La recherche discuté ici a été soutenue par l&#39;Institut Michigan State University pour les sciences quantique et la National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, et DMR-0605801. KW reconnaît l&#39;appui d&#39;un ministère de l&#39;Éducation GAANN interdisciplinaire Bioelectronics bourse du programme de formation US.

1. PROTOCOLE <ol><li> La configuration initiale du microscope et de l&#39;électronique <ol><li> Commencer avec un microscope à sonde à balayage cryogénique compatible avec l&#39;électronique de commande associés. Les microscopes utilisés pour la recherche décrite ici utilise traduction inertiel à &quot;marche&quot; de l&#39;échantillon vers et à distance de la pointe le long des rampes 13 (réalisé en un matériau conducteur tel que le cuivre, le laiton, ou en acier inoxydable afin de leur permettre de transmettre la tension de polarisation à l&#39; l&#39;échantillon) dans le cadre d&#39;un STM conception Besocke 14, schématiquement représenté dans la figure 2. </li><li> En plus de la tension de polarisation et les fils coaxiaux courant tunnel, fournir au moins deux autres câbles coaxiaux et un fil de masse qui s&#39;étendent à partir de la baie électronique à proximité de la zone de la pointe du microscope afin de faire fonctionner le circuit amplificateur cryogénique pour la détection de charge sensible. Assembler les éléments du circuit amplificateur, décrite en détail dans les références 5, 12 et 15, qui sont logés sur le electronics crémaillère, ce qui est la partie du circuit en dehors de la zone ombrée sur la figure 2. Cette partie du circuit restera à la température ambiante pendant toute l&#39;expérience. </li></ol></li><li> Assemblez le morceau de montage pour la pointe et le circuit HEMT (zone ombrée dans la figure 2), le circuit HEMT sera abaissé à température cryogénique pour obtenir une résolution optimale de l&#39;énergie. <ol><li> Cleave une puce carré dimensionné environ 1 cm x 1 cm d&#39;une tranche de GaAs en utilisant un scribe, le circuit du capteur et pointe seront montés sur cette puce. Dépôt d&#39;environ 100 nm d&#39;or au sommet d&#39;une couche de colle de titane à travers un masque perforé sur la puce GaAs pour former plusieurs plots d&#39;or, chaque taille d&#39;environ 1 mm x 1 mm, dont les fils du HEMT et résistance de polarisation seront collées. Les dimensions des plaquettes ne sont pas critiques. </li><li> Préparer une pointe STM forte en coupant mécaniquement une 80:20 Pt: fil Ir utilisant coupante diagonale. La pointe peut également être préparé par gravure chimique or une autre méthode ou peut être acheté dans le commerce. Déterminer le rayon de courbure de la pointe par microscopie électronique à balayage, le rayon de courbure doit être de l&#39;ordre de la résolution spatiale nécessaire pour l&#39;expérience. </li><li> Epoxy un fil d&#39;or sur chacun des plots d&#39;or à l&#39;aide de résine époxy conductrice capable de résister à des températures cryogéniques; ces fils se connectent les éléments du circuit sur la puce de fixation aux câbles coaxiaux sur le microscope. Comme les fils d&#39;or peuvent être facilement enlevés après l&#39;étape suivante si elles ne sont pas nécessaires, époxy à quelques fils d&#39;or redondantes sur les pads. Epoxy le HEMT, la résistance de polarisation, et la pointe du STM sur le GaAs puce de montage. Cure de l&#39;époxy, comme indiqué sur sa fiche d&#39;information produit. (Voir le tableau des matériaux ci-dessous pour plus de détails.) </li><li> Utilisation d&#39;un dispositif de liaison de fil chargé avec fil d&#39;or, une liaison de la source, de drain, et les éléments du HEMT pour séparer plots d&#39;or sur la puce en GaAs à grille. brins temporaires de liaison reliant la grille et la source or plots de drain pour assurer la grille ne devient pas chargé par rapport à la voie de source-drain. Utilisez un bracelet de mise à la terre pour plus de sécurité lors de la manipulation du HEMT, il est important de prendre des précautions pour éviter d&#39;introduire des charges statiques errants qui pourraient détruire le HEMT. </li><li> Conserver la puce de montage préparés avec les fils attachés à la grille et à la voie de source-drain du transistor HEMT connectée électriquement à l&#39;autre pour éviter un court-circuit du transistor HEMT. Si les fils temporaires mentionnés dans l&#39;étape précédente ont été enlevés, tourner doucement les fils ensemble. Il est plus simple de relier tous les fils un à l&#39;autre. </li></ol></li><li> Fixez la puce de montage au microscope. <ol><li> Veiller à ce que les canaux de grille et de source-drain sont jamais flottante, c&#39;est pour éviter les courts destructeurs entre la grille et source-drain canaux du HEMT. Reliez les câbles coaxiaux sur le microscope à laquelle les fils de la puce seront soudés. </li><li> Apposer la puce de montage au sommet til numérisation piézotube, comme le montre la figure 2. </li><li> Souder les fils d&#39;or s&#39;étendant à partir de la puce de montage pour les fils coaxiaux pertinentes à l&#39;aide d&#39;indium soudure. </li></ol></li><li> Vérifier l&#39;intégrité de la HEMT à l&#39;aide d&#39;un traceur de courbes reliées à des fils coaxiaux à la crémaillère de l&#39;électronique. Essentiellement, le traceur de courbe montre le source-drain caractéristiques courant-tension. Le mode de défaillance le plus courant est un court-circuit entre la grille et le HEMT son canal source-drain, qui se traduit par des caractéristiques de source-drain qui sont insensibles à la tension de grille. </li><li> Monter l&#39;échantillon. Marche en série avec le microscope configuré en mode STM pour s&#39;assurer que l&#39;échantillon avec succès approcher la pointe. <ol><li> Reliez le fil T au préamplificateur utilisé pour les mesures de courant tunnel STM, et fixez tension de polarisation continue V DC à fil B. (Toutes les connexions sont effectuées au niveau du rack électronique.) </li><li> Marchez jusqu&#39;à ce que l&#39;échantillon et la pointe sont à portée tunnel. En cas de raESN, la piézotube balayage doit rester étendu légèrement de sa position d&#39;équilibre de sorte que la mise à la terre piézotube balayage provoque la pointe à se rétracter à partir de son extension dans la gamme. Cela permet de vérifier que l&#39;échantillon peut réussir à s&#39;approcher de la pointe. Sortez de gamme après avoir fait cela, pour protéger la pointe durant les prochaines actions. </li><li> Transférer le microscope de la paillasse de laboratoire pour le vase de Dewar pour une éventuelle opération à basse température. À ce stade, la phase de test est terminée et la phase expérimentale peut commencer. </li></ol></li><li> Pomper le microscope à un vide de quelques microtorr. Refroidir le microscope à 4,2 K ou en dessous pour une résolution optimale de l&#39;énergie, suivant la procédure décrite dans le manuel du cryostat. <ol><li> Après refroidissement, le microscope à sa température de base, laissez le microscope suffisamment de temps pour atteindre l&#39;équilibre thermique; depuis répétées, de longues analyses de la même zone seront effectués, il est important de minimiser la dérive thermique. (Drift estun déplacement de la position d&#39;équilibre de la pointe par rapport à l&#39;échantillon.) </li><li> Suspendre le vase de Dewar d&#39;isoler le microscope le plus possible de vibrations dues à un couplage mécanique de la maison et de pompes à vide et d&#39;autres périphériques connectés au microscope et Dewar. Cela peut être fait en utilisant un système de suspension d&#39;un cordon élastique, comme dans la référence 15, ou à l&#39;aide de ressorts pneumatiques ou une méthode similaire. </li></ol></li><li> Après refroidissement, le microscope et avant de tenter de collecte de données, vérifier l&#39;intégrité du HEMT à nouveau en utilisant le traceur de courbes. </li><li> Analyser l&#39;échantillon en mode tunnel (STM). <ol><li> Promenez-vous dans gamme. Localiser une zone de la surface de l&#39;échantillon qui est exempt de débris et de hauteur importante ou à des variations de la conductivité, et de veiller à la pointe est stable. </li><li> Corriger toute inclinaison de l&#39;échantillon, ce qui est particulièrement important parce que les analyses de capacité seront réalisées avec la boucle de rétroaction désactivé, donc la pointe pourrait s&#39;écraser sur la surface si le scanning plan n&#39;est pas parallèle à la surface de l&#39;échantillon. En principe, on peut utiliser le signal de capacité avec rétroaction pour maintenir une capacité constante pendant le balayage de la pointe, mais, dans la pratique, le signal n&#39;est pas suffisamment robuste pour éviter un accident si la rétroaction est utilisé. </li><li> Observer toute dérive thermique de sorte qu&#39;il peut être compensée par le repositionnement de l&#39;extrémité décalée. Notez la quantité d&#39;extension de la pointe alors dans la gamme en mode tunnel, dénommé dans le présent protocole comme le point de contact. </li></ol></li><li> Déplacer vers une zone non perturbé de l&#39;échantillon, celui qui n&#39;a pas été analysé en mode STM. <ol><li> Désactiver la boucle de rétroaction dans le contrôleur de la STM. Rappelons que lorsque la boucle de rétroaction est désactivé, les mouvements manuels de la pointe pourraient par inadvertance provoquer un plantage. Un grand soin doit donc être prise tout en déplaçant la pointe. </li><li> Rétracter la pointe de quelques dizaines de nanomètres à partir du point de contact. </li><li> Décalage de la position latérale de la pointe vers une zone à proximité de l&#39;échantillon WHICH n&#39;a pas été récemment analysés, afin d&#39;éviter toute perturbation de charge (tels que des sites de dopant de semi-conducteur), la tension de polarisation nécessaire pour permettre à effet tunnel à travers l&#39;échantillon semi-conducteur pour le balayage de la STM peut avoir induits. </li><li> Précaution étendre la pointe en direction de la surface jusqu&#39;à ce que le déplacement de la pointe de l&#39;extension à l&#39;équilibre est proche en amplitude à la pointe de touche. </li></ol></li><li> Commutateur configuration de câblage en mode capacitif. <ol><li> Reliez tous les câbles coaxiaux pour protéger le HEMT. </li><li> Connecter les fils coaxiaux aux sources et résistances de tension pertinents et à la amplificateur lock-in et le générateur de fonction, comme le montre la figure 2. </li><li> Mettez toutes les sources de tension. Pour éviter de choquer le HEMT, commencez avec des sorties de source de tension à 0 V. </li><li> Non broyée les fils coaxiaux, sans oublier de tenir la grille et le canal source-drain du transistor HEMT reliée à l&#39;autre aussi longtemps que possible afin de protéger le transistor HEMT. </li><li> Réglez le vSource ension sur la résistance de diviseur de tension (fil D). </li><li> Réglez le HEMT à sa région la plus sensible en surveillant la tension aux bornes de fil L avec un multimètre tout en ajustant V mélodie. Remettez fil L à l&#39;amplificateur lock-in après. </li><li> Augmenter V air jusqu&#39;à ce que le signal en phase sur le lock-in des augmentations de l&#39;amplificateur et commence à se stabiliser, record cette valeur de V air, qui est la tension appliquée à la pointe. Cela permet à tous les responsables de la mesure d&#39;aller à la HEMT au lieu de fuir à travers fil L. </li><li> Optimiser la phase interne de l&#39;amplificateur de verrouillage en utilisant sa capacité de Autophase et enregistrer la valeur de phase. </li><li> Attendez que le HEMT à se stabiliser pour s&#39;assurer qu&#39;il n&#39;ya pas d&#39;effets thermiques importants (cela prend souvent jusqu&#39;à deux heures). </li></ol></li><li> Équilibrer le HEMT en ajustant le signal sur le condensateur standard pour assurer que seul le signal d&#39;intérêt va à l&#39;amplificateur à verrouillage. Ajustements du signal sur l&#39;condensateur standard peut être fait soit à l&#39;amplitude de l&#39;équilibre V ou de la phase relative entre équilibre V et V &#39;excitation. Le transistor HEMT est considéré équilibré lorsque le signal en phase sur l&#39;amplificateur lock-in est réduit à cette étape de la procédure. </li><li> Effectuer un balayage d&#39;imagerie à accumulation de charge. <ol><li> Régler la tension de polarisation continue V DC sur l&#39;échantillon. </li><li> Elargir la pointe à l&#39;intérieur de 1 nm de la surface, en utilisant le point de contact à titre de référence. </li><li> Enregistrer la sortie de l&#39;amplificateur de verrouillage à l&#39;aide du logiciel d&#39;acquisition de données, ce qui est le signal d&#39;intérêt. </li><li> Analyser l&#39;échantillon. Pour obtenir une bonne résolution, les scans peuvent être acquises à raison de plusieurs heures par balayage pour permettre suffisant moyenne du signal pour chaque pixel et pour éviter le grippage du signal à travers pixels adjacents de l&#39;image. Effectuer plusieurs analyses sur la même zone, et ceux-ci moyenne scanne ensemble pour améliorer le rapport signal-sur-bruit. </li></ol&gt; </li><li> Effectuer spectroscopie capacité (CV) de la pointe stationnaire au-dessus d&#39;une caractéristique du sous-sol d&#39;intérêt dans l&#39;image d&#39;accumulation de charges acquises au cours de l&#39;étape précédente. <ol><li> Rampe V DC et enregistrer la sortie de l&#39;amplificateur lock-in en utilisant le logiciel d&#39;acquisition de données. </li><li> Prenez plusieurs capacitance fonction de la tension des courbes (CV) dans le même lieu, et la moyenne de ces courbes ensemble pour améliorer le rapport signal-sur-bruit. Typiquement, quelques courbes sont moyennées ensemble. Alors que les courbes moyenne améliore le rapport signal-sur-bruit, en raison de la possibilité de dérive au cours des analyses, seule une poignée de balayages successifs devrait être en moyenne ensemble. </li></ol></li><li> Revenir en mode tunnel (STM). <ol><li> Rétracter la pointe de l&#39;extension de son équilibre et de reconfigurer l&#39;électronique pour la STM. Réactiver la boucle de rétroaction et d&#39;enregistrer l&#39;heure actuelle dans de gamme prolongement de la pointe (point de contact). </li><li> Balayer la zone en mode tunnel pour rechercher des fonctions dans le topgraphie qui peuvent avoir généré des artefacts dans l&#39;imagerie de la capacité et de la spectroscopie de capacité. </li></ol></li><li> Analyser et interpréter les données, à la suite de référence 9 et les pièces justificatives dans la référence 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. 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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>

Les auteurs déclarent qu&#39;ils n&#39;ont aucun intérêt financier concurrents.

Une explication détaillée de la base théorique de cette méthode expérimentale est donnée dans les références 8 et 9 et discuté en ce qui concerne le scénario de dopants sous-sol dans la référence 2, le bilan présenté ici sera donc brève et conceptuel. La pointe est traitée comme une plaque d&#39;un condensateur, et la couche conductrice sous-jacente à l&#39;échantillon comprend l&#39;autre plaque. Si la tension continue est appliquée de sorte que les électrons sont attirés vers la pointe, et si il y...

Accumulation imagerie de charge du sous-sol (SCA) est une méthode à basse température capable de résoudre les événements de charge à électron unique. Lorsqu&#39;elle est appliquée à l&#39;étude des atomes dopants dans les semi-conducteurs, la méthode peut détecter des électrons individuels entrant donneur ou accepteur atomes, permettant la caractérisation de la structure quantique de ces systèmes minute. En son cœur, l&#39;imagerie SCA est une mesure de la capacité locale 6 bien adapté pour un fonctionnement cryogénique. Parce que la capacité est basée sur un champ électrique, c&#39;est un effet à long terme qui peut résoudre charge sous les surfaces isolant 6. Opération cryogénique permet d&#39;étudier de mouvement à un seul électron et de l&#39;espacement de niveau quantique qui seraient insolubles à température ambiante 1,2. La technique peut être appliquée à n&#39;importe quel système dans lequel le mouvement des électrons sous une surface isolante est important, y compris la dynamique de charge dans les systèmes d&#39;électrons bidimensionnel aux interfaces enterrées 7; par souci de concision,<html> l&#39;accent sera mis sur l&#39;étude des dopants de semi-conducteurs. Au niveau le plus schématique, cette technique traite la pointe numérisée comme une plaque d&#39;un condensateur à plaques parallèles, bien que l&#39;analyse réaliste exige une description plus détaillée de rendre compte de la courbure de la pointe 8,9. L&#39;autre armature de ce modèle est une région échelle nanométrique de la couche conductrice sous-jacente, comme indiqué sur la figure 1. Pour l&#39;essentiel, comme une charge entre un dopant en réponse à une tension d&#39;excitation périodique, il se rapproche de la pointe, ce qui induit un mouvement plus l&#39;image chargée sur la pointe, qui est détectée par le circuit de détection 5. De même, comme la charge de quitter le dopant, la charge d&#39;image sur la pointe est diminuée. Ainsi, le signal de charge périodique en réponse à la tension d&#39;excitation est le signal détecté - il s&#39;agit essentiellement capacité, donc cette mesure est souvent désigné comme la détermination des caractéristiques CV du système. tente &quot;&gt; Lors de la mesure de capacité, le tunnel seulement net se situe entre la couche conductrice sous-jacente et la couche de dopant -. Ne jamais charger tunnels directement sur la pointe Le manque de tunnel ou de la pointe directe lors de la mesure est une différence importante entre cette technique et le plus familier microscopie à effet tunnel, même si une grande partie du matériel de ce système est essentiellement identique à celle d&#39;un microscope à effet tunnel. Il est également important de noter que l&#39;imagerie SCA n&#39;est pas directement sensibles aux charges électrostatiques. Pour les enquêtes de charge statique distributions, la numérisation Kelvin microscopie à sonde ou la microscopie à force électrostatique est approprié méthodes cryogéniques supplémentaires pour examiner le comportement électronique local existent qui ont également une bonne résolution électronique et spatiale;. par exemple, la numérisation transistor microscopie électron unique est une autre méthode de sonde à balayage capable de détecter minute de charge effets 4,10. imagerie SCA était à l&#39;originedéveloppé au MIT par Tessmer, Glicofridis, Ashoori, et ses collègues 7, d&#39;ailleurs, la méthode décrite ici peut être considéré comme une version à sonde de balayage de la méthode de spectroscopie Capacité à électron unique développé par Ashoori et ses collègues 11. Un élément clé de la mesure est un circuit de charge de détection extrêmement sensibles 5,12 utilisant des transistors à haute mobilité d&#39;électrons (HEMT), il peut atteindre un niveau de bruit aussi bas que 0.01 électrons / Hz ½ à 0,3 K, la température de base du cryostat en référence 5. Une telle sensibilité élevée permet l&#39;observation de la charge à un seul électron dans les systèmes souterrains. Cette méthode est adaptée à l&#39;étude de la dynamique des électrons ou des trous de groupes individuels ou petits de dopants dans les semi-conducteurs, avec des densités surfaciques dopants typiques de l&#39;ordre de 10 15 m -2 dans une géométrie plane 2. Un exemple d&#39;un exemple de configuration typique pour ce type d&#39;expérience est illustré à la figure 1 </strong&gt;. La couche de dopant est généralement placé à quelques dizaines de nanomètres sous la surface, il est important de connaître les distances précises entre la couche conductrice sous-jacente et la couche de dopant et entre la couche de dopant et de la surface de l&#39;échantillon. Contrairement à effet tunnel, la capacité ne tombe pas exponentielle mais diminue essentiellement en raison inverse de la distance. Par conséquent, la profondeur dopant pourrait en principe être encore plus profond que des dizaines de nanomètres sous la surface, pour autant que certaines fraction raisonnable des terres de champ électrique sur la pointe. Pour l&#39;ensemble des sondes locales cryogéniques précitées du comportement électronique, y compris la technique décrite ici, la résolution spatiale est limitée par la taille géométrique de la pointe et par la distance entre la caractéristique du sous-sol d&#39;intérêt et de la pointe de sonde à balayage.

<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

L&#39;intégration des techniques de sonde à balayage à basse température et de la spectroscopie de capacité à électron unique représente un outil puissant pour étudier la structure électronique quantique de petits systèmes - y compris dopants atomiques individuelles dans les semi-conducteurs. Nous présentons ici une méthode basée sur la capacité, connue sous le nom de charge du sous-sol Accumulation (SCA) d&#39;imagerie, qui est capable de résoudre charge à électron unique, tout en réalisant une résolution spatiale suffisante pour images dopants atomiques individuelles. L&#39;utilisation d&#39;une technique de capacité permet l&#39;observation des caractéristiques du sous-sol, tels que les dopants enterrées plusieurs nanomètres sous la surface d&#39;un matériau semi-conducteur 1,2,3. En principe, cette technique peut être appliquée à n&#39;importe quel système pour résoudre mouvement des électrons sous une surface isolante. Comme dans d&#39;autres techniques numérisé-sonde de champ électrique sensibles à 4, la résolution spatiale latérale de la mesure dépend en partie du rayon de curvature de la pointe de la sonde. Utilisant des bouts avec un faible rayon de courbure peut permettre une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètres. Cette résolution spatiale fine permet enquêtes sur les petits numéros (à un seul) de dopants subsurface 1,2. La résolution de charge dépend fortement de la sensibilité du circuit de détection de charge; utilisant des transistors à haute mobilité d&#39;électrons (HEMT) dans ces circuits à des températures cryogéniques permet une sensibilité d&#39;environ 0,01 électrons / Hz ½ à 0,3 K 5.

L&#39;indicateur principal de mesure de succès est la reproductibilité, tout comme dans d&#39;autres méthodes de sonde de balayage. Des mesures répétées sont très importants pour cette raison. Pour la spectroscopie de points de capacité, en prenant plusieurs mesures successives, au même endroit permet d&#39;augmenter le rapport signal sur bruit et d&#39;identifier des signaux parasites. Une fois une fonction d&#39;intérêt a été identifié dans l&#39;image d&#39;accumulation de c...

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Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Spectroscopie de capacitance à électron unique sonde à balayage facilite l&#39;étude du mouvement à un seul électron dans les régions souterraines localisées. Un circuit de charge-détection sensible est incorporé dans un microscope à sonde à balayage pour étudier cryogénique petits systèmes d&#39;atomes de dopant sous la surface d&#39;échantillons de semi-conducteurs.

Sonde à balayage spectroscopie de capacité unique électron

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

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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.

Résolution angulaire spectroscopie de photoémission à très basse température

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

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Ingénierie

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.

Quantum État génie de la lumière avec continu-ondes optiques paramétriques oscillateurs

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.

Enquête molécule unique adhérence par force atomique Spectroscopie

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 Détection de biomolécules Utilisation EBL fabrication des substrats nanostructurés

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 métal-oxyde-semiconducteur Quantum Dots pour le pompage mono-électronique

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.

Resonance Raman Spectroscopy de Extreme nanofils et autres systèmes 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.

Quasi-résonance à haute résolution Phonon assistée Fluorescence Spectroscopy

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.

Free-forme légère Actionneurs - Fabrication et contrôle des Actuation dans l&#39;échelle microscopique

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 Utiliser 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 ...

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.