drift während scannt, sollten nur wenige aufeinanderfolgende Abtastungen zusammen gemittelt werden. </li></ol></li><li> Zurück zum Tunnelbau (STM)-Modus. <ol><li> Fahren Sie die Spitze sein Gleichgewicht Erweiterung und konfigurieren die Elektronik für STM. Aktivieren Sie die Feedback-Schleife und notieren Sie die in-Bereich Erweiterung der Spitze (Touch-Point). </li><li> Scannen Sie den Bereich in-Tunneling-Modus für Funktionen in der Spitze sehenography die Artefakte erzeugt werden, können in der Kapazität Bildgebung und Spektroskopie Kapazität haben. </li></ol></li><li> Analysieren und interpretieren können, nach Reference 9 und der unterstützenden Informationen in Referenz 1. </li></ol>

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	<li>Gasseller, M., DeNinno, M., Loo, R., Harrison, J. F., Caymax, M., Rogge, S., Tessmer, S. 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-Electron+Capacitance+Spectroscopy+of+Individual+Dopants+in+Silicon.">Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon.</a> Nano Lett. 11, 5208-5212 (2011).</li><li>Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. A., Tessmer, S. H., Pfeiffer, L. N., West, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning-probe+spectroscopy+of+semiconductor+donor+molecules.">Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules.</a> Nat. Phys. 4, 227-233 (2008).</li><li>Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I., Kayis, C., Harrison, J. F., Piermarocchi, C., Kaplan, T. 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C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrons+in+artificial+atoms.">Electrons in artificial atoms.</a> Nature. 379, 413-419 (1996).</li><li>Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. <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+capacitance+spectroscopy+of+a+few+electron+box.">Single-electron capacitance spectroscopy of a few electron box.</a> Physica B. 189, 117-124 (1993).</li><li>Frohn, J., Wolf, J. 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H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-scan-range+cryogenic+scanning+probe+microscope.">High-scan-range cryogenic scanning probe microscope.</a> Rev. Sci. Instrum. 71 (11), 4170-4173 (2000).</li><li>Ashoori, R. C., Stormer, H. L., Weiner, J. S., Pfeiffer, L. N., Pearton, S. J., Baldwin, K. W., West, K. W. <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+capacitance+spectroscopy+of+discrete+quantum+levels.">Single-electron capacitance spectroscopy of discrete quantum levels.</a> Phys. Rev. Lett. 68 (20), 3088-3091 (1992).</li></ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Eine detaillierte Erläuterung der theoretischen Grundlagen für diese experimentelle Methode wird in Referenzen 8 und 9 gegeben und diskutiert in Bezug auf das Szenario der Untergrund Dotierungen in Referenz 2; der Übersicht dargestellt wird hier deshalb kurz sein und konzeptionell. Die Spitze wird als eine Platte eines Kondensators und der leitenden Schicht, die unter die Probe umfasst die andere Platte behandelt. Wenn die DC-Spannung angelegt wird, so daß Elektronen in Richtung der Spitze gezogen wird, und wenn es ...

Subsurface Ladungsakkumulation (SCA) Bildgebung ist eine Niedertemperatur-Verfahren auflösen können Einzel-Elektronen-Charging Events. Bei der Untersuchung von Dotierungsatomen in Halbleitern angewendet wird, kann das Verfahren erkennen einzelnen eintretenden Elektronen Donor-oder Akzeptor-Atomen, wodurch Charakterisierung des Quanten-Struktur dieser Systeme Minute. In seinem Herzen ist SCA Bildgebung eine lokale Kapazitätsmessung 6 für Kryo-Betrieb geeignet. Da Kapazität vom elektrischen Feld basiert, ist es eine Fernwirkung, die zu lösen Laden unter isolierenden Oberflächen können 6. Kryo-Betrieb ermöglicht Untersuchung von Einzel-Elektronen-Bewegung und Quanten-Ebene Abstand, der bei Raumtemperatur 1,2 unlösbaren würde. Die Technik kann auf jedes System, in dem die Bewegung der Elektronen unter einer isolierenden Oberfläche ist wichtig angewendet werden, einschließlich der Ladung Dynamik in zweidimensionalen Elektronensysteme an inneren Grenzflächen 7; Kürze halber<html> der Fokus hier auf Studien von Halbleiter Dotierungen sein. Am meisten schematische Ebene behandelt diese Technik das gescannte Spitze als eine Platte eines Plattenkondensator, obwohl realistische Analyse erfordert eine genauere Beschreibung zu berücksichtigen, für die Krümmung der Spitze 8,9. Die andere Platte in diesem Modell ist eine nanoskaligen Bereich der darunter liegenden leitenden Schicht, wie in Abbildung 1 gezeigt. Im Wesentlichen von einer Ladung in einen Dotierstoff in Reaktion auf eine periodische Anregung Spannung, wird es näher an der Spitze; diese Bewegung induziert image Ladung auf der Spitze, die mit der Sensorschaltung 5 erfasst wird. Ebenso wie die Ladung beendet das Dotierungsmittel, das Bild Ladung auf der Spitze verringert. Daraus ergibt sich die periodischen Ladesignal in Reaktion auf die Erregungsspannung das detektierte Signal - im Wesentlichen ist es Kapazität, so dass diese Messung wird oft als die Bestimmung der CV Eigenschaften des Systems bezeichnet. Zelt &quot;&gt; Während der Kapazitätsmessung, ist das einzige Netz Tunneling zwischen dem zugrunde liegenden leitfähigen Schicht und der Dotierungsmittelschicht -. Ladung nie Tunnel direkt auf die Spitze Das Fehlen direkter Tunneln oder von der Spitze während der Messung ist ein wichtiger Unterschied zwischen diesem Technik und mehr vertraut Rastertunnelmikroskopie, ist, obwohl ein großer Teil der Hardware für dieses System im Wesentlichen identisch mit der eines Rastertunnelmikroskops. Es ist auch wichtig anzumerken, dass SCA Bildgebung nicht direkt auf elektrostatische Ladungen reagieren. Für Untersuchungen der statischen Aufladung Ausschüttungen, Raster-Kelvin-Sonden-Mikroskopie oder elektrostatische Kraft-Mikroskopie geeignet ist kryogenen Zusätzliche Methoden für die Prüfung lokalen elektronischen Verhalten gibt, die auch gute elektronische und räumliche Auflösung;. zum Beispiel, Scannen Einelektrontransistor Mikroskopie ist ein weiteres Raster-Sonden-Methode zum Aufspüren von Minute Aufladen Effekte 4,10. SCA Bildgebung war ursprünglichentwickelt am MIT durch Tessmer, Glicofridis, Ashoori und Mitarbeiter 7, außerdem das hier beschriebene Verfahren kann als Raster-Sonden-Version der Single-Electron Spectroscopy Kapazität Methode Ashoori und Mitarbeiter 11 entwickelt angesehen werden. Ein wesentliches Element der Messung ist ein exquisit empfindlich Charge-Detektionsschaltung 5,12 mit high electron mobility Transistoren (HEMT), es kann einen Geräuschpegel so niedrig wie 0,01 Elektronen / Hz erreichen ½ bei 0,3 K, die Basis Temperatur des Kryostaten in Referenz 5. Eine derart hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Beobachtung von Einzel-Elektronen-Aufladung in unterirdischen Anlagen. Diese Methode wird für die Untersuchung von Elektronen oder Löcher Dynamik einzelne oder kleine Gruppen von Dotierstoffen in Halbleitern geeignet, mit typischen Dotierstoff Flächendichte im Bereich von 10 15 m -2 in einer ebenen Geometrie 2. Ein Beispiel für eine typische Probe Konfiguration für diese Art von Test ist in Abbildung 1 dargestellt </strong&gt;. Die Dotierungsschicht typischerweise einige zehn Nanometer unter der Oberfläche positioniert, es ist wichtig, die genaue Abstände zwischen der darunterliegenden leitenden Schicht und dem Dotierstoff Schicht und zwischen der Dotierungsmittelschicht und der Probenoberfläche zu kennen. Im Gegensatz zu den Tunneln hat Kapazität nicht abfallen, sondern im wesentlichen exponentiell abnimmt umgekehrt proportional zum Abstand. Somit könnte das Dotierungsmittel Tiefe im Prinzip sogar tiefer als zehn Nanometer unter der Oberfläche, wie einige angemessener Anteil des elektrischen Feldes landet auf der Spitze. Für alle der genannten kryogenen Nahsonden von elektronischen Verhalten, einschließlich der hier beschriebenen Technik wird räumliche Auflösung durch die geometrische Größe der Spitze und durch den Abstand zwischen dem Untergrund Merkmal von Interesse und der Rastersondenspitze begrenzt.

<table border="1">
		<tbody>
		 <tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Equipment</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Besocke-design STM</td>
			<td>Custom</td>
			<td></td>
			<td>References 14 and 15</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Control electronics for STM</td>
			<td>RHK Technology</td>
			<td>SPM 1000 Revision 7</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Lock-in amplifier</td>
			<td>Stanford Research Systems</td>
			<td>SR830</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Curve tracer</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>Type 576</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Oscilloscope</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>TDS360</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Multimeter</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>DMM912</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Wire bonder</td>
			<td>WEST&middot;BOND</td>
			<td>7476D</td>
			<td>with K~1200D temperature controller</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Soldering iron</td>
			<td>MPJA</td>
			<td>301-A</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Cryostat</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td>Heliox</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Material</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Pt/Ir wire, 80:20</td>
			<td>nanoScience Instruments</td>
			<td>201100</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>GaAs wafer</td>
			<td>axt</td>
			<td>S-I</td>
			<td>For the mounting chip</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>99.99% Au wire, 2 mil diameter</td>
			<td>SPM</td>
			<td></td>
			<td>For the mounting chip</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>99.99% Au wire, 1 mil diameter</td>
			<td>K&amp;S</td>
			<td></td>
			<td>For wire bonding</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Indium shot</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>11026</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Silver epoxy</td>
			<td>Epo-Tek</td>
			<td>EJ2189-LV</td>
			<td>Any low-temperature-compatible conductive epoxy is acceptable</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>HEMT</td>
			<td>Fujitsu</td>
			<td>Low Noise HEMT</td>
			<td></td>
		 </tr>
		</tbody>
 </table>

scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy

Die Integration von Niedrigtemperatur-Scanning-Probe-Techniken und Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität stellt ein leistungsfähiges Werkzeug, um die elektronischen Quantenstruktur von kleinen Systemen zu untersuchen - auch einzelne atomare Dotierungen in Halbleitern. Hier präsentieren wir eine Kapazitäts-basierte Verfahren, wie Subsurface Ladungsakkumulation (SCA)-Bildgebung, die in der Lage Lösung Einzel-Elektronen-Aufladung während eine ausreichende räumliche Auflösung zu einzelnen atomaren Bild Dotierungen ist bekannt. Der Einsatz eines kapazitiven Technik ermöglicht Beobachtung der unterirdischen Merkmale, wie viele Dotiermittel begraben Nanometer unter der Oberfläche eines Halbleitermaterials 1,2,3. Im Prinzip kann diese Technik auf ein beliebiges System angewandt werden, um die Bewegung der Elektronen unter einer isolierenden Oberfläche zu lösen. Wie in den anderen durch ein elektrisches Feld empfindliche eingescannten Sondentechniken 4 hängt die laterale räumliche Auflösung der Messung teilweise von dem Radius curvature der Sondenspitze. Unter Verwendung der Spitzen mit einem kleinen Krümmungsradius ermöglichen räumlichen Auflösung von wenigen zehn Nanometern. Diese feine räumliche Auflösung ermöglicht Untersuchungen der kleinen Zahlen (minus eins) von unterirdischen Dotierungen 1,2. Die Ladung Auflösung hängt stark von der Empfindlichkeit der Ladung Detektionsschaltung; mit Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) in solchen Schaltungen bei kryogenen Temperaturen ermöglicht eine Empfindlichkeit von etwa 0,01 Elektronen / Hz ½ bei 0,3 K 5.

Der Chef Indikator für eine erfolgreiche Messung ist die Reproduzierbarkeit, so wie in anderen Rastersondenmethoden. Wiederholte Messungen sind sehr wichtig, aus diesem Grund. Für Punkt Kapazität Spektroskopie unter viele Messungen nacheinander an der gleichen Stelle hilft, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und zu identifizieren Störsignale. Sobald ein Merkmal von Interesse innerhalb der Ladungsakkumulation Bild identifiziert und Kapazität Spektroskopie durchgeführt wurde...

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Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität ermöglicht die Untersuchung von Einzel-Elektronen-Bewegung in lokalisierten Regionen Untergrund. Eine empfindliche Ladung-Erfassungsschaltung in einem kryogenen Rastersondenmikroskop auf kleine Systeme Dotieratome unter der Oberfläche des Halbleiter-Proben zu untersuchen eingearbeitet.

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

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

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13.0K Aufrufe.  Michigan State University. Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität ermöglicht die Untersuchung von Einzel-Elektronen-Bewegung in lokalisierten Regionen Untergrund. Eine empfindliche Ladung-Erfassungsschaltung in einem kryogenen Rastersondenmikroskop auf kleine Systeme Dotieratome unter der Oberfläche des Halbleiter-Proben zu untersuchen eingearbeitet.

Serie: Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

The physical properties of a material are defined by its electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;) and momentum (k) and the probability to find them in a particular state with given &omega; and k is described by the spectral function A(k, &omega;). This function can be directly measured in an experiment based on the well-known photoelectric effect, for the explanation of which Albert Einstein received the Nobel Prize back in 1921. In the photoelectric effect the light shone on a surface ejects electrons from the material. According to Einstein, energy conservation allows one to determine the energy of an electron inside the sample, provided the energy of the light photon and kinetic energy of the outgoing photoelectron are known. Momentum conservation makes it also possible to estimate k relating it to the momentum of the photoelectron by measuring the angle at which the photoelectron left the surface. The modern version of this technique is called Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) and exploits both conservation laws in order to determine the electronic structure, i.e. energy and momentum of electrons inside the solid. In order to resolve the details crucial for understanding the topical problems of condensed matter physics, three quantities need to be minimized: uncertainty* in photon energy, uncertainty in kinetic energy of photoelectrons and temperature of the sample.
In our approach we combine three recent achievements in the field of synchrotron radiation, surface science and cryogenics. We use synchrotron radiation with tunable photon energy contributing an uncertainty of the order of 1 meV, an electron energy analyzer which detects the kinetic energies with a precision of the order of 1 meV and a He3 cryostat which allows us to keep the temperature of the sample below 1 K. We discuss the exemplary results obtained on single crystals of Sr2RuO4 and some other materials. The electronic structure of this material can be determined with an unprecedented clarity.

The overall goal of this method is to determine the low-energy electronic structure of solids at ultra-low temperatures using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy with synchrotron radiation.

Angle-Photoemissionsspektroskopie Bei extrem niedrigen Temperaturen

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

Forschung

Ingenieurwesen

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states are indeed the resources for implementing various protocols, ranging from enhanced metrology to quantum communication and computing. A variety of devices can be used to generate non-classical states, such as single emitters, light-matter interfaces or non-linear systems3. We focus here on the use of a continuous-wave optical parametric oscillator3,4. This system is based on a non-linear &#967;2 crystal inserted inside an optical cavity and it is now well-known as a very efficient source of non-classical light, such as single-mode or two-mode squeezed vacuum depending on the crystal phase matching. 
Squeezed vacuum is a Gaussian state as its quadrature distributions follow a Gaussian statistics. However, it has been shown that number of protocols require non-Gaussian states5. Generating directly such states is a difficult task and would require strong &#967;3 non-linearities. Another procedure, probabilistic but heralded, consists in using a measurement-induced non-linearity via a conditional preparation technique operated on Gaussian states. Here, we detail this generation protocol for two non-Gaussian states, the single-photon state and a superposition of coherent states, using two differently phase-matched parametric oscillators as primary resources. This technique enables achievement of a high fidelity with the targeted state and generation of the state in a well-controlled spatiotemporal mode.

We describe the reliable generation of non-Gaussian states of traveling optical fields, including single-photon states and coherent state superpositions, using a conditional preparation method operated on the non-classical light emitted by optical parametric oscillators. Type-I and type-II phase-matched oscillators are considered and common procedures, such as the required frequency filtering or the high-efficiency quantum state characterization by homodyning, are detailed.

Staatliche Ingenieur Quantum of Light mit Dauerwellen-Optische parametrische Oszillatoren

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. At the same time the AFM tip is passivated to prevent unspecific interactions between the tip and the substrate, which is a prerequisite to study single molecules attached to the AFM tip. Analyses to determine the adhesion force, the adhesion length, and the free energy of these molecules on solid surfaces and bio-interfaces are shortly presented and external references for further reading are provided. Example molecules are the poly(amino acid) polytyrosine, the graft polymer PI-g-PS and the phospholipid POPE (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine). These molecules are desorbed from different surfaces like CH3-SAMs, hydrogen terminated diamond and supported lipid bilayers under various solvent conditions. Finally, the advantages of force spectroscopic single molecule experiments are discussed including means to decide if truly a single molecule has been studied in the experiment.

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

Untersuchung von Einzelmolekül Haftung durch Rasterkraftspektroskopie

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Biomolecules Using EBL Fabricated Nanostructured Substrates

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules is reported. The entire sequence of relevant experimental steps is described, involving the fabrication of nanostructured substrates using electron beam lithography, immobilization of biomolecules on the substrates, and their characterization utilizing surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Three different designs of nano-biological systems are employed, including protein A, glucose binding protein, and a dopamine binding DNA aptamer. In the latter two cases, the binding of respective ligands, D-glucose and dopamine, is also included. The three kinds of biomolecules are immobilized on nanostructured substrates by different methods, and the results of SERS imaging are reported. The capabilities of SERS to detect vibrational modes from surface-immobilized proteins, as well as to capture the protein-ligand and aptamer-ligand binding are demonstrated. The results also illustrate the influence of the surface nanostructure geometry, biomolecules immobilization strategy, Raman activity of the molecules and presence or absence of the ligand binding on the SERS spectra acquired.

We describe the fabrication and characterization of nano-biological systems interfacing nanostructured substrates with immobilized proteins and aptamers. The relevant experimental steps involving lithographic fabrication of nanostructured substrates, bio-functionalization, and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) characterization, are reported. SERS detection of surface-immobilized proteins, and probing of protein-ligand and aptamer-ligand binding is demonstrated.

Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie Detektion von Biomolekülen Mit EBL Fabricated nanostrukturierte Substrate

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules ...

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.

Silicium-Metall-Oxid-Halbleiter-Quantenpunkte für Einzelelektronen Pumping

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

Resonance Raman Spectroscopy of Extreme Nanowires and Other 1D Systems

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the presence of carbon nanotubes. These nanowires are extreme in the sense that they are the limit of miniaturization of nanowires and their behavior is not always a simple extrapolation of the behavior of larger nanowires as their diameter decreases. The paper then describes the methods required to obtain Raman spectra from extreme nanowires and the fact that due to the van Hove singularities that 1D systems exhibit in their optical density of states, that determining the correct choice of photon excitation energy is critical. It describes the techniques required to determine the photon energy dependence of the resonances observed in Raman spectroscopy of 1D systems and in particular how to obtain measurements of Raman cross-sections with better than 8% noise and measure the variation in the resonance as a function of sample temperature. The paper describes the importance of ensuring that the Raman scattering is linearly proportional to the intensity of the laser excitation intensity. It also describes how to use the polarization dependence of the Raman scattering to separate Raman scattering of the encapsulated 1D systems from those of other extraneous components in any sample.

The paper describes a method for producing extreme nanowires by melt infiltration into carbon nanotubes and how 1D systems may be characterized and investigated using Resonance Raman Spectroscopy to determine vibrational and optical excitation energies.

Resonanz-Raman-Spektroskopie von Extreme Nanodrähte und andere 1D-Systeme

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted researchers&#39; attention in many fields. Most of the studies focused on macroscopic LCE structures (films, fibers) and their miniaturization is still in its infancy. Recently developed lithography techniques, e.g., mask exposure and replica molding, only allow for creating 2D structures on LCE thin films. Direct laser writing (DLW) opens access to truly 3D fabrication in the microscopic scale. However, controlling the actuation topology and dynamics at the same length scale remains a challenge.
In this paper we report on a method to control the liquid crystal (LC) molecular alignment in the LCE microstructures of arbitrary three-dimensional shape. This was made possible by a combination of direct laser writing for both the LCE structures as well as for micrograting patterns inducing local LC alignment. Several types of grating patterns were used to introduce different LC alignments, which can be subsequently patterned into the LCE structures. This protocol allows one to obtain LCE microstructures with engineered alignments able to perform multiple opto-mechanical actuation, thus being capable of multiple functionalities. Applications can be foreseen in the fields of tunable photonics, micro-robotics, lab-on-chip technology and others.

Free-form Light Actuators &amp;#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.

Freiform-Lichtaktoren - Herstellung und Steuerung der Betätigung in mikroskopischer Skala

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The characteristics of the C84-embedded Si surface, such as atomic resolution topography, local electronic density of states, band gap energy, field emission properties, nanomechanical stiffness, and surface magnetism, were examined using a variety of surface analysis techniques under ultra, high vacuum (UHV) conditions as well as in an atmospheric system. Experimental results demonstrate the high uniformity of the C84-embedded Si surface fabricated using a controlled self-assembly nanotechnology mechanism, represents an important development in the application of field emission display (FED), optoelectronic device fabrication, MEMS cutting tools, and in efforts to find a suitable replacement for carbide semiconductors. Molecular dynamics (MD) method with semi-empirical potential can be used to study the nanoindentation of C84-embedded Si substrate. A detailed description for performing MD simulation is presented here. Details for a comprehensive study on mechanical analysis of MD simulation such as indentation force, Young&#39;s modulus, surface stiffness, atomic stress, and atomic strain are included. The atomic stress and von-Mises strain distributions of the indentation model can be calculated to monitor deformation mechanism with time evaluation in atomistic level.

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.

Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si-Substrat mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie und Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line intensity ratios. By using a Johann spectrometer viewing the plasma, it is possible to construct profiles of plasma parameters such as density, temperature, and velocity with good spatial and time resolution. However, benchmarking atomic code modeling of X-ray spectra obtained from well-diagnosed laboratory plasmas is important to justify use of such spectra to determine plasma parameters when other independent diagnostics are not available. This manuscript presents the operation of the High Resolution X-ray Crystal Imaging Spectrometer with Spatial Resolution (HIREXSR), a high wavelength resolution spatially imaging X-ray spectrometer used to view hydrogen- and helium-like ions of medium atomic number elements in a tokamak plasma. In addition, this manuscript covers a laser blow-off system that can introduce such ions to the plasma with precise timing to allow for perturbative studies of transport in the plasma.

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas. This manuscript presents the operation of a high wavelength resolution spatially imaging X-ray spectrometer used to view hydrogen- and helium-like ions of medium atomic number elements in a tokamak plasma.