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

ברצוננו להודות מרטין Cloutier, מארק Salomons. מומחיות טכנית שלהם. אנו מודים גם NRC, NSERC ו- AITF עבור תמיכה כספית.

1. ההגדרה הראשונית של מיקרוסקופ וניסויים
<ol><li>התחילו על קוליים ואקום קריוגני התומך ב- STM ומקושרת תוכנת שליטה. מגניב את ה-STM כדי לטמפרטורות קריוגניות. הערה: בכל דו ח זה, אבק על קוליים מתייחס למערכות להשיג < 10 x 10-10 טנדר של גוה של. ה-STM צריך להיות מקורר לטמפרטורות קריוגני; הדבר חשוב במיוחד כאשר חוקרים את הדינמיקה תשלום של dopants, אשר מופעלים תרמית בטמפרטורות צנוע. חללים נוספים עשויים להיות בטמפרטורת החדר.</li>
	<li>ודא כי הטיפ STM מצויד עם חיווט בתדירות גבוהה (~ 500 MHz). הערה: באמצעות הדופק בעיצוב שיטות, עלייה גדולה זמן התגובה של ה-STM עם חום קריוגני סטנדרטי קואקסיאלי חיווט (~ 20 MHz) דווחה על-ידי לגרוס. et al. 31
</li>
	<li>חבר של מחולל שרירותי לפחות שני ערוצי לקצה (איור 2), אשר ישמש כדי להכין את מחזורי של מתח דופק זוגות משמש משאבה-בדיקה ניסויים.</li>
	<li>להגדיר את הגנרטור פונקציה שרירותיות כך הפולסים מתח משאבת, בדיקה שנוצר באופן עצמאי, לסכם לפני שמאכילים לתוך הקצה.</li>
	<li>להחיל את מתח DC הסטייה המשמש ספקטרוסקופיה הדמיה, המקובלת על המדגם (VDC).</li>
	<li>לחבר שני מתגים תדר רדיו ערוצי פלט של הגנרטור פונקציה שרירותיות.</li>
	<li>להגדיר את מתגי כך העצה מקורקעת במהלך ה-STM הדמיה, המקובלת ספקטרוסקופיה, הטיה יעיל הוא VDC + Vעצה במהלך הניסויים משאבת-בדיקה (איור 4A).</li>
	<li>לאסוף את מינהור הנוכחי עבור כל המדידות דרך מגבר קדם מחובר המדגם.</li>
</ol>2. הכנה של השחזור H-Si(100)-(2x1)
<ol><li>קליב מדגם של 3-4 mΩ·cm ארסן מסוג n מסטול Si(100) רקיק ידי גירוד בגב כשהפחד עם גם סיליקון קרביד בעדינות מצלם את הדגימה את כשהפחד עם שקופיות מיקרוסקופ זכוכית.</li>
	<li>מוספית לדוגמה כדי בעל מדגם STM, להציג אותו תא ואקום על קוליים הסמוך לתא ה-STM.</li>
	<li>דגה המדגם על-ידי resistively חימום זה עד 600 מעלות צלזיוס (pyrometer ניתן להשתמש כדי לפקח על הטמפרטורה של המדגם) ממושכת זה בטמפרטורה הזו במשך לפחות 6-אייץ ' בואקום על קוליים. הערה: הלחץ בתחילה יקומו בעל מדגם ולדגום דגה, אך אמור לייצב ליד הלחץ הבסיסי (< 10-10 טנדר של גוה של) לאחר מספר שעות.</li>
	<li>לאפשר את הדגימה כדי להתקרר לטמפרטורת החדר לפני שתמשיך.</li>
	<li>דגה נימה טונגסטן בבית הבליעה אותה כמו הדגימה על ידי חימום נימה עד 1800 ° C resistively ומחכה מערכת לשחזר ללחץ הבסיס. כבה את הסיב לפני שתמשיך. הערה: המדגם יכולים להישאר בתא במהלך שלב זה בגלל זה היא passivated על-ידי השכבה תחמוצת מקורית על פני השטח שלו, כל זיהום של המשטח מדגם גרם מהשלב הזה יוסר לאחר מכן. הטמפרטורה של הלהט יצטרך להיות מכויל כדי ספציפי זרם/מתח חלה על חוט הלהט באמצעות pyrometer.</li>
	<li>להסיר את תחמוצת מהמשטח לדוגמה על-ידי הדגימה עד 900 ° C ועריכת החזקתה בטמפרטורה הזו עבור 10 s לפני קירור אותו לטמפרטורת החדר. הלחץ יגדל במספר סדרי גודל של הלחץ הבסיס במהלך הליך מהבהבים. לאחר כל אחד של ההבזקים בכל הליך זה, חכו המדגם להתקרר לטמפרטורת החדר ומערכת לשחזר ללחץ הבסיס לפני שתמשיך. הערה: מהבהב מוגדר בתוך דוח זה כמו חימום וקירור המדגם במחירים הרמפה גבוהה, גודל 100 ° C/s.</li>
	<li>בהדרגה פלאש המדגם שהטמפרטורות תוך ניסיון להגיע הבזק הסופי של 1250 מעלות צלזיוס. בטל כל פלאש שבו הלחץ עולה מעל 9 x 10-10 טנדר של גוה של כדי למנוע את השטח מדגם מקבל נגוע. להקליט את הזרם/המתח כדי להשיג את 1250 ° C פלאש (האור ניתנה הנחה על ידי חוט הלהט מחומם בשלב 2.6 תמנע pyrometer נותן קריאת מדויקים לטמפרטורה של המדגם, ובכך setpoint הזה אמור לשמש). על הפלאש הסופי, לקבוע את הזרם/המתח הדרוש כדי לחמם את הדגימה עד 330 ° C כמו הקריסטל הוא מקורר ולאחר מכן תן את הדגימה להתקרר לטמפרטורת החדר, ולתת את המערכת לשחזר ללחץ הבסיס לפני שתמשיך.</li>
	<li>דליפות גז2 H לתוך החדר, בלחץ של 1 x 10-6 טנדר של גוה של וחום נימה טונגסטן כדי 1800 ° C. הערה: לזה האפקט של פיצוח ה H2 מימן atmoic32.</li>
	<li>להחזיק את הדגימה בתנאים אלו למשך 2 דקות לפני מהבהבים המדגם 1250 מעלות, מחזיק אותו בטמפרטורה הזו עבור 5 s וקירור זה עד 330 ° C.</li>
	<li>לאחר 1 דקות של חשיפה ב 330 ° C, בו זמנית סגור את השסתום הדליפה2 H, כבה נימה טונגסטן, ומצננים את הדגימה לטמפרטורת החדר. הערה: טמפרטורות גבוהות אלו פלאש משפיע על חלוקת dopants במדגם. חימום עד 1250 מעלות צלזיוס נמצאה לזירוז אזור המחסור ~ 60 dopant ננומטר ליד משטח הדגימה30.</li>
	<li>לאמת האיכות של המדגם על ידי לקיחת ה-STM תמונות של פני השטח. הערה: דגימות טוב יהיה גדול (> 30 nm x 30 ננומטר) מרפסות עם קצב פגם של < 1% (משתלשלות חוב, מולקולות הספוחה, adatoms, וכו ') יהיה להדגים את קלאסי Si(100)-(2x1) שחזור32, אשר כולל שורות דימר שלרוחב antiparallel אחד לשני הקצוות שלב (איור 3B).</li>
</ol>3. הערכת האיכות של הפולסים משאבת-בדיקה בצומת המנהרה
<ol><li>הגישה בקצה ה-STM השטח מדגם ומרבה הבקר משוב הנוכחי של setpoint הנוכחית של הרשות הפלסטינית 50 ודעה קדומה דגימה של ה-אוקראינים -1.8 V. הערה: בתנאים אלה, הטיפ מוערך < 1 ננומטר מהמשטח הדגימה. הקצה ה-STM המשמש בעבודה זו הופק על ידי כימית תצריב polycrystalline טונגסטן. זה היה חידד עוד יותר באמצעות חנקן תצריב בהליך, אשר מתוארת היטב ב. Rezeq et al. 33.</li>
	<li>חפשו אזור על פני מדגם נטול פגמים משטח גדול על ידי לקיחת סריקות שטח גדול (לדוגמה, 50 ננומטר x 50 ננומטר).</li>
	<li>המיקום ה-STM עצה מעל H-סי על פני השטח, אשר מופיעים כשורות דיימר בתמונות STM (איור 3B).</li>
	<li>לבטל את הבקר משוב הנוכחי</li>
	<li>הגדר את רוחב הפולסים משאבת, בדיקה ל-200 Vבדיקה ל- 0.5 V, Vמשאבה ל- 0.5 V, VDC ל--1.0 V ns, ואת הזמן עלייה/סתיו הפולסים כדי 2.5 ns (איור 4A).</li>
	<li>לשלוח סדרה של רכבות של פולסים משאבת, בדיקה לאן נסחפת העיכוב היחסי של המשאבה, בדיקה מ-900 ns ל 900 ns.</li>
	<li>להתוות את מינהור הנוכחי כפונקציה של העיכוב בין המשאבה בדיקה. זה סביר תדגים חזקה מצלצל (תנודות ב מינהור הנוכחי כפונקציה של ההשהיה היחסי בין הפולסים משאבת, בדיקה, איור 4B). הערה: התוכנה פיתון ולמקור שימשו כדי להתוות, לנתח, להעריך את הנתונים שנאספו עבור כתב יד זה.</li>
	<li>חזור על שלבים 3.1 – 3.5, אבל להגדיל את הזמנים עלייה/סתיו הפולסים. צלצול יקטן כפי הפעמים עלייה/סתיו הוגדלה. הערה: זה יש רצוי לסלק לצלצל כדי לספק את התוצאות המדויקות ביותר ספקטרוסקופיות, עם זאת, הזמן-הרזולוציה של טכניקות אלה מוגבלת רוחב הפולסים בשימוש. 25 פעמים עלייה ns שימשו לעבודה זו.</li>
</ol>4. זמן לפתור סורק ספקטרוסקופיה (TR-STS)
<ol><li>המיקום ה-STM עצה מעל סיליקון DB, אשר מופיעות בליטות בהיר-טיפ-sample שלילי הטיות (איור 3B).</li>
	<li>כבה את בקר ה-STM הנוכחי משוב.</li>
	<li>
שלח שרכבת המורכבת רק דופק בדיקה עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. על סדרה של הדופק רכבות, לטאטא משוא הפנים של הדופק בדיקה על טווח של 500 mV מ- DC משוא הפנים של ה אוקראינים -1.8 V. הערה: ניסוי פשוט זה הוא אנלוגי לאופרטור STS קונבנציונלי שבו מוליכות נדגמים על טווח של הטיות.<ol>
<li>להגדיר את משך הזמן של הרכבות הדופק (כל אחד עם דעה קדומה שונים) כגון הספקטרום המתקבל יש אות יחס הרעש > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כך VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC Vמשאבות, Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V, 500 mV ו--2.0 V, בהתאמה. הערה: משאבות פולסים יכול יש המשכים ארוכים באופן שרירותי (1 µs מספיקה בדרך כלל).</li>
	<li>
שלח רכבת המורכבת הפולסים משאבה עם הפולסים בדיקה ולאחריה עיכוב של 10 ns. בניסויים אלה, הגדר את משרעת של הדופק משאבה 500 mV של מחוג דופק בדיקה מ-50 500 mV. הערה: בניסוי זה, דופק בדיקה היא דגימה המדינה שהוכנו על ידי משאבת הדופק, יותר מאשר מצב שיווי משקל שנדגמו ב- STS קונבנציונלי.<ol>
<li>להחסיר את האות המתקבל כאשר רק משאבה הדופק היה מוחל בעת הצגת/הערכת האות שנאסף שלב זה.</li>
	</ol>
</li>
	<li>להשוות את המכשיר רק למשאבה + בדיקה אותות על ידי התוויית אותם באותו תרשים. כל היסטרזיס בין שני אותות הוא אינדיקציה אשר פתור עם טכניקות ה-STM זמן לפתור. הערה: על ידי שמירה על טווח הדופק בדיקה קבועה וסריקת גס ה-DC אחד היסט (בשלבים 0.25 V, למשל), ניתן ביעילות למפות את הטווח כולו אנרגיה לדוגמה כדי לזהות dynamics להנגיש הטכניקה. משכים הדופק ניתן לשנות בהתאם הניסוי. רוחב הדופק המשאבה צריכה להיות יותר מאשר הקצב שבו dopant זה מיונן, כזה כי זה בעקביות ionizes את dopant. באופן כללי, משכי זמן בדיקה צריך להיות של אותו סדר כמו תהליך דינמיות שנבחנה, כזה כי ניתן למדוד את האות המרבי ללא דגימה ממוצע של המדינות שתי מוליכות. כאשר מחפשים אנרגיות אילו דיינמיקס קיימים, מומלץ כי המשכים של המכשיר הן מזעריות כך המצב היחיד של המערכת נמדדת לשיפור היסטרזיס. כפי נמצאו הקבועים בזמן רגיעה, ניתן להגדיל את משך דופק בדיקה כדי לשפר את האות לרעש יחס.</li>
</ol>5. זמן לפתור STM מדידות של הרפיה דינמיקה
<ol><li>מקמו את הטיפ STM סיליקון DB וכבה את בקר ה-STM הנוכחי משוב.</li>
	<li>שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כך VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC Vמשאבות, Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V, 400 mV ו--2.0 V, בהתאמה. הערה: משאבות פולסים יכול יש המשכים ארוכים באופן שרירותי (1 µs מספיקה בדרך כלל).</li>
	<li>שלח רכבת של פולסים משאבת, בדיקה. להבטיח הפולסים בדיקה יש של משרעת קטן יותר המשאבות מתרחשת להשוות הטווח ב אילו היסטרזיס (Vבדיקה < Vמשאבות, Vבדיקה + VDC≈ Vhystersis).</li>
	<li>לטאטא ההשהיה בין הדופק משאבת, בדיקה עד כמה עשרות µs.</li>
	<li>להחסיר את האות המתקבל כאשר רק משאבה הדופק היה מוחל. בניסויים אלה, הגדר את VDC, Vמשאבהו Vגשושית ה אוקראינים -1.8 V, 400 mV ו- 210 mV, בהתאמה. הגדר לטאטא את עיכוב יחסיות מ-5 μs 35 μs. הערה: אם האות המתקבל הצעד הקודם הוא בכושר טוב (R2 > 0.80) על-ידי פונקציה אחת דעיכה מעריכית, ואז החיים של המדינה ארעי שהוכנו על ידי משאבת הדופק יכול להיות מופק התאם.</li>
</ol>6. זמן לפתור STM מדידות של עירור דינמיקה
<ol><li>שלח רכבת מורכבת משאבה פולסים לקבוע דעה קדומה קבוע (כזה גדול מ- VDC + Vמשאבה > Vחמישי) עם קצב החזרה של 25 קילו-הרץ. בניסויים אלה, הגדר את VDC ו- Vחמישי ה אוקראינים -1.8 V ו--2.0 V, בהתאמה. הגדר Vמשאבה בין 220 ו- 450 mV.</li>
	<li>לטאטא את משך הדופק משאבה של ננו שניות מספר כדי ננו שניות מספר מאות.</li>
	<li>שלח רכבת של פולסים משאבת, בדיקה. הפולסים בדיקה צריך של משרעת קטן יותר המשאבות ומתרחשת להשוות הטווח ב אילו היסטרזיס (Vבדיקה < Vמשאבות, Vבדיקה + VDC≈V hystersis). בניסויים אלה, הגדר Vבדיקה 210 mV.</li>
	<li>להחסיר את האות המתקבל כאשר הוחל רק דופק בדיקה. הערה: האות מתקבל הוא אקספוננציאלי, מציין כי הדופק משאבת נערכת המדינה ארעי (dopant מיונן) בקצב זה יכול להיות מופק התאם (R2> 0.80). פרוטוקול המתואר לעיל הוא ספציפי הניסויים וציוד כפי שיתואר בהמשך. ישנם רבים אפיקים פוטנציאל עבור הקוראים להתאים אישית משלהם הגדרת הניסוי ללימודים של מערכות אחרות. לדוגמה, טכניקות כללי אינם מוגבלים cryogenically מקורר STMs; ניתן להשתמש בחומר של עצה, הם אינם דורשים איכול חנקן. יתר על כן, גנרטור פונקציה שרירותיות מתוכנת כראוי יכול לשמש ליצירת ואת הדופק-כפולה, אשר לשלול את הצורך לסכם בשני ערוצים עצמאיים. לבסוף, כבלים רוחב פס נמוך יכול להיות בשימוש31.</li>
</ol>

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

המחברים מצהירים כי יש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

הווריאציה של TR-STS שבו אינו מוחל על הדופק משאבת משולה STS קונבנציונאלי, חוץ מזה להיות נדגמים המערכת בתדירות גבוהה יותר מאשר ללא הרף. אם משך הזמן של הפולסים בדיקה מתאימים (>ΓLH), ה-TR-STS אות רכשה ללא יכול להכפיל את הדופק משאבת קבוע פרופורציונליים למחזור חיים של הניסוי חופפים בדיוק STS קונב...

מיקרוסקופ מנהור סורק הפך הכלי בהננו את יכולתו לפתור אטומי בקנה מידה טופוגרפיה ומבנה אלקטרונית. מגבלה אחת של STM קונבנציונאלי, עם זאת, הוא שלה ברזולוציה הטמפורלית הוא מוגבל ציר הזמן של מילי-שניות בגלל רוחב פס מוגבל של מגבר קדם הנוכחי1. עבר זמן רב מאז מטרה להרחיב רזולוציה טמפורלית של STM הכף שעליו בתהליכים אטומיים להתרחש בדרך כלל. חלוצי לעבוד זמן לפתור סריקה מינהור מיקרוסקופית TR-מאת פרימן. et. al. 1 מנוצל קווי תמסורת microstrip בדוגמת על הדגימה להעברת פולסים מתח בעשירית לצומת המנהרה ובוררים photoconductive. טכניקה זו ללישת צומת שימש כדי להשיג החלטות סימולטני של 1 ננומטר ו 20 ps2, אבל זה אף פעם לא אומצה באופן נרחב עקב הדרישה של שימוש מבנים מיוחדים דגימה. למרבה המזל, התובנה הבסיסית צבר מעבודות אלה ניתן להכליל על טכניקות זמן לפתור רבות; אף-על-פי רוחב הפס של המעגלים של ה-STM מוגבל במספר קילוהרץ, תגובת I(V) שאינו ליניארי ב- STM מאפשר דינמיקה מהירה יותר פתור על ידי מדידת הנוכחי המנהרה הממוצע על מחזורים משאבת-בדיקה רבים. לאחר שנים אלו גישות רבות נחקרו, הפופולרי ביותר אשר נבדקות בקצרה להלן.
STM (SPPX) מנוער-דופק-זוג-מתרגש מנצל החידושים בטכנולוגיות לייזר פעמו מרביים החלטה בעשירית משנה על ידי מאיר ישירות לצומת המנהרה ומעניינים נשאים של מדגם3. אור לייזר האירוע יוצר לחברות חינם transiently לשפר הולכה, ומאפשר אפנון של עיכוב בין המשאבה בדיקה (td) dאני/dtd למדוד עם מגבר הנעילה. בגלל העיכוב בין המשאבה בדיקה הוא מווסת במקום האינטנסיביות של הלייזר, כמו גישות אופטי רבות אחרות, SPPX-STM מונע צילום תאורה-induced הרחבה תרמי של עצה3. הרחבות יותר של גישה זו הרחיבו את צירי הזמן שבו SPPX-STM יכול לשמש כדי לחקור dynamics באמצעות חיטוט הדופק טכניקות כדי להגדיל את הטווח של משאבת-בדיקה עיכוב כפול4. חשוב, זו התפתחות מספק גם את היכולת למדוד עקומות אני(td) ישירות ולא דרך שיטות נומריות. היישומים האחרונים של SPPX-STM כללו את חקר נושא רקומבינציה יחיד-(Mn, Fe)/GaAs(110) מבנים dynamics5 ו התורם GaAs6. יישומים של SPPX-STM להתמודד עם הגבלות מסוימות. האות ש-SPPX-STM מודד תלוי נרגש הפולסים אופטי חינם נשאים, והוא מותאם מוליכים למחצה. בנוסף, למרות מינהור הנוכחי הוא מקומי עד הקצה, כי שטח גדול נרגש הפולסים אופטי, האות היא קונבולוציה של מאפיינים מקומיים, תחבורה גשמי. לבסוף, הטיה בצומת קבוע על ציר הזמן מדידה כך הדינמיקה שנבחנה חייב להיות photoinduced.
טכניקה אופטי עדכני יותר, טרה-הרץ STM (THz-STM), זוגות מקום פנוי THz פולסים התמקדו לצומת לקצה ה-STM. שלא כמו ב SPPX-STM, הפולסים בשילוב מתנהג כמו פולסים מתח מהיר המאפשר חקירת excitations מונחה אלקטרונית עם רזולוציה בעשירית משנה7. מעניין, הזרם לתקן להפיק של הפולסים THz תוצאות בצפיפויות קיצוניות השיא הנוכחי לא נגיש על ידי ה-STM קונבנציונאלי8,9. הטכניקה שימש לאחרונה ללמוד אלקטרונים חם Si(111)-(7x7)9 ואף תמונה את הרטט של מולקולה יחידה pentacene10. פולסים THz הזוג באופן טבעי עד הקצה, עם זאת, הצורך לשלב מקור THz לניסוי STM צפוי להיות מאתגר ניסויים רבים. זה מניע את התפתחות טכניקות אחרות החלים נרחב, implementable בקלות.
בשנת 2010 לנבול בסופו של דבר. et al. 11 פיתח טכניקה כל-אלקטרונית משאבה ואיפה לחקור את המערכת11הננו מתח פולסים מוחל על היסט DC באופן אלקטרוני. המבוא של טכניקה זו מוצעים הפגנה קריטי של יישומים ברורה וחד משמעית ומעשי של STM זמן לפתור כדי למדוד את הפיזיקה בעבר unobserved. למרות שהוא לא מהיר כמו צומת ערבוב STM, אשר שקדם לו, החלת מיקרוגל בפולסים עד הקצה ה-STM היתרי דגימות שרירותי להיחקר. טכניקה זו אינה דורשת כל מסובך מתודולוגיות אופטי או גישה אופטי של הצומת STM. זה הופך את הטכניקה הכי קל להסתגל טמפרטורה נמוכה STMs. ההפגנה הראשונה של טכניקות אלה הוחל במחקר של ספין-דינמיקה איפה STM מקוטב-ספין שימש כדי למדוד את הדינמיקה הרפיה של ספין-הברית נרגש על-ידי פולסים משאבת ה11. עד לאחרונה, היישום שלה מוגבלת נשארו adatom מגנטי מערכות12,13,14 , אבל יש מאז הוארך במחקר של קצב הלכידה המוביל מפרצה אמצע דיסקרטית המדינה15 ולחייב דינמיקה של ארסן יחיד dopants סיליקון15,16. המחקר האחרון הוא המוקד של עבודה זו.
מחקרים על המאפיינים של dopants יחיד בתחום המוליכים למחצה לאחרונה משכו תשומת לב משמעותית בגלל משלימים תחמוצת מתכת מוליכים למחצה (CMOS) התקנים נכנסים למשטר שבו dopants יחיד יכול להשפיע על מאפייני התקן17 . בנוסף, מספר מחקרים הראו כי dopants יחיד יכול לשמש כרכיב מהותי של מכשירים עתידיים, למשל כמו qubits עבור חישוב קוונטי18 וקוונטית זיכרון19ו מאטום בודד טרנזיסטורים20 , 15. העתיד התקני רשאים לשלב גם פגמים אטומי בקנה מידה אחרים, כגון סיליקון משתלשלות בונד (DB) אשר יכול להיות בדוגמת עם דיוק אטומית עם ה-STM ליתוגרפיה21. לשם כך, DBs יש כבר הציע כמו qubits תשלום22, נקודות קוונטיות עבור קוונטית האוטומטים התאיים ארכיטקטורות23,24, ו אטומי חוטים25,26 , יש כבר בדוגמת כדי ליצור קוונטית המילטוניאן לוגיקה שערים27 ו28,מולקולות מלאכותי29. . להתקדם, התקני רשאים לשלב dopants יחיד והן DBs. הסיבה לכך היא אסטרטגיית אטרקטיבי DBs הם פגמים משטח זה יכול בקלות להיות מאופיין עם ה-STM ומשמש נקודת אחיזה לאפיון התקנים dopant יחיד. כדוגמה של אסטרטגיה זו, DBs משמשים בעבודה זו תשלום חיישנים להסיק את הדינמיקה טעינה של dopants ליד משטח. הדינמיקות האלה נלכדים עם השימוש של גישה כל-אלקטרונית TR-STM מותאם מן הטכניקות שפותחו על ידי לנבול בסופו של דבר. et al. 11
המדידות מבוצעות ב- DBs שנבחרו על משטח Si(100)-(2x1) מימן הסתיימה. אזור המחסור dopant הרחבת כ 60 ננומטר מתחת לפני השטח, שנוצרו באמצעות טיפול תרמי של קריסטל30, decouples את DB ואת dopants ליד-פני שנותרו כמה מן הלהקות בצובר. ה-STM מחקרים של DBs מצאו כי מוליכות שלהם תלויה פרמטרים מדגם הכללית, כגון הריכוז של dopants, הטמפרטורה, אבל DBs בודדים גם להראות וריאציות חזקה בהתאם שלהם הסביבה המקומית16. במהלך המדידה STM מעל DB יחיד, הזרם הנוכחי נשלטת על ידי הקצב שבו האלקטרונים יכולים מנהרה מן הנפח DB (Γבצובר) ומן את DB לקצה (Γעצה) (איור 1). עם זאת, כי הולכה של DB רגישה לסביבה המקומית שלה, המדינה תשלום של dopants הסמוך השפעות Γבתפזורת (איור 1B), אשר שניתן להסיק על-ידי ניטור מוליכות של DB. כתוצאה מכך, מוליכות של DB יכול לשמש כדי לחוש את מצבי הטעינה של dopants הסמוך, יכול לשמש כדי לקבוע שיעור שבו הן dopants סיפק אלקטרונים מן הנפח (ΓLH) ואת לאבד אותם לקצה ה-STM (ΓHL < / c13 >). כדי לפתור הדינמיקות האלה, TR-STS מתבצע סביב החשמלי הסף (Vחמישי) שבו הטיפ המניע יינון של dopants ליד משטח. תפקידה של משאבת, בדיקה הפולסים הוא זהה בטכניקות שלושה זמן לפתור ניסיוני המוצג כאן. המשאבה transiently מביא את רמת הסטייה מלמטה מעל Vחמישי, אשר גורם dopant יינון. פעולה זו מגדילה את מוליכות של DB, אשר נדגמים על ידי דופק בדיקה העוקב-דעה קדומה נמוכה יותר.
השיטות המתוארות במאמר זה ייהנו אלה המעוניינים לאפיין את הדינמיקה המתרחשים מהפיצוץ לציר הננו עם ה-STM. טכניקות אלה אינם מוגבלים לומד תשלום dynamics, זה חיוני כי הדינמיקה באים לידי ביטוי דרך ארעי לשינויים מוליכות של מדינות שלא פתור על ידי ה-STM (קרי, הברית על או סמוך לפני השטח). אם מוליכות של הברית ארעי אינו שונה משמעותית ממצב של שיווי משקל, כך ההבדל בין הזרמים ארעי ואיזון מוכפל הדופק מחזור חיים בדיקה הוא קטן יותר מאשר הרצפה רעש מערכות (בדרך כלל 1 הרשות הפלסטינית), האות יאבדו על רעש, לא יהיה ניתן לגילוי על ידי שיטה זו. בגלל השינויים ניסיוני של מערכות ה-STM זמינים מסחרית נדרש לבצע את הטכניקות המתוארות במאמר זה צנוע, הוא צפוי שטכניקות אלו יהיו נגישים נרחב לקהילה.

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

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

המזעור של התקני מוליכים למחצה כדי קני המידה שבה מספר קטן של dopants יכול לשלוט מאפייני התקן דורש פיתוח טכניקות חדשות מסוגל אפיון הדינמיקה שלהם. חוקרים dopants יחיד מחייב רזולוציה מרחבית תת ננומטר, המפעילה את השימוש מינהור מיקרוסקופ מנהור סורק. עם זאת, קונבנציונאלי STM מוגבל רזולוציה טמפורלית אלפיות השנייה. פותחו מספר שיטות להתגבר על זה חסרון, כולל STM זמן לפתור כל-אלקטרונית, אשר משמש במחקר זה לבחון את הדינמיקה dopant של סיליקון עם רזולוציה ננו. השיטות המובאות כאן נגישים נרחב ולאפשר מקומי מידה של מגוון רחב של דינמיקה את המשקל האטומי. רומן זמן לפתור סריקה שיטה ספקטרוסקופית מנהור הציג ואין להשתמש בו כדי לחפש ביעילות דינמיקה.

התוצאות שהוצגו בסעיף זה של הטקסט כבר שפורסמו בעבר15,16. איור 3 מדגימה את אופן הפעולה של דוגמה שנבחרו DB עם ה-STM קונבנציונלי. מידה I(V) קונבנציונלי (איור 3 א) מתאר בבירור שינוי חד מוליכות ב Vחמישי DB =-2.0 V. הת?...

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

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

נדגים שיטה כל-אלקטרונית להתבונן תשלום ננו-נפתרה הדינמיקה של dopant אטומי סיליקון עם מיקרוסקופ מינהור סריקה.

כל-אלקטרונית ננו-נפתרה סריקה מינהור מיקרוסקופיה: הקלת החקירה של דינמיקה תשלום יחיד Dopant

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

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

Research

JoVE Journal

Engineering

9.5K Views.  University of Alberta. נדגים שיטה כל-אלקטרונית להתבונן תשלום ננו-נפתרה הדינמיקה של dopant אטומי סיליקון עם מיקרוסקופ מינהור סריקה.

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

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

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

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

קצירת אנרגיה סולארית באמצעות תשלום פרדת Nanocrystals והמוצק שלהם

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

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

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

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

ספקטרוסקופיה קיבוליות חד אלקטרונים סורקות-בדיקה

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

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

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

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

המצאה של השער-מתכונן התקני גראפן לסריקה מיקרוסקופית מנהור מחקרים עם זיהומים קולון

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

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

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

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

סיליקון מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה קוונטי נקודות לשאיבת חד אלקטרון

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

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

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

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

Dynamics רקומבינציה ב חומרים פוטו סרט דק באמצעות מוליכות מיקרוגל זמן נפתרה

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

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

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

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

חיטוט את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים עם סריקה מיקרוסקופ מינהור וספקטרוסקופיה

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

Chemistry

Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

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

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

טכניקות הרומן להתבוננות מבניים הדינמיקה של גביש נוזלי Photoresponsive

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

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

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

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

ניתוח כמותי של אתר אטומי של דופנטים פונקציונליים/פגמים נקודתיים בחומרים גבישיים על ידי מיקרואנליזה משופרת של תקשור אלקטרונים

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

ניתוח הביצועים ההטרוגניים של ננו-חלקיקים בודדים בשיטות אלקטרוכימיות

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

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

Author Spotlight: מעקב אחר אלקטרוכימיה על ננו-חלקיקים בודדים באמצעות ספקטרוסקופיית פיזור ראמאן משופרת פני השטח ומיקרוסקופ  

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

מעקב אחר אלקטרוכימיה על ננו-חלקיקים בודדים באמצעות ספקטרוסקופיית פיזור ראמאן משופרת פני השטח ומיקרוסקופ

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

כל-אלקטרונית ננו-נפתרה סריקה מינהור מיקרוסקופיה: הקלת החקירה של דינמיקה תשלום יחיד Dopant

Summary

Explore More Videos

PLAYLIST