La ricerca è discusso qui è stata sostenuta dalla Michigan State University Institute di Scienze Quantum e la National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, e DMR-0.605.801. KW riconosce il sostegno di un Dipartimento di Formazione Interdisciplinare GAANN Bioelectronics Training Fellowship Program statunitense.

1. PROTOCOLLO <ol><li> Configurazione iniziale del microscopio ed elettronica <ol><li> Iniziare con un criogenico-grado microscopio a scansione elettronica con sonda di controllo associati. I microscopi utilizzati per la ricerca descritta qui usa la traduzione inerziale a &quot;camminare&quot; il campione verso e lontano dalla punta lungo rampe 13 (fatto da un materiale conduttore come rame, ottone o acciaio inox per consentire loro di trasmettere tensione di polarizzazione al campione) come parte di un disegno Besocke STM 14, schematicamente illustrato in figura 2. </li><li> Oltre alla tensione di polarizzazione e fili coassiali corrente di tunnel, fornire almeno altri due fili coassiali e un filo di terra che si estendono dal rack dell&#39;elettronica vicino alla zona punta del microscopio per azionare il circuito amplificatore criogenico per il rilevamento carica sensibili. Assemblare gli elementi del circuito amplificatore, descritta in dettaglio nel Bibliografia 5, 12, e 15, che sono alloggiati sulla electronics cremagliera, questa è la porzione del circuito fuori area ombreggiata nella figura 2. Questa parte del circuito rimarrà a temperatura ambiente durante l&#39;esperimento. </li></ol></li><li> Montare il chip di montaggio per la punta e circuito HEMT (casella ombreggiata in figura 2), il circuito HEMT sarà abbassato a temperatura criogenica di ottenere risoluzione ottimale di energia. <ol><li> Cleave un chip quadrato di dimensioni approssimativamente di 1 cm x 1 cm dal un wafer di GaAs utilizzando uno scriba, il circuito del sensore e la punta saranno montate su questo chip. Cassetta di circa 100 nm d&#39;oro in cima a un titanio attaccare strato attraverso una shadowmask sul chip GaAs per formare diversi rilievi in ​​oro, ciascuno di dimensioni a circa 1 mm x 1 mm, a cui fili dal HEMT e la resistenza di polarizzazione saranno incollati. Le dimensioni degli elettrodi non sono critiche. </li><li> Preparare una punta STM tagliente tagliando meccanicamente un 80:20 Pt: filo di Ir con tronchesine. La punta può anche essere preparato chimico acquaforte or un altro metodo o può essere acquistato in commercio. Determinare il raggio di curvatura della punta tramite microscopia elettronica a scansione, il raggio di curvatura deve essere dell&#39;ordine della risoluzione spaziale necessaria per l&#39;esperimento. </li><li> Epossidica un filo d&#39;oro su ciascuno dei pad dorati utilizzando epossidico conduttivo di sopportare temperature criogeniche; questi fili si collegheranno gli elementi del circuito sul chip di montaggio per i cavi coassiali sul microscopio. Poiché i fili d&#39;oro possono essere facilmente rimossi dopo il passo successivo, se non sono necessari, epossi pochi fili d&#39;oro ridondanti sulle pastiglie. Epoxy il HEMT, il resistore di polarizzazione, e la punta STM sulle GaAs chip di montaggio. Curare la resina epossidica come indicato nel suo foglio informativo del prodotto. (Vedere la tabella dei materiali sotto per i dettagli.) </li><li> Utilizzo di un bonder filo caricato con filo d&#39;oro, legame la fonte, scarico, e gli elementi cancello del HEMT per separare pad dorati sul chip GaAs. Obbligazioni collegamenti temporanei collegano il gate e source or rilievi di scarico al fine di garantire il cancello non diventi carico rispetto al canale source-drain. Utilizzare una cinghia di messa a terra per una maggiore sicurezza durante la manipolazione del HEMT, è importante prendere precauzioni per evitare l&#39;introduzione di randagi cariche elettrostatiche che potrebbero distruggere il HEMT. </li><li> Memorizzare il chip montaggio predisposta con i fili collegati al cancello e al canale source-drain del HEMT collegati elettricamente tra loro per evitare corto circuiti HEMT. Se i fili temporanee menzionate nella fase precedente sono stati rimossi, ruotare delicatamente i fili insieme. È semplice per collegare tutti i fili tra loro. </li></ol></li><li> Attaccare il chip di montaggio al microscopio. <ol><li> Assicurarsi che i canali di gate e source-drain sono mai fluttuante, questo è per evitare cortocircuiti distruttive tra il cancello e source-drain canali del HEMT. Mettere a terra i cavi coassiali sul microscopio a cui verranno saldati i fili del chip. </li><li> Fissare il chip di montaggio in cima tegli piezotube scansione, come mostrato in Figura 2. </li><li> Saldare i fili d&#39;oro estendono dal chip di montaggio per i cavi coassiali pertinenti utilizzando indio saldare. </li></ol></li><li> Verificare l&#39;integrità del HEMT utilizzando un tracciante curva collegata ai cavi coassiali a rack di elettronica. Essenzialmente, il tracciante curva mostra i source-drain caratteristiche corrente-tensione. La modalità di guasto più comune è una breve tra il cancello HEMT e il suo canale source-drain, che si traduce in caratteristiche source-drain insensibili alla tensione di gate. </li><li> Montare il campione. Camminare in campo con il microscopio configurata in modalità STM per garantire che il campione successo avvicinare la punta. <ol><li> Collegare il filo T al preamplificatore usato per STM tunneling misure di corrente e collegare DC tensione di polarizzazione V DC per filo B. (Tutti i collegamenti sono realizzati presso il rack di elettronica.) </li><li> A piedi fino a quando il campione e la punta sono in campo tunneling. Quando nel RAESN, il piezotube scansione dovrebbe rimanere esteso leggermente dalla sua posizione di equilibrio in modo che la messa a terra della piezotube scansione causerà la punta di ritirare dalla sua estensione in gamma. Ciò verifica che il campione può avvicinarsi correttamente la punta. Passeggiata fuori campo dopo aver fatto questo, per proteggere la punta durante le prossime azioni. </li><li> Trasferire il microscopio dal laboratorio al banco dewar per eventuale funzionamento a bassa temperatura. A questo punto, la fase di test è completa e la fase sperimentale può iniziare. </li></ol></li><li> Pompare fuori il microscopio ad un vuoto di pochi microtorr. Raffreddare il microscopio a 4,2 K o inferiore per la risoluzione ottimale di energia, seguendo la procedura descritta nel manuale per il criostato. <ol><li> Dopo raffreddamento il microscopio alla sua temperatura di base, concedere al microscopio sufficiente per raggiungere l&#39;equilibrio termico; poiché ripetute, lunghe scansioni della stessa area saranno effettuate, è importante minimizzare la deriva termica. (Drift èuno spostamento nella posizione di equilibrio della punta rispetto al campione.) </li><li> Sospendere il dewar di isolare il microscopio più possibile da vibrazioni dovute ad accoppiamento meccanico alla costruzione e alle pompe per vuoto e altri dispositivi collegati al microscopio e dewar. Questo può essere fatto utilizzando un sistema di sospensione corda elastica, come nel riferimento 15, oppure utilizzando molle ad aria o un metodo simile. </li></ol></li><li> Dopo il raffreddamento del microscopio e prima di tentare di raccolta dati, verificare l&#39;integrità del HEMT nuovamente utilizzando il tracciante curva. </li><li> Eseguire la scansione del campione in modalità tunnel (STM). <ol><li> Entrate in campo. Individuare una regione della superficie del campione che è libero da detriti e da un&#39;altezza considerevole o variazioni di conducibilità, e garantire la punta è stabile. </li><li> Corretta per qualsiasi inclinazione del campione, questo è particolarmente importante perché le scansioni di capacità saranno effettuati con il circuito di feedback disabilitato, quindi la punta potrebbe schiantarsi sulla superficie se la scanning piano non è parallelo alla superficie del campione. In linea di principio, si potrebbe utilizzare il segnale di capacitanza con feedback per mantenere una capacità costante durante la scansione della punta, tuttavia, in pratica, il segnale non è sufficientemente robusto per impedire un incidente se si utilizza retroazione. </li><li> Osservare qualsiasi deriva termica in modo che possa essere compensata riposizionando compensato la punta. Notare la quantità di estensione della punta, mentre in gamma in modalità tunnel, di cui al presente protocollo come il punto di contatto. </li></ol></li><li> Spostarsi in una zona imperturbata del campione, uno che non è stato sottoposto a scansione in modalità STM. <ol><li> Disabilitare l&#39;anello di retroazione nel controllore STM. Ricordiamo che quando il circuito di feedback è disabilitato, movimenti manuali della punta potrebbe involontariamente causare un crash. Grande attenzione deve quindi essere preso mentre si muove la punta. </li><li> Ritrarre la punta poche decine di nanometri dal punto di tocco. </li><li> Compensare la posizione laterale della punta di una zona del campione WHI vicinach non è stato recentemente acquisito, per evitare eventuali perturbazioni (come la carica di siti droganti semiconduttore) la tensione di polarizzazione necessaria per attivare il tunneling attraverso il campione semiconduttore per la scansione STM può aver indotto. </li><li> Cautamente estendere la punta verso la superficie fino a quando lo spostamento punta di estensione equilibrio è vicino in grandezza al punto di contatto. </li></ol></li><li> Passa alla modalità di configurazione del cablaggio capacità. <ol><li> Collegare a terra tutti i cavi coassiali per proteggere il HEMT. </li><li> Collegare i cavi coassiali alle sorgenti di tensione pertinenti e resistenze e al blocco amplificatore e il generatore di funzione, come mostrato in Figura 2. </li><li> Accendere tutte le fonti di tensione. Per evitare di scioccare l&#39;HEMT, iniziare con uscite della sorgente di tensione a 0 V. </li><li> I cavi coassiali non macinato, ricordando di mantenere il gate e il canale di source-drain del HEMT collegate fra loro a lungo possibile al fine di proteggere la HEMT. </li><li> Impostare la vsorgente oltage sul resistore partitore di tensione (filo D). </li><li> Accordare la HEMT per la sua regione più sensibile attraverso il monitoraggio della tensione ai capi del filo L con un multimetro durante la regolazione V sintonia. Riattaccare filo L alla amplificatore lock-in dopo. </li><li> Aumentare V tune finché il segnale in fase sulla serratura-in amplificatore aumenta e comincia a plateau; Registrare questo valore di V melodia, che è la tensione applicata alla punta. In questo modo tutta la carica dalla misurazione per andare al HEMT invece di perdite attraverso il filo L. </li><li> Ottimizzare la fase interna del amplificatore lock-in utilizzando la sua abilità Autophase e registrare il valore di fase. </li><li> Attendere la HEMT di stabilizzare per garantire non ci sono effetti termici significativi (questo richiede spesso fino a due ore). </li></ol></li><li> Bilanciare il HEMT regolando il segnale sul condensatore standard per garantire che solo il segnale di interesse va al amplificatore di blocco. Regolazioni del segnale sulcondensatore standard può essere fatto sia per l&#39;ampiezza di equilibrio V o alla fase relativa tra equilibrio V e V eccitazione. Il HEMT è considerato modulare quando il segnale in fase sul amplificatore di blocco è minimizzato in questa fase della procedura. </li><li> Eseguire la scansione di immagini accumulo di carica. <ol><li> Impostare la tensione di polarizzazione V DC DC sul campione. </li><li> Estendere la punta di 1 nm all&#39;interno della superficie, utilizzando il punto di contatto come riferimento. </li><li> Registrare l&#39;uscita del amplificatore di blocco utilizzando il software di acquisizione dati, questo è il segnale di interesse. </li><li> Eseguire la scansione del campione. Avere buona risoluzione, le scansioni possono dover essere acquisita al tasso di diverse ore per scansione per consentire sufficiente media del segnale per ogni pixel e per prevenire sbavature del segnale attraverso pixel adiacenti dell&#39;immagine. Eseguire varie scansioni sulla stessa area, e questi media scansioni insieme per migliorare il rapporto segnale-rumore. </li></ol&gt; </li><li> Eseguire capacitanza spettroscopia (CV) con la punta stazionaria sopra una caratteristica sottosuolo di interesse nell&#39;immagine accumulo di carica acquisita durante il passaggio precedente. <ol><li> Rampa V DC e registrare l&#39;uscita del amplificatore di blocco utilizzando il software di acquisizione dati. </li><li> Richiedere diverse capacità vs tensione (CV) curve nella stessa posizione, e la media queste curve insieme per migliorare il rapporto segnale-rumore. Tipicamente, un paio di curve sono mediati insieme. Mentre le curve media migliora il rapporto segnale-rumore, a causa del potenziale di deriva durante le scansioni, solo una manciata di scansioni successive necessario calcolare una media insieme. </li></ol></li><li> Tornare alla modalità tunnel (STM). <ol><li> Ritrarre la punta alla sua estensione equilibrio e riconfigurare l&#39;elettronica per STM. Riattivare il ciclo di feedback e registrare il presente in gamma-estensione della punta (punto di contatto). </li><li> Eseguire la scansione della zona in modalità tunneling per cercare le caratteristiche in cimafia che può aver generato artefatti nella capacitanza di imaging e spettroscopia capacitanza. </li></ol></li><li> Analizzare e interpretare i dati, a seguito di riferimento 9 e le informazioni a sostegno di riferimento 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. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanometer-scale+capacitance+spectroscopy+of+semiconductor+donor+molecules.">Nanometer-scale capacitance spectroscopy of semiconductor donor molecules.</a> Physica B. 403, 3774-3780 (2008).</li><li>Yoo, M. J., Fulton, T. A., Hess, H. F., Willett, R. L., Dunkleberger, L. N., Chichester, R. J., 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+Single-Electron+Transistor+Microscopy:+Imaging+Individual+Charges.">Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges.</a> Science. 276, 579-582 (1997).</li><li>Urazhdin, S., Tessmer, S. H., Ashoori, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+low-dissipation+amplifier+for+cryogenic+scanning+tunneling+microscopy.">A simple low-dissipation amplifier for cryogenic scanning tunneling microscopy.</a> Rev. Sci. Instrum. 73 (2), 310-312 (2002).</li><li>Williams, C. C., Hough, W. P., Rishton, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+capacitance+microscopy+on+a+25+nm+scale.">Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale.</a> Appl. Phys. Lett. 55 (2), 203-205 (1989).</li><li>Tessmer, S. H., Glicofridis, P. I., Ashoori, R. C., Levitov, L. S., Melloch, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subsurface+charge+accumulation+imaging+of+a+quantum+Hall+liquid.">Subsurface charge accumulation imaging of a quantum Hall liquid.</a> Nature. 392, 51-54 (1998).</li><li>Tessmer, S. H., Kuljanishvili, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+single-+and+multiple-electron+resonances+for+electric-field-sensitive+scanning+probes.">Modeling single- and multiple-electron resonances for electric-field-sensitive scanning probes.</a> Nanotechnology. 19, 445503-445510 (2008).</li><li>Kuljanishvili, I., Chakraborty, S., Maasilta, I. J., Tessmer, S. H., Melloch, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+electric-field-sensitive+scanning+probe+measurements+for+a+tip+of+arbitrary+shape.">Modeling electric-field-sensitive scanning probe measurements for a tip of arbitrary shape.</a> Ultramicroscopy. 102, 7-12 (2004).</li><li>Martin, J., Akerman, N., Ulbricht, G., Lohmann, T., Smet, J. H., von Klitzing, K., Yacoby, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+electron-hole+puddles+in+graphene+using+a+scanning+single-electron+transistor.">Observation of electron-hole puddles in graphene using a scanning single-electron transistor.</a> Nat. Phys. 4, 144-148 (2008).</li><li>Ashoori, R. 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>

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.

Una spiegazione dettagliata della base teorica per questo metodo sperimentale è dato in Riferimenti 8 e 9 e discusso rispetto allo scenario di droganti nel sottosuolo di riferimento 2; la panoramica qui presentata sarà pertanto essere breve e concettuale. La punta è trattato come una piastra di un condensatore, e lo strato conduttore sottostante il campione comprende l&#39;altra piastra. Se viene applicata tensione DC in modo elettroni sono tirati verso la punta, e se vi è un atomo di drogante situata tra il sottost...

Subsurface carica accumulo di imaging (SCA) è un metodo a bassa temperatura in grado di risolvere gli eventi di ricarica a singolo elettrone. Quando applicata allo studio di atomi droganti nei semiconduttori, il metodo può rilevare singoli elettroni entrano donatore o accettore atomi, permettendo caratterizzazione della struttura quantistica di questi sistemi minuti. Nel suo cuore, SCA imaging è una misura di capacità locale 6 particolarmente adatto per il funzionamento criogenico. Poiché la capacità è basata sul campo elettrico, è un effetto a lungo raggio che può risolvere ricarica sotto superfici isolanti 6. Funzionamento criogenico permette indagini di movimento a singolo elettrone e il livello di spaziatura quantistico che sarebbe irrisolvibile a temperatura ambiente 1,2. La tecnica può essere applicata a qualsiasi sistema in cui il movimento di elettroni sotto una superficie isolante è importante, comprese le dinamiche di carica in sistemi di elettroni bidimensionali alle interfacce sepolte 7, per brevità,<html> qui l&#39;attenzione sarà su studi di droganti semiconduttori. Al livello più schematico, questa tecnica tratta il puntale digitalizzata come una piastra di un condensatore piano, anche se realistica analisi richiede una descrizione più dettagliata per tenere conto della curvatura della punta 8,9. L&#39;altra armatura in questo modello è una regione nanoscala dello strato conduttore sottostante, come mostrato in Figura 1. Essenzialmente, come una carica entra in un drogante in risposta a una tensione di eccitazione periodica, si avvicina alla punta, e questo movimento induce più carica immagine sulla punta, che viene rilevata con il circuito sensore 5. Similmente, come la carica esce dal droganti, la carica immagine sulla punta diminuisce. Quindi il segnale periodico di carica in risposta alla tensione di eccitazione è il segnale rilevato - essenzialmente è capacitanza; quindi questa misura viene spesso indicato come determinare le caratteristiche CV del sistema. tenda &quot;&gt; Durante la misura di capacità, l&#39;unica rete di tunnel si trova tra lo strato conduttivo di fondo e lo strato di drogante -. charge mai tunnel direttamente sulla punta La mancanza di diretta tunneling da o verso la punta durante la misurazione è una differenza importante tra questo tecnica e il più familiare microscopia ad effetto tunnel, anche se gran parte dell&#39;hardware per questo sistema è essenzialmente identica a quella di un microscopio a scansione tunnel. E &#39;anche importante notare che SCA imaging non è direttamente sensibile alle cariche elettrostatiche. Per ricerche di carica statica distribuzioni, la scansione Kelvin Probe Microscopy o microscopia a forza elettrostatica è appropriato Ulteriori metodi criogenici per l&#39;esame di comportamento elettronico locale esiste che hanno anche una buona risoluzione elettronica e spaziale,., ad esempio, la scansione di transistor a singolo elettrone è un altro metodo di microscopia a scansione di sonda in grado di rilevare minuti di ricarica Effetti 4,10. SCA di imaging è stato originariamentesviluppato al MIT da Tessmer, Glicofridis, Ashoori e collaboratori 7, inoltre, il metodo descritto qui può essere considerato come una versione a scansione di sonda del metodo Spettroscopia Capacità singolo elettrone sviluppato da Ashoori e collaboratori 11. Un elemento chiave della misura è un circuito di carica di rilevamento estremamente sensibile 5,12 utilizzando transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT), ma può raggiungere un livello di rumore a partire da 0.01 elettroni / Hz ½ a 0,3 K, la temperatura di base del criostato in riferimento 5. Tale elevata sensibilità consente l&#39;osservazione di ricarica a singolo elettrone in sistemi sottosuolo. Questo metodo è adatto per lo studio di elettroni o buco dinamiche individuali o piccoli gruppi di droganti nei semiconduttori, con le tipiche densità areali droganti dell&#39;ordine di 10 15 m-2 in una geometria piana 2. Un esempio di una configurazione di esempio tipico per questo tipo di esperimento è mostrato in Figura 1 </strong&gt;. Lo strato drogante è tipicamente posizionata a poche decine di nanometri sotto la superficie, è importante conoscere le distanze precise tra lo strato conduttivo e lo strato sottostante drogante e tra lo strato drogante e la superficie del campione. In contrasto tunneling, capacitanza non cade esponenzialmente ma invece decresce sostanzialmente in proporzione inversa alla distanza. Quindi, la profondità drogante potrebbe in teoria essere ancora più profondo di decine di nanometri sotto la superficie, fino a quando alcuni ragionevole frazione di terre campo elettrico sulla punta. Per tutti i suddetti criogenici sonde locali di comportamento elettronico, compresa la tecnica descritta qui, risoluzione spaziale è limitata dalla dimensione geometrica della punta e dalla distanza tra la caratteristica sottosuolo di interesse e la punta della sonda di scansione.

<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;integrazione di bassa temperatura tecniche di scansione-sonda e spettroscopia di capacità a singolo elettrone rappresenta un potente strumento per studiare la struttura elettronica quantistica dei sistemi di piccole dimensioni - tra cui singole droganti atomiche nei semiconduttori. Qui vi presentiamo un metodo capacità-based, nota come Subsurface carica Accumulo (SCA), l&#39;imaging, che è in grado di risolvere la ricarica a singolo elettrone, ottenendo sufficiente risoluzione spaziale di immagini singole droganti atomiche. L&#39;uso di una tecnica di capacitanza permette l&#39;osservazione di caratteristiche sottosuolo, come droganti sepolti molti nanometri sotto la superficie di un materiale semiconduttore 1,2,3. In linea di principio, questa tecnica può essere applicata a qualsiasi sistema per risolvere movimento dell&#39;elettrone sotto una superficie isolante. Come in altre tecniche scansionata-sonda di campo elettrico sensibili 4, la risoluzione spaziale laterale della misura dipende in parte dal raggio curvature della punta della sonda. Utilizzando punte con un piccolo raggio di curvatura può abilitare la risoluzione spaziale di poche decine di nanometri. Questa risoluzione spaziale fine permette indagini di piccoli numeri (fino a uno) di droganti sottosuolo 1,2. La risoluzione di carica dipende molto dalla sensibilità del circuito di rivelazione di carica; utilizzando transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT) in tali circuiti a temperature criogeniche permette una sensibilità di circa 0.01 elettroni / Hz ½ a 0.3 K 5.

L&#39;indicatore principale di una misura di successo è la riproducibilità, tanto come in altri metodi a scansione di sonda. Misurazioni ripetute sono molto importanti per questo motivo. Per spettroscopia capacitanza punto, prendendo molti misurazioni in successione nella stessa posizione contribuisce ad aumentare il rapporto segnale-rumore e identificare segnali spuri. Una volta che una caratteristica di interesse è stato identificato all&#39;interno dell&#39;immagine accumulo di carica ...

Watch this Scientific Journal Video about Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy at JoVE.com

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Spettroscopia capacitanza singolo elettrone-scanning probe facilita lo studio del moto a singolo elettrone in regioni localizzate sottosuolo. Un circuito di carica-rivelazione sensibile è integrato in una sonda criogenica scansione microscopio per indagare piccoli sistemi di atomi di drogante sotto la superficie dei campioni semiconduttori.

Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

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

scanning-probe-single-electron-capacitance-spectroscopy

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

Energy Storage Elements

SCIENTISTS IN ACTION

13.0K Views.  Michigan State University. Spettroscopia capacitanza singolo elettrone-scanning probe facilita lo studio del moto a singolo elettrone in regioni localizzate sottosuolo. Un circuito di carica-rivelazione sensibile è integrato in una sonda criogenica scansione microscopio per indagare piccoli sistemi di atomi di drogante sotto la superficie dei campioni semiconduttori.

Video: Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

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

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

Angolo-spettroscopia di fotoemissione risolta A ultra-basse temperature

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

Ricerca

Ingegneria

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 Ingegneria State of Light con onda continua Optical Parametric Oscillatori

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.

Indagare singola molecola di adesione da Atomic Spectroscopy Forza

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 Rilevamento di Biomolecole Utilizzando EBL manufatti nanostrutturati Substrati

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.

Silicio metallico-ossido-semiconduttore Quantum Dots per singolo elettrone di pompaggio

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.

Risonanza Spettroscopia Raman di estrema nanofili e altri sistemi 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.

Alta Risoluzione Phonon-assisted Quasi-risonanza spettroscopia di fluorescenza

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-forma Attuatori Light - Fabbricazione e Controllo di attuazione in scala microscopica

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 sottofondo mediante scansione di sonda e microscopia dinamica molecolare

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.