La investigación discutido aquí fue apoyada por el Instituto Estatal de Michigan Universidad de Ciencias de Quantum y la Fundación Nacional para la Ciencia DMR-0305461, DMR-0906939, y DMR-0605801. KW reconoce el apoyo de un Departamento de Educación GAANN Interdisciplinario Bioelectronics beca del Programa de Formación EE.UU..

1. PROTOCOLO <ol><li> La configuración inicial del microscopio y de la electrónica <ol><li> Comience con un microscopio de sonda de barrido criogénica con capacidad de la electrónica de control asociados. Los microscopios utilizados para la investigación que se describe aquí utiliza la traducción de inercial a &quot;caminar&quot; la muestra hacia y lejos de la punta a lo largo de las rampas 13 (hecho de un material conductor tal como cobre, latón o acero inoxidable para que puedan transmitir tensión de polarización a la de la muestra) como parte de un STM diseño Besocke 14, que se muestra esquemáticamente en la Figura 2. </li><li> Además de la tensión de polarización y la construcción de túneles cables coaxiales actuales, proporcionar al menos otros dos cables coaxiales y un cable de tierra que se extienden desde el bastidor electrónica a cerca de la zona de la punta del microscopio con el fin de operar el circuito amplificador criogénico para la detección sensible a la carga. Montar los elementos del circuito amplificador, se describe en detalle en las referencias 5, 12, y 15, que están alojados en el correolectronics bastidor, lo que es la parte del circuito fuera del área sombreada en la figura 2. Esta parte del circuito permanecerá a temperatura ambiente durante todo el experimento. </li></ol></li><li> Montar el chip de montaje para la punta y el circuito HEMT (caja sombreada en la Figura 2); el circuito HEMT se reducirá a temperatura criogénica para obtener una resolución óptima de energía. <ol><li> Cleave un chip cuadrado dimensionado aproximadamente 1 cm x 1 cm de una oblea de GaAs usando un escriba; el circuito del sensor y la punta se montarán en este chip. Depósito de aproximadamente 100 nm de oro encima de una capa de pegado de titanio a través de una máscara de sombra en el chip de GaAs para formar varias almohadillas de oro, cada uno de tamaño de aproximadamente 1 mm x 1 mm, a la que los cables de la HEMT y resistencia de polarización se pueden unir. Las dimensiones de las pastillas no son críticos. </li><li> Prepare una punta afilada STM cortando mecánicamente un 80:20 Pt: Alambre Ir con corte diagonal. La punta se puede preparar también por ataque químico or otro método o se puede comprar en el mercado. Determinar el radio de curvatura de la punta a través de microscopía electrónica de barrido, el radio de curvatura debe ser del orden de la resolución espacial necesaria para el experimento. </li><li> Epoxi un alambre de oro en cada una de las almohadillas de oro utilizando resina epoxídica conductora capaz de resistir temperaturas criogénicas; estos cables estarán conectados los elementos del circuito en el chip de montaje para los cables coaxiales en el microscopio. Dado que los hilos de oro se pueden quitar fácilmente después de que el siguiente paso si no se necesitan, epoxi unos alambres de oro redundantes en las almohadillas. Epoxi el HEMT, la resistencia de polarización, y la punta del STM en los chips de GaAs de montaje. Curar el epoxi como se indica en la hoja de información del producto. (Ver la tabla de materias a continuación para obtener más detalles.) </li><li> El uso de un dispositivo de unión de alambre cargado con hilo de oro, enlace la fuente, drenaje y elementos de puerta de los HEMT para separar almohadillas de oro en el chip de GaAs. Cables temporales enlace que conecta la puerta y la fuente or almohadillas de drenaje para asegurar la puerta no se cargan con respecto al canal de origen de la fuga. Utilice una correa de conexión a tierra para mayor seguridad mientras está maniobrando el HEMT, es importante tomar precauciones para evitar la introducción de cargas estáticas callejeros que podrían destruir la HEMT. </li><li> Almacenar el chip de montaje preparada con los cables conectados a la puerta y para el canal de la fuente-drenaje de la HEMT conectados eléctricamente entre sí para evitar un cortocircuito en la HEMT. Si se han eliminado los cables temporales mencionados en el paso anterior, gire suavemente los cables juntos. Es más sencilla de conectar todos los cables entre sí. </li></ol></li><li> Coloque el chip de montaje para el microscopio. <ol><li> Asegúrese de que los canales de compuerta y la fuente-drenaje nunca son flotante; esto es para evitar cortocircuitos destructivas entre los canales de compuerta y la fuente-drenaje de la HEMT. A tierra de los cables coaxiales en el microscopio a la que se sueldan los cables desde el chip. </li><li> Coloque el chip de montaje encima de tque piezotube de barrido, como se muestra en la Figura 2. </li><li> Soldar los alambres de oro que se extienden desde el chip de montaje para los cables coaxiales pertinentes utilizando soldadura de indio. </li></ol></li><li> Comprobar la integridad de la HEMT utilizando un trazador de curvas conectado a los cables coaxiales en el bastidor de la electrónica. Esencialmente, el trazador de curvas muestra la fuente de la fuga de las características corriente-tensión. El modo de fallo más común es un corto entre la puerta HEMT y su canal de fuente-drenaje, lo que resulta en características de fuente-drenaje que son insensibles a la tensión de puerta. </li><li> Montar la muestra. Entra en rango con el microscopio configurado en el modo de STM para asegurar que la muestra se acercará con éxito la punta. <ol><li> Conecte el cable de T para el preamplificador usado para STM túnel mediciones de corriente y conectar DC tensión de polarización V DC al cable B. (Todas las conexiones se realizan en el bastidor de la electrónica.) </li><li> Camine hasta que la muestra y la punta están en el rango de túnel. Cuando en la ARENS, la piezotube exploración debe permanecer extendido ligeramente de su posición de equilibrio para que la conexión a tierra del piezotube exploración hará que la punta se retraiga de su extensión en el alcance. Esto verifica que la muestra puede acercarse con éxito la punta. Caminar fuera de rango después de hacer esto, para proteger la punta durante las próximas acciones. </li><li> Transferir el microscopio de la mesa de trabajo de laboratorio para el dewar para funcionamiento a baja temperatura posible. En este punto, la fase de prueba se ha completado y la fase experimental puede comenzar. </li></ol></li><li> Bombear el microscopio a un vacío de unos pocos microtorr. Enfriar el microscopio a 4,2 K o abajo para la resolución óptima de energía, siguiendo el procedimiento descrito en el manual para el criostato. <ol><li> Después de enfriar el microscopio a su temperatura de base, permite el tiempo suficiente microscopio para alcanzar el equilibrio térmico; ya que se pueden realizar repetidas largas, las exploraciones de la misma área, es importante para minimizar la deriva térmica. (Drift esun cambio en la posición de equilibrio de la punta con respecto a la muestra). </li><li> Suspender el dewar para aislar el microscopio tanto como sea posible de las vibraciones debidas al acoplamiento mecánico para la construcción y para las bombas de vacío y otros dispositivos conectados al microscopio y Dewar. Esto se puede hacer usando un sistema de suspensión cuerda elástica, que en la Referencia 15, o mediante el uso de cámaras de aire o un método similar. </li></ol></li><li> Después de enfriar el microscopio y antes de intentar la recogida de datos, verificar la integridad de la HEMT de nuevo usando el trazador de curvas. </li><li> Analizar la muestra en el modo de efecto túnel (STM). <ol><li> Entra en rango. Localice una región de la superficie de la muestra que esté libre de escombros y de altura considerable o variaciones de conductividad, y asegúrese de que la punta es estable. </li><li> Corregir cualquier inclinación de la muestra, lo que es especialmente importante porque las exploraciones de capacitancia se realizaron con el bucle de realimentación desactivada, por lo tanto la punta podría chocar contra la superficie si el scannING avión no es paralela a la superficie de la muestra. En principio, se podría usar la señal de capacitancia de retroalimentación para mantener una capacidad constante durante la exploración de la punta, sin embargo, en la práctica, la señal no es lo suficientemente robusta como para evitar un accidente si se utiliza la retroalimentación. </li><li> Observe cualquier deriva térmica de modo que pueda ser compensado mediante el reposicionamiento de la punta compensado. Tenga en cuenta la cantidad de extensión de la punta, mientras que en el rango en el modo de túnel, denominado en el presente Protocolo como el punto de contacto. </li></ol></li><li> Vaya a un área no perturbada de la muestra, uno que no ha sido explorado en modo STM. <ol><li> Desactivar el bucle de realimentación en el controlador de STM. Recordemos que cuando el bucle de realimentación se desactiva, los movimientos manuales de la punta inadvertidamente podría causar un accidente. Por lo tanto, mucho cuidado debe ser tomado mientras se mueve la punta. </li><li> Retirar la punta de unas pocas decenas de nanómetros desde el punto de contacto. </li><li> Desplazamiento de la posición lateral de la punta de un área cercana de la muestra WHIch hace poco no se ha escaneado, para evitar cualquier perturbación (como la carga de los sitios de dopantes semiconductores) la tensión de polarización requerida para habilitar el túnel a través de la muestra de semiconductor para la exploración STM puede haber inducido. </li><li> Cautelosamente extender la punta hacia la superficie hasta que el desplazamiento de la punta de la extensión de equilibrio está cerca en magnitud al punto de contacto. </li></ol></li><li> Cambie la configuración del cableado al modo de capacitancia. <ol><li> Conecte a tierra todos los cables coaxiales para proteger el HEMT. </li><li> Conectar los cables coaxiales a las fuentes de tensión y resistencias pertinentes y para el amplificador de bloqueo y el generador de funciones, como se muestra en la Figura 2. </li><li> Encienda todas las fuentes de tensión. Para evitar escandalizar a la HEMT, comience con salidas de fuente de tensión a 0 V. </li><li> Sin moler los cables coaxiales, recordando para mantener la puerta y el canal de la fuente-drenaje de la HEMT conectados entre sí tanto como sea posible con el fin de proteger el HEMT. </li><li> Ajuste el vfuente oltaje en la resistencia de divisor de tensión (cable D). </li><li> Sintonice el HEMT de su región más sensible al monitorear el voltaje a través de cable de L con un multímetro mientras ajusta V melodía. Vuelva a colocar alambre de L al amplificador lock-in después. </li><li> Aumentar V sintonía hasta que la señal en fase en la cerradura-en incrementos amplificador y comienza a estabilizarse, registrar este valor de V melodía, que es la tensión aplicada a la punta. Esto permite que toda la carga de la medición para ir a la HEMT en lugar de fugas a través de alambre de L. </li><li> Optimice la fase interna del amplificador lock-in con su capacidad Autophase y registrar el valor de fase. </li><li> Espere a que el HEMT de estabilizar para asegurar que no hay efectos térmicos significativos (esto a menudo tarda hasta dos horas). </li></ol></li><li> Equilibrar el HEMT ajustando la señal en el condensador estándar para asegurar que sólo la señal de interés va al amplificador lock-in. Los ajustes de la señal en lacondensador estándar se puede hacer ya sea a la amplitud de equilibrio V o a la fase relativa entre el balance de V y V de excitación. El HEMT se considera equilibrado cuando la señal en fase en el amplificador de bloqueo se reduce al mínimo en este paso del procedimiento. </li><li> Realizar análisis de imágenes de acumulación de carga. <ol><li> Ajuste el voltaje de polarización de CC V CC en la muestra. </li><li> Extienda la punta dentro de 1 nm de la superficie, utilizando el punto táctil como referencia. </li><li> Registre la salida del amplificador lock-in con el software de adquisición de datos, lo que es la señal de interés. </li><li> Busque en la muestra. Para obtener una buena resolución, pueden necesitar ser adquirida a razón de varias horas por escaneo para permitir suficiente promediado de señal para cada píxel y para evitar manchas de la señal entre los píxeles adyacentes de la imagen de las exploraciones. Realizar varios análisis sobre la misma área, y éstos promedio escanea en conjunto para mejorar la relación señal-a-ruido. </li></ol&gt; </li><li> Realizar capacitancia espectroscopia (CV) con la punta estacionaria por encima de una característica del subsuelo de interés en la imagen de la acumulación de carga adquirida durante el paso anterior. <ol><li> Rampa V CC y grabar la salida del amplificador lock-in usando el software de adquisición de datos. </li><li> Tome varias curvas de capacitancia vs voltaje (CV) en el mismo lugar, y el promedio de estas curvas en conjunto para mejorar la relación señal-ruido. Típicamente, unas curvas se promedian en conjunto. Mientras que las curvas promedio de mejora de la relación señal-a-ruido, debido a la posibilidad de deriva durante los análisis, sólo un puñado de exploraciones sucesivas debe promediarse juntas. </li></ol></li><li> Vuelva al modo de efecto túnel (STM). <ol><li> Retirar la punta de su extensión equilibrio y volver a configurar el sistema electrónico de STM. Vuelva a habilitar el bucle de realimentación y registrar la pre-rango de extensiones de la punta (punto de contacto). </li><li> Explore el área de modo de túnel para buscar características en la parte superiorgrafía que pueden haber artefactos en la imagen de la capacitancia y la espectroscopia de capacitancia. </li></ol></li><li> Analizar e interpretar los datos, después de Referencia 9 y la información de apoyo en la Referencia 1. </li></ol>

<ol>
	<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=A+simple+low-dissipation+amplifier+for+cryogenic+scanning+tunneling+microscopy.">A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy.</a> Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).</li><li>Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+capacitance+microscopy+on+a+25+nm+scale.">Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale.</a> Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).</li><li>Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, 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=Subsurface+charge+accumulation+imaging+of+a+quantum+Hall+liquid.">Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid.</a> Nature. 392, 51-54 (1998).</li><li>Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+single-+and+multiple-electron+resonances+for+electric-field-sensitive+scanning+probes.">Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes.</a> Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).</li><li>Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. 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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. F., Besocke, K., Teske, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coarse+tip+distance+adjustment+and+positioner+for+a+scanning+tunneling+microscope.">Coarse tip distance adjustment and positioner for a scanning tunneling microscope.</a> Rev. Sci. Instrum. 60 (6), 1200-1201 (1989).</li><li>Besocke, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+easily+operable+scanning+tunneling+microscope.">An easily operable scanning tunneling microscope.</a> Surf. Sci. 181, 145-153 (1987).</li><li>Urazhdin, S., Maasilta, I. J., Chakraborty, S., Moraru, I., 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=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>

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Una explicación detallada de la base teórica de este método experimental se dan en las referencias 8 y 9 y discutido con respecto al escenario de dopantes del subsuelo en la Referencia 2; la información general que aquí se presenta por lo tanto, ser breve y conceptual. La punta se trata como una placa de un condensador, y la capa conductora subyacente a la muestra comprende la otra placa. Si se aplica la tensión de CC de modo que los electrones son atraídos hacia la punta, y si hay un átomo de dopante situada en...

Acumulación de imágenes de carga del subsuelo (SCA) es un método de baja temperatura capaz de resolver los eventos de carga de un solo electrón. Cuando se aplica al estudio de los átomos de dopante en los semiconductores, el método puede detectar electrones individuales que entran en átomos donantes o aceptor, permitiendo la caracterización de la estructura cuántica de estos sistemas minutos. En su corazón, SCA formación de imágenes es una medición de la capacidad local de 6 bien adaptado para la operación criogénica. Debido a que la capacitancia se basa en el campo eléctrico, que es un efecto de largo alcance que puede resolver de carga por debajo de las superficies de aislamiento 6. Operación criogénica permite la investigación de movimiento de un solo electrón y el espaciamiento nivel cuántico que serían irresolubles en la sala de temperatura de 1,2. La técnica se puede aplicar a cualquier sistema en el que movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante es importante, incluyendo la dinámica de carga de electrones en sistemas de dos dimensiones en las interfaces enterrados 7; por razones de brevedad,<html> el enfoque aquí será en estudios de agentes de dopado de semiconductores. En el nivel más esquemática, esta técnica trata a la punta escaneada como una placa de un condensador de placas paralelas, aunque el análisis realista requiere una descripción más detallada para tener en cuenta la curvatura de la punta de 8,9. La otra placa en este modelo es una región a nanoescala de la capa conductora subyacente, como se muestra en la Figura 1. Esencialmente, como una carga entra en un dopante en respuesta a una tensión de excitación periódica, que se acerca a la punta; este movimiento induce más carga imagen en la punta, que se detecta con el circuito del sensor 5. Del mismo modo, como la carga sale del dopante, se disminuye la carga de la imagen en la punta. Por lo tanto la señal de carga periódica en respuesta a la tensión de excitación es la señal detectada - esencialmente es la capacitancia, por lo que esta medida se conoce como la determinación de las características del sistema de CV a menudo. tienda de campaña &quot;&gt; Durante la medición de capacitancia, la única red de túnel es entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado -. túneles de carga nunca directamente sobre la punta La falta de un túnel directo hacia o desde la punta durante la medición es una diferencia importante entre este y la técnica de escaneo más familiarizados microscopía de efecto túnel, aunque gran parte del hardware para este sistema es esencialmente idéntica a la de un microscopio de efecto túnel. También es importante tener en cuenta que SCA formación de imágenes no es directamente sensible a las cargas electrostáticas. Para las investigaciones de carga estática distribuciones, escaneo de microscopía de sonda Kelvin o microscopía de fuerza electrostática es apropiado métodos criogénicos adicionales para examinar el comportamiento existe electrónica local, que también tienen una buena resolución electrónica y espacial;. por ejemplo, microscopía transistor de un solo electrón es otro método de sonda de barrido capaz de detectar los minutos de carga efectos 4,10. SCA imagen fue originalmentedesarrollado en el MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, y los compañeros de trabajo 7, por otra parte, el método descrito aquí puede ser considerado como una versión de sonda de barrido del método Espectroscopía de la capacitancia de un solo electrón desarrollado por Ashoori y compañeros de trabajo 11. Un elemento clave de la medición es un circuito de carga-detección exquisitamente sensible 5,12 utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT), sino que puede lograr un nivel de ruido tan bajo como 0.01 electrones / Hz ½ a 0,3 K, la temperatura de base del criostato en referencia 5. Esta alta sensibilidad permite la observación de la carga de un solo electrón en sistemas subterráneos. Este método es adecuado para el estudio de la dinámica de electrones o un agujero de grupos individuales o pequeñas de dopantes en semiconductores, típicos con densidades de área dopantes en el orden de 10 15 m -2 en una geometría plana 2. Un ejemplo de una configuración de ejemplo típico de este tipo de experimento se muestra en la Figura 1 </strong&gt;. La capa de agente de dopado se coloca típicamente unas pocas decenas de nanómetros por debajo de la superficie, es importante conocer las distancias precisas entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado y entre la capa de agente de dopado y la superficie de la muestra. En contraste con efecto túnel, capacitancia no se caiga de forma exponencial, pero en su lugar disminuye esencialmente en proporción inversa a la distancia. Por lo tanto, la profundidad de dopante en principio, podría ser incluso más profunda que decenas de nanómetros bajo la superficie, siempre que una fracción razonable de los terrenos del campo eléctrico en la punta. Para todas las mencionadas sondas criogénicas locales de comportamiento electrónico, incluyendo la técnica descrita aquí, la resolución espacial está limitada por el tamaño geométrico de la punta y por la distancia entre la característica del subsuelo de interés y la punta de sonda de barrido.

<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

La integración de técnicas de sonda de barrido de baja temperatura y espectroscopia de capacitancia de un solo electrón representa una poderosa herramienta para estudiar la estructura cuántica electrónica de pequeños sistemas - incluyendo dopantes atómicas individuales en los semiconductores. Aquí se presenta un método basado en la capacitancia, conocida como acumulación de carga subsuperficial (SCA) de imágenes, que es capaz de resolver la carga de un solo electrón, mientras que el logro de una resolución espacial suficiente para imagen dopantes atómicas individuales. El uso de una técnica de capacitancia permite la observación de las características del subsuelo, tales como agentes de dopado enterrados muchos nanómetros por debajo de la superficie de un material semiconductor 1,2,3. En principio, esta técnica se puede aplicar a cualquier sistema para resolver movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante. Al igual que en otras técnicas de escaneado-sonda de campo eléctrico sensibles a la 4, la resolución espacial lateral de la medición depende en parte de la radio de curvature de la punta de la sonda. Utilizando puntas con un pequeño radio de curvatura puede habilitar la resolución espacial de unas pocas decenas de nanómetros. Esta buena resolución espacial permite la investigación de pequeñas cantidades (hasta las) de dopantes subsuelo 1,2. La resolución de carga depende en gran medida de la sensibilidad de la circuitería de detección de carga; utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) en dichos circuitos a temperaturas criogénicas permite una sensibilidad de aproximadamente 0.01 electrones / Hz ½ a 0,3 K 5.

El principal indicador de medición de éxito es la reproducibilidad, tanto como en otros métodos de sonda de barrido. Las medidas repetidas son muy importantes por esta razón. Para la espectroscopia de capacitancia punto, teniendo muchas mediciones en sucesión en la misma ubicación ayuda a aumentar la relación señal-a-ruido e identificar señales espurias. Una vez que una característica de interés se ha identificado dentro de la imagen de acumulación de carga y la espectroscopia de...

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Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Sonda de barrido espectroscopía capacitancia solo electrón facilita el estudio del movimiento de un solo electrón en regiones bajo la superficie localizados. Un circuito de carga-detección sensible se incorpora en un microscopio de sonda de barrido criogénico para investigar pequeños sistemas de átomos de dopante debajo de la superficie de las muestras de semiconductores.

Sonda de barrido de un solo electrón espectroscopia de capacitancia

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 vistas.  Michigan State University. Sonda de barrido espectroscopía capacitancia solo electrón facilita el estudio del movimiento de un solo electrón en regiones bajo la superficie localizados. Un circuito de carga-detección sensible se incorpora en un microscopio de sonda de barrido criogénico para investigar pequeños sistemas de átomos de dopante debajo de la superficie de las muestras de semiconductores.

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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.

De ángulo resuelto espectroscopia de fotoemisión a bajas temperaturas

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

Investigación

Ingeniería

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.

Ingeniería de la Luz con la onda continua Optical Parametric Oscillators Estado Quantum

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.

Investigando individual molécula de adhesión por espectroscopia de fuerza atómica

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.

Surface Enhanced Raman Spectroscopy detección de biomoléculas mediante EBL Fabricados Nanoestructurados Sustratos

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.

De silicio metal-óxido-semiconductor Quantum Dots para Bombeo solo electrón

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.

Resonancia Raman Spectroscopy de nanocables de riesgo y otros sistemas 1D

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.

De alta resonancia cuasi-asistida Phonon Resolución espectroscopia de fluorescencia

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.

De forma libre actuadores de luz - Fabricación y Control de la Actuación en la escala microscópica

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.

Sondeo de C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si Sustrato Uso del análisis de microscopio de sonda y Dinámica Molecular

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.