This work was supported by the Department of Energy under the FPACE program (DE-EE0005398), the Ohio State University Institute for Materials Research, and the Ohio Office of Technology Investments&#8217; Third Frontier Program.

Dieses Protokoll wurde mit der Annahme, dass der Leser eine Arbeits Verständnis der Standard SEM Operation geschrieben. Je nach Hersteller, Modell und sogar Software-Version kann jeder SEM signifikant Hardware und / oder Software-Schnittstellen zu haben. Gleiches kann in Bezug auf die interne Konfiguration des Instruments gesagt werden; muss der Bediener, wenn nach diesem Protokoll, als auch relativ kleine Änderungen in der Probengröße / Geometrie, Probenorientierung (Neigung, Drehung), und Arbeitsabstand, können ein Risiko für einen Kontakt mit dem Polstück präsentieren vorsichtig und aufmerksam sein, besonders wenn nicht euzentrischen Höhe. Die hier angegebenen Anweisungen sind für das Gerät verwendet werden, um diese Arbeit zu verrichten, ein FEI Sirion SEM mit einer Feldemissionsquelle und einem Standard ausgestattet ist, montiert Polstück, Ring Si Rückstreudetektor. Daher ist es unerlässlich, dass der Leser verstehen, wie die entsprechenden Aktionen auf ihre eigenen speziellen Ausrüstung durchzuführen. </p&gt; 1. Probenvorbereitung <ol><li> Spalten Probe, GaP / Si für diese Studie, in eine geeignete Grße in Abhängigkeit von der Größe des SEM Probenhalterung, die eingesetzt werden soll. Anmerkung: Die Probe kann so klein wie 5 mm x 5 mm oder so groß wie eine Vollscheibe (4 Zoll lang), abhängig von der internen Geometrie des verwendeten SEM und dem verfügbaren Raum space.The Probenoberfläche sollte sehr sauber sein, und frei von Verunreinigungen, die die Kanalbildung stören könnten (z. B. kristallin oder amorph natürliche Oxide). </li><li> Legen Sie die Probe auf die SEM Probenhalterung. Hinweis: Das Montageverfahren kann in Abhängigkeit von der Art der SEM Stub entweder einen Clip Stil oder über einen Kleber zu ändern, typischerweise (zB Kohlenstoff-Band, Silberfarbe.). Das Verfahren zur Platzierung muss sicherstellen, dass die Probe nicht bewegen und es ist elektrisch geerdet, um Probe Aufladungen treffen. </li></ol> 2. Probe <ol><li> Entlüften SEM durch Klicken auf die &quot;Vent&quot; -Button in derSoftwareschnittstelle und legen Sie die Probe nach Erreichen Atmosphärendruck. </li><li> Vor dem Schließen der Tür SEM, sicherzustellen, dass die Probe in einer geeigneten Höhe, um die BSE-Detektor nicht schlagen nach dem Wechsel in den SEM. </li><li> Abpumpen des SEM indem Sie auf das &quot;Pump&quot; -Button in der Software-Oberfläche. Warten Sie, bis System zeigt an, dass der Druck niedrig genug, um die Messung zu starten. </li></ol> 3. Setzen Sie angemessene Arbeitsbedingungen <ol><li> Schalten Sie den Elektronenstrahl über die Steuertaste in der Regelzone &#39;Lichtstrahl &quot;und stellen Sie die Beschleunigungsspannung über Dropdown-Menü&quot; Lichtstrahl &quot;in der Software-Oberfläche. Für die vorliegende Arbeit wurde 25 kV verwendet. </li><li> Stellen Sie den Strahlstrom auf einen entsprechenden Wert über Dropdown-Menü &#39;Lichtstrahl &quot;. Dies wird in der über die Punktgröße-Einstellung, die bis 5 (etwa 2,4 nA) eingestellt wurde hier verwendete System bestimmt. Hinweis: Hochstrahlstrom ist in der Regel notwendig, beil das EKKI-Signal ist in der Regel schwach und höheren Strom ermöglicht eine unterscheidbare Bild. </li><li> Verwenden des Sekundärelektronendetektor, stellen Sie die Bildschärfe und Stigmatorspulen über die Software-Schnittstelle. Hinweis: Dies wird hier durch einen Rechtsklick und Ziehen mit der Maus über die Software-Schnittstelle durchgeführt werden; vertikal für Fokus, horizontal für Stigmatorspulen. Außerdem ist es in der Regel hilfreich, einen kleinen Teilchen oder Oberflächenmerkmal auf der Probe, um ein klares Thema für Fokus / Stigmatorspulen Anpassung bieten zu finden. </li><li> Bewegen die Probe in die vertikale Arbeitsabstand durch inkrementelles Ändern der Z-Position des Tisches und Einstellen des Fokus und Stigmatorspulen nach Bedarf. Die Z-Position wird durch die &quot;Z&quot; im Dropdown-Menü in der Regelzone der Software-Oberfläche der &quot;Bühne&quot; geändert. Für die hier beschriebene Arbeit, ein Arbeitsabstand von 5 mm platziert das gleiche bei euzentrischen Höhe und für eine starke EKKI Signal zur Verfügung gestellt. </li></ol> 4. Visualisieren Probe ECP &lt;ol&gt; <li> Wechseln Sie in die BSE-Modus durch das Dropdown-Menü &quot;Detectors&quot; in der Software-Oberfläche. </li><li> Verkleinern Vergrößerung auf die niedrigste Einstellung (27x), die hier über die Computer-Tastatur minus gemacht wird (-) Taste, um den ECP zu visualisieren. </li><li> Stellen Sie die Abtastrate, hier über die &quot;Scan&quot; im Dropdown-Menü durchgeführt, um ein Bild mit ausreichender Signalrausch (z. B. langsamer Abtastung statt TV-Modus) bieten. Anmerkung: Mittelwertbildung oder Integration des Bildes erforderlich sein, um einen klaren, erkennbaren Bild zu erhalten. </li><li> Stellen Sie den Bildkontrast und Helligkeit, hier über den &quot;Kontrast&quot; und &quot;Helligkeit&quot; Schieberegler erreicht, die zur Verbesserung der Sichtbarkeit der ECP, man aufpassen, nicht zu übersättigen. </li><li> Stellen Sie die Probenrotation und kippen, mit dem &quot;R&quot; und &quot;T&quot; Einträge in der Regelzone &quot;Bühne&quot; in der Software-Oberfläche, um zu helfen, Eigenschaften der Kanalmuster deutlicher. Probe rotatIonen werden in einer Drehung des ECP führen (wie in Figur 2 gezeigt) und Kippen wird in eine Translation des ECP führen (wie in 3 gezeigt). </li></ol> 5. Bildfehler / Features <ol><li> Passen Probe Neigung und Drehung, wie in Schritt 4.5 beschrieben, um die gewünschte Beugungsbedingung gesetzt. Erreichen dies durch die Übersetzung und / oder Drehen des ECP, um den Ziel Kikuchi Bandkante auszurichten (dh Wendepunkt zwischen dem hellen Kikuchi Band und die damit verbundenen dunklen Kikuchi Linie) mit dem SEM optischen Achse. Während maximale Channeling tatsächlich an der Kikuchi Linie auftritt, Ausrichten in dem hier beschriebenen Verfahren liefert Visualisierung Kontrast für Mängel sowohl mit dunklen und hellen Kontraststufen (siehe 4 und 5). </li><li> Sobald die gewünschte Beugungsbedingung erreicht ist, erhöhen Vergrößerungs, hier über die Tastatur Plus (+) Taste durchgeführt. </li><li> Refocus Bild und passen für Stigmatorspulen, wie in Schritt 3.2 beschrieben. Hinweis: Hier, das focus und Stigmatorspulen wird am besten mit Bezug auf die spezifischen Defekt / Feature, das abgebildet wird eingestellt. </li><li> Da geringe Abweichungen von der Kante des Bandes können große Unterschiede in der Erscheinung des Ziel Defekt oder Funktion zu machen, optimieren die Beugungsbedingung durch kleine (nicht mehr als Anpassungen an die Probenneigung orthogonal zur Kikuchi Band / Line von Interesse, während beobachten eine bestimmte Funktion für maximalen Kontrast. Beachten Sie, dass sich in Richtung der Innenseite der Kikuchi-Band wird in der Regel reduzieren die relativen Kontrast von &quot;hell&quot; Funktionen, während sie sich in Richtung der Außenseite des Bandes (in Richtung der Kikuchi-Linie) wird in der Regel reduzieren die relativen Kontrast der &quot;dunklen&quot; Funktionen. </li><li> Sobald der gewünschte Kontrast erhalten wird, verringern die Vergrößerung zu überprüfen, ob dieselbe Band immer noch auf oder nahe der optischen Achse; zu viel Neigung können die Beugungsbedingung gänzlich ändern. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Eine Beschleunigungsspannung von 25 kV wurde für diese Studie verwendet. Die Beschleunigungsspannung wird der Elektronenstrahl Eindringtiefe bestimmen; mit höheren Beschleunigungsspannung, wird es BSE Signal aus größeren Tiefen in der Probe. Die hohe Beschleunigungsspannung wurde für dieses System gewählt, weil er für die Sichtbarkeit von Versetzungen, die weit von der Oberfläche der Probe, an der Grenzfläche vergraben. Andere Arten von Fehlern / Merkmale können mehr oder weniger sichtbar zu unterschiedlichen ...

Detaillierte Charakterisierung von Kristalldefekten und Mikrostruktur ist ein ganz wichtiger Aspekt der Halbleitermaterialien und Geräte Forschung, da solche Mängel können eine erhebliche, nachteilige Auswirkungen auf die Geräteleistung haben. Derzeit ist die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) die am meisten akzeptierte und verwendete Technik zur detaillierten Charakterisierung von ausgedehnten Defekten - Versetzungen, Stapelfehler, Zwillinge, Antiphasendomänen usw. - denn es ermöglicht die direkte Abbildung von einer Vielzahl von Defekten mit reichlich räumliche Auflösung. Leider ist die TEM eine grundsätzlich niedrige Durch Ansatz wegen der langatmigen Probenvorbereitungszeiten, was zu erheblichen Verzögerungen und Engpässen in der Forschungs- und Entwicklungszyklen führen kann. Zusätzlich kann die Integrität der Probe, wie in Bezug auf die wie gewachsen Dehnungszustand kann während der Probenvorbereitung verändert werden, so dass die Gelegenheit für verfälschten Ergebnissen. Electron Channeling Contrast Bildgebung (ECCI) eine komplementäre, und in einigen Fällen eine potentiell überlegen Technik TEM, da es eine alternative Hochdurchsatz-Ansatz für die Abbildung der gleichen ausgedehnten Defekten liefert. Im Falle Epitaxiematerialien müssen Proben wenig bis gar keine Vorbereitung, Herstellung ECCI viel mehr Zeit effizient. Zusätzlich vorteilhaft ist die Tatsache, dass ECCI erfordert nur eine Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (SEM) mit einer Standard ringförmigen Polstück montiertem Rückstreuelektronen (BSE-Detektor); forescatter Geometrie kann auch verwendet werden, erfordert jedoch etwas spezialisierte Ausrüstung und wird hier nicht diskutiert. Das EKKI Signal von Elektronen, die unelastisch aus der in laufenden kanalisierter Strahl (Elektronenwellenfront) und durch mehrere zusätzliche unelastische Streuung Ereignisse werden in der Lage zu entkommen die Probe zurück durch die Oberfläche. 1 Ähnliche zerstreut worden sind, um zwei- zusammen Strahl TEM, ist es möglich, an bestimmten ECCI Beugungsbedingungen führen im REM orienting die Probe, so dass die einfallenden Elektronenstrahl erfüllt eine kristallographische Bragg-Bedingung (dh Channeling), als mit schwacher Vergrößerung Elektronenkanalmuster (ECP) bestimmt; 1,2 siehe Abbildung 1 für ein Beispiel. Einfach, ECPs bieten eine Orientierung Raumdarstellung des einfallenden Elektronenstrahl-Beugungs / Channeling. 3 Dunkellinien von niedrigen Rückstreusignal resultierenden zeigen Strahl-Probenorientierungen in dem Bragg-Bedingungen erfüllt sind (dh., Kikuchi-Linien), die starke Kanalisierung liefert, während die hellen Bereiche zeigen hohe Rückstreuung, nicht-beugenden Bedingungen. Was Kikuchi-Muster über Elektronenrückstreubeugung (EBSD) oder TEM produziert, die über ausgehende Elektronenbeugung gebildet werden entgegengesetzt, sind ECPs eine Folge der einfallenden Elektronenbeugung / Channeling. In der Praxis werden so gesteuert Beugungsbedingungen für ECCI durch Einstellung der Probenausrichtung erreicht, via Neigung und / oder Rotation unter geringer Vergrößerung, so dass der ECP-Funktion, die die gut definierten Bragg-Bedingung von Interesse - beispielsweise eine [400] oder [220] Kikuchi Band / Line - fällt mit der optischen Achse des SEM . Übergang zu hoher Vergrößerung dann aufgrund der hierdurch eine Beschränkung des Winkelbereichs der einfallenden Elektronenstrahls effektiv wählt ein Signal, das BSE entspricht idealerweise nur auf Streuung von der gewählten Beugungsbedingung. Auf diese Weise ist es möglich, Mängel, die Beugungs Kontrast zu liefern, wie zum Beispiel Versetzungen zu beobachten. Genau wie im TEM wird die Abbildungskontrast durch solche Defekte dargestellt durch die Standard-Unsichtbarkeit Kriterien bestimmt, g · (b x u) = 0 und g &amp; middot; b = 0, wobei g die Beugungs Vektor b der Burgers-Vektor und u die Linienrichtung. 4 DiesePhänomen tritt auf, weil nur gebeugten Elektronen von Ebenen, die durch den Mangel verzerrt werden Informationen zu enthalten, die defekt. Bisher ECCI hat überwiegend auf Bildmerkmalen und Defekten in der Nähe oder an der Probenoberfläche für solche funktionellen Materialien wie GaSb 5 SrTiO 3, 5 GaN, 6-9 und SiC verwendet worden. 10,11 Diese Begrenzung ist das Ergebnis der Oberflächen -sensitiven Natur des EKKI Signal selbst, bei dem der BSE, aus denen sich das Signal zu machen aus einer Tiefe Bereich von etwa 10 kommen - 100 nm. Den wichtigsten Beitrag zu dieser Tiefenauflösungsgrenze ist die Erweiterung und die Dämpfung der in laufenden Elektronenwellenfront (kanalisiert Elektronen), als eine Funktion der Tiefe in dem Kristall durch den Verlust von Elektronen auf Streuereignissen, die das reduziert maximale Potenzial BSE-Signals. 1 Dennoch hat eine gewisse Tiefenauflösung in früheren Arbeiten auf Si 1-x Ge x / Si und gemeldetIn x Ga 1-x As / GaAs-Heterostrukturen, 12,13 sowie in jüngerer Zeit (und hier) von den Autoren auf GaP / Si-Heterostrukturen, 14, wo EKKI wurde auf Bildanpassungsversetzungen an der gitterfehlgepa heteroepitaktischen Schnittstelle begraben verwendet Tiefen von bis zu 100 nm (mit höheren Tiefen wahrscheinlich möglich). Für die Arbeit hier detailliert wird EKKI zur GaP epitaktisch auf Si (001) aufgewachsen, eine komplexe Materialien Integrationssystem mit Anwendung zu Bereichen wie Photovoltaik und Optoelektronik zu studieren. GaP / Si ist von besonderem Interesse als potentieller Weg für die Integration der metamorphen (gitterfehlangepaßten) III-V-Halbleiter auf kosteneffektive Si Substraten. Seit vielen Jahren Anstrengungen in dieser Richtung haben, durch die unkontrollierte Erzeugung großer Anzahlen von hetero Nukleation von Mängeln, einschließlich Antiphasendomänen, Stapelfehler und Mikrozwillinge geplagt. Solche Defekte sind schädlich für die Leistung der Vorrichtung, ESPEallem Photovoltaik, aufgrund der Tatsache, dass sie elektrisch aktiv sein können, als Träger Rekombinationszentren wirken, und kann auch behindern Grenzflächenversetzungs gleiten, was zu einer höheren Versetzungsdichten. 15 Die jüngsten Bemühungen der Autoren und andere haben die erfolgreiche Entwicklung führte von Epitaxie-Prozesse, die GaP-on-Si-Filme frei von diesen Keim Mängeln produzieren kann, von 16 bis 19 und damit den Weg für weitere Fortschritte ebnen. Dennoch, wegen der kleinen, aber nicht vernachlässigbaren, Gitterfehlanpassung zwischen GaP und Si (0,37% bei RT), ist die Erzeugung von Versetzungen unvermeidlich und in der Tat notwendig, um vollständig entspannt epilayers herzustellen. GaP, mit FCC-basierte Zinkblendestruktur, neigt dazu, 60 ° Typ Versetzungen auf dem Beleg-System, das glissile sind und können große Mengen an Belastung durch lange net glide Längen entlasten ergeben (Mischkante und Schraube). Zusätzliche Komplexität wird durch die Fehlanpassung der eingeführtenGaP und Si Wärmeausdehnungskoeffizienten, die in einer zunehmenden Gitterfehlanpassung mit steigender Temperatur (dh., ≥ 0,5% Fehlanpassungs bei typischen Wachstumstemperaturen) führt. 20. Da die Durchstoßungsversetzungsdichte Segmente, aus denen der Rest der Versetzungsschleife (zusammen mit die Grenzflächenfehlanpassung und der Kristalloberfläche) sind bekannt für ihre verbundenen nichtstrahl Trägerrekombination Eigenschaften bekannt, und daher nur mit reduzierter Leistung der Vorrichtung, 21 ist es wichtig, ihre Natur und die Entwicklung, so dass ihre Anzahl minimiert werden kann vollständig verstehen. Detaillierte Charakterisierung der Grenzflächenanpassungsversetzungen kann somit eine wesentliche Menge an Informationen über die Dislokation Dynamik des Systems. Hier beschreiben wir das Protokoll zur Verwendung eines SEM ECCI erfüllen, und Beispiele ihrer Fähigkeiten und Stärken. Ein wichtiger Unterschied ist dabei die Verwendung von mikrostrukturellen ECCI CHARAKTERI auszuführensierung der Art der Regel über TEM aufgrund der deutlich reduzierten Probenvorbereitung Bedürfnissen durchgeführt, während EKKI bietet die entsprechenden Daten jedoch in einer wesentlich kürzeren Zeitrahmen; in dem Fall für Epitaxie-Proben mit relativ glatten Oberflächen, gibt es praktisch keine Probenvorbereitung überhaupt erforderlich ist. Die Verwendung von EKKI für allgemeine Charakterisierung von Defekten und Fehlanpassungsversetzungen beschrieben, mit einigen Beispielen von beobachtet vorgesehen Kristalldefekte. Die Auswirkungen der Unsichtbarkeit Kriterien auf der beobachteten Abbildungskontrast einer Anordnung von Grenzflächenanpassungsversetzungen wird dann beschrieben. In diesem Fall eine Studie, um die Lücke-on-Si kritische Dicke für Versetzungsnukleation bestimmen - - Dies wird durch eine Demonstration, wie EKKI kann verwendet werden, um wichtige Arten der Charakterisierung durchzuführen, gefolgt Bereitstellung von TEM-ähnlichen Daten, sondern von der Bequemlichkeit ein SEM und in deutlich reduziert Zeitrahmen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Sirion Field Emission SEM</td>
			<td>FEI/Phillips</td>
			<td>516113</td>
			<td>Field emission SEM with beam voltage range of 200 V - 30 kV, equipped with a backscattered electron detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample of Interest</td>
			<td>Internally produced</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Synthesized/grown in-house via MOCVD</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PELCO SEMClip</td>
			<td>Ted Pella, Inc.</td>
			<td>16119-10</td>
			<td>Reusable, non-adhesive SEM sample stub (adhesive attachment will also work)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

electron channeling contrast imaging for rapid iii-v heteroepitaxial characterization

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging (ECCI) in a scanning electron microscope (SEM). ECCI allows for imaging of defects and crystallographic features under specific diffraction conditions, similar to that possible via plan-view transmission electron microscopy (PV-TEM). A particular advantage of the ECCI technique is that it requires little to no sample preparation, and indeed can use large area, as-produced samples, making it a considerably higher throughput characterization method than TEM. Similar to TEM, different diffraction conditions can be obtained with ECCI by tilting and rotating the sample in the SEM. This capability enables the selective imaging of specific defects, such as misfit dislocations at the GaP/Si interface, with high contrast levels, which are determined by the standard invisibility criteria. An example application of this technique is described wherein ECCI imaging is used to determine the critical thickness for dislocation nucleation for GaP-on-Si by imaging a range of samples with various GaP epilayer thicknesses. Examples of ECCI micrographs of additional defect types, including threading dislocations and a stacking fault, are provided as demonstration of its broad, TEM-like applicability. Ultimately, the combination of TEM-like capabilities &#8211; high spatial resolution and richness of microstructural data &#8211; with the convenience and speed of SEM, position ECCI as a powerful tool for the rapid characterization of crystalline materials.

Die Lücke / Si Proben für diese Studie wurden von metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) in einem Aixtron 3 × 2 Close-Coupled Showerhead-Reaktor folgenden heteroepitaktischen Prozess der Autoren zuvor berichtet gewachsen. 17 Alle Gewächse wurden auf 4-Zoll-Si (durchgeführt 001) Substrate mit absichtlichen Fehlorientierung (Verschnitt) von 6 ° in Richtung [110]. Alle ECCI Abbildungs ​​wurde wie gewachsen Proben ohne weitere Probenvorbereitung auch immer (abgesehen von Spaltung auf et...

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Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

Electron Channeling Contrast Imaging Rapid III-V heteroepitaktischen Charakterisierung

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

10.9K Aufrufe.  The Ohio State University. The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

Serie: Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold molecular beams. However, these beams often contain multiple conformers and clusters, even at low rotational temperatures. We present an experimental methodology that allows the spatial separation of these constituent parts of a molecular beam expansion. Using an electric deflector the beam is separated by its mass-to-dipole moment ratio, analogous to a bender or an electric sector mass spectrometer spatially dispersing charged molecules on the basis of their mass-to-charge ratio. This deflector exploits the Stark effect in an inhomogeneous electric field and allows the separation of individual species of polar neutral molecules and clusters. It furthermore allows the selection of the coldest part of a molecular beam, as low-energy rotational quantum states generally experience the largest deflection. Different structural isomers (conformers) of a species can be separated due to the different arrangement of functional groups, which leads to distinct dipole moments. These are exploited by the electrostatic deflector for the production of a conformationally pure sample from a molecular beam. Similarly, specific cluster stoichiometries can be selected, as the mass and dipole moment of a given cluster depends on the degree of solvation around the parent molecule. This allows experiments on specific cluster sizes and structures, enabling the systematic study of solvation of neutral molecules.

We present a technique that allows the spatial separation of different conformers or clusters present in a molecular beam. An electrostatic deflector is used to separate species by their mass-to-dipole moment ratio, leading to the production of gas-phase ensembles of a single conformer or cluster stoichiometry.

Räumliche Trennung von molekularen Konformen und Clustern

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

Forschung

Ingenieurwesen

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 ...

Fabrication of High Contrast Gratings for the Spectrum Splitting Dispersive Element in a Concentrated Photovoltaic System

High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve the solar conversion efficiency of a concentrated photovoltaic system. The proposed system will also lower the solar cell cost in the concentrated photovoltaic system by replacing the expensive tandem solar cells with the cost-effective single junction solar cells. The structures and the parameters of high contrast gratings for the dispersive elements were numerically optimized. The large-area fabrication of high contrast gratings was experimentally demonstrated using nanoimprint lithography and dry etching. The quality of grating material and the performance of the fabricated device were both experimentally characterized. By analyzing the measurement results, the possible side effects from the fabrication processes are discussed and several methods that have the potential to improve the fabrication processes are proposed, which can help to increase the optical efficiency of the fabricated devices.

The fabrication of high contrast gratings as the parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system is demonstrated. Fabrication processes including nanoimprint lithography, TiO2 sputtering and reactive ion etching are described. Reflectance measurement results are used to characterize the optical performance.

Herstellung von High Contrast Roste für die Spectrum Splitting dispersives Element in einer konzentrierten Photovoltaik-Anlage

High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due to fundamental constraints imposed by the hyperpolarized state, exotic imaging and reconstruction techniques are commonly used. A practical system for characterization of dynamic, multi-spectral imaging methods is critically needed. Such a system must reproducibly recapitulate the relevant chemical dynamics of normal and pathological tissues. The most widely utilized substrate to date is hyperpolarized [1-13C]-pyruvate for assessment of cancer metabolism. We describe an enzyme-based phantom system that mediates the conversion of pyruvate to lactate. The reaction is initiated by injection of the hyperpolarized agent into multiple chambers within the phantom, each of which contains varying concentrations of reagents that control the reaction rate. Multiple compartments are necessary to ensure that imaging sequences faithfully capture the spatial and metabolic heterogeneity of tissue. This system will aid the development and validation of advanced imaging strategies by providing chemical dynamics that are not available from conventional phantoms, as well as control and reproducibility that is not possible in vivo.

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

Die Verwendung eines Mehrfach Dynamische einzelner Enzym-Phantom für Studien von hyperpolarisiertem Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications of semiconductor materials. However, it is still under debate how the defect structure determines the band structure, and therefore, the recombination behavior of electron-hole pairs responsible for the optical and electrical properties of the extended defects. The present paper is a survey of procedures for the spatially resolved investigation of structural and of physical properties of extended defects in semiconductor materials with a scanning electron microscope (SEM). Representative examples are given for crystalline silicon. The luminescence behavior of extended defects can be investigated by cathodoluminescence (CL) measurements. They are particularly valuable because spectrally and spatially resolved information can be obtained simultaneously. For silicon, with an indirect electronic band structure, CL measurements should be carried out at low temperatures down to 5 K due to the low fraction of radiative recombination processes in comparison to non-radiative transitions at room temperature. For the study of the electrical properties of extended defects, the electron beam induced current (EBIC) technique can be applied. The EBIC image reflects the local distribution of defects due to the increased charge-carrier recombination in their vicinity. The procedure for EBIC investigations is described for measurements at room temperature and at low temperatures. Internal strain fields arising from extended defects can be determined quantitatively by cross-correlation electron backscatter diffraction (ccEBSD). This method is challenging because of the necessary preparation of the sample surface and because of the quality of the diffraction patterns which are recorded during the mapping of the sample. The spatial resolution of the three experimental techniques is compared.

The optical, electrical, and structural properties of dislocations and of grain boundaries in semiconductor materials can be determined by experiments performed in a scanning electron microscope. Electron microscopy has been used to investigate cathodoluminescence, electron beam induced current, and diffraction of backscattered electrons.

Umfassende Charakterisierung von ausgedehnten Defekten in Halbleitermaterialien durch ein Rasterelektronenmikroskop

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Characterization of Anisotropic Leaky Mode Modulators for Holovideo

Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators. One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator. This modulator is particularly well suited for holographic video experimentation as it is relatively simple and inexpensive to fabricate1-3. Some additional advantages of leaky mode devices include: large aggregate bandwidth, polarization separation of signal light from noise, large angular deflection and frequency control of color1. In order to realize these advantages, it is necessary to be able to adequately characterize these devices as their operation is strongly dependent on waveguide and transducer parameters4. To characterize the modulators, the authors use a commercial prism coupler as well as a custom characterization apparatus to identify guided modes, calculate waveguide thickness and finally to map the device's frequency input and angular output of leaky mode modulators. This work gives a detailed description of the measurement and characterization of leaky mode modulators suitable for full-color holographic video.

This work describes fabrication and characterization of anisotropic leaky mode modulators for holographic video.

Charakterisierung von anisotroper Leaky-Modus Modulatoren für die Holovideo

Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators.  One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator.  This ...

Electrochemical Etching and Characterization of Sharp Field Emission Points for Electron Impact Ionization

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. The results of studies in which the etching current and the molarity of the NaOH solution used in the etching process were varied are presented. The investigation of the geometry of the tips, by imaging them with a scanning electron microscope, and by operating them in field emission mode is also described. The field emission tips produced are intended to be used as an electron beam source for ion production via electron impact ionization of background gas or vapor in Penning trap mass spectrometry applications.

A method for electrochemically etching field emission tips is presented. Etching parameters are characterized and the operation of the tips in field emission mode is investigated.

Elektrochemisches Ätzen und Charakterisierung von Sharp Field Emission Punkte für Elektronenstoßionisation

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by employing an aberration-corrected scanning transmission electron microscope as the exposure tool. Here, we present results of single-digit nanometer patterning of two widely used electron-beam resists: poly (methyl methacrylate) and hydrogen silsesquioxane. The method achieves sub-5 nanometer features in poly (methyl methacrylate) and sub-10 nanometer resolution in hydrogen silsesquioxane. High-fidelity transfer of these patterns into target materials of choice can be performed using metal lift-off, plasma etch, and resist infiltration with organometallics.

We use an aberration-corrected scanning transmission electron microscope to define single-digit nanometer patterns in two widely-used electron-beam resists: poly (methyl methacrylate) and hydrogen silsesquioxane. Resist patterns can be replicated in target materials of choice with single-digit nanometer fidelity using liftoff, plasma etching, and resist infiltration by organometallics.

Einstelligen Nanometer Elektronenstrahl Lithographie mit einem Aberration korrigiert Scan Transmissions-Elektronenmikroskop

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft engines. However, developing VCE requires high costs. Thus, it is essential to build a mathematical model when developing an aircraft engine, which may avoid a large number of real tests and reduce the cost dramatically. Modeling is also crucial in control law development. In this article, based on a graphical simulation environment, a rapid method for modeling a double bypass variable cycle engine using object-oriented modeling technology and modular hierarchical architecture is described. Firstly, the mathematical model of each component is built based on the thermodynamic calculation. Then, a hierarchical engine model is built via the combination of each component mathematical model and the N-R solver module. Finally, the static and dynamic simulations are carried out in the model and the simulation results prove the effectiveness of the modeling method. The VCE model built through this method has the advantages of clear structure and real-time observation.

Here, we present a protocol to build a component-level mathematical model for a variable cycle engine.

Eine schnelle Methode zur Modellierung eines Variablenzyklusmotors

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of data that can be obtained from an individual sample and renders it difficult to produce statistically relevant data for unique and rare materials. Resonant cavity dielectric spectroscopy is a non-destructive, contactless technique which can simultaneously interrogate both sides of a sheeted material and provide measurements which are suitable for statistical interpretations. This offers analysts the ability to quickly discriminate between sheeted materials based on composition and storage history. In this methodology article, we demonstrate how contactless resonant cavity dielectric spectroscopy may be used to differentiate between paper analytes of varying fiber species compositions, to determine the relative age of the paper, and to detect and quantify the amount of post-consumer waste (PCW) recycled fiber content in manufactured office paper.

A protocol for the non-destructive analysis of the fiber content and relative age of paper.

Methodenentwicklung für kontaktlose Resonanzhöhlen dielektrische spektroskopische Studien von Cellulosic Paper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...