Vorremmo ringraziare Martin Cloutier e Mark Salomons per la loro competenza tecnica. Ringraziamo anche NRC, NSERC e AITF sostegno finanziario.

1. il primo Setup di microscopio e gli esperimenti
<ol><li>Iniziare con un'altissima STM criogenico capace di vuoto e software di controllo associato. Raffreddare la STM a temperature criogeniche. Nota: In questo rapporto, vuoto ultraelevato si riferisce a sistemi che raggiungere < 10 x 10-10 Torr. La STM deve essere raffreddato a temperature criogeniche; Ciò è particolarmente importante quando studia le dinamiche di carica di droganti, che sono attivati termicamente a temperature modeste. Altre camere possono essere a temperatura ambiente.</li>
	<li>Assicurarsi che la punta STM è dotata di cablaggio ad alta frequenza (~ 500 MHz). Nota: Utilizzando impulso plasmare metodi, un enorme aumento del tempo di risposta di un STM con cablaggio coassiale standard temperatura criogenica (~ 20 MHz) è stato segnalato da Grosse et al. 31
</li>
	<li>Collegare un generatore di funzioni arbitrarie con almeno due canali fino alla punta (Figura 2), che verrà utilizzato per preparare i cicli di tensione impulso coppie utilizzate per esperimenti di pompa-sonda.</li>
	<li>Configurare il generatore di funzioni arbitrarie in modo che gli impulsi di tensione pompa e sonda vengono generati in modo indipendente e sommati prima di essere immessa nella punta.</li>
	<li>Applicare la tensione di polarizzazione di CC utilizzata per la spettroscopia imaging e convenzionale per il campione (VDC).</li>
	<li>Collegare due interruttori radio frequenza ai canali di uscita del generatore di funzioni arbitrarie.</li>
	<li>Configurare le opzioni in modo che la punta sarà essere collegate a terra durante spettroscopia convenzionale e di imaging di STM, e la polarizzazione efficace è VDC + Vpunta durante gli esperimenti di pompa-sonda (Figura 4A).</li>
	<li>Raccogliere la corrente per tutte le misurazioni attraverso un preamplificatore collegato al campione di tunneling.</li>
</ol>2. preparazione della ricostruzione H-Si(100)-(2x1)
<ol><li>Fendere un campione da un wafer di Si(100) di 3-4 mΩ·cm n-tipo arsenico drogato con graffi sul retro del wafer con una punta per tracciare in carburo di silicio e agganciando delicatamente il campione fuori la cialda con vetrini.</li>
	<li>Appone il campione ad un titolare di campione STM e introdurlo in una camera a vuoto ultraelevata adiacente alla camera di STM.</li>
	<li>Degassare il campione di riscaldamento resistivo a 600 ° C (un pirometro può essere utilizzato per monitorare la temperatura del campione) e mantenuto a tale temperatura per almeno 6 h nel vuoto ultraelevato. Nota: La pressione inizialmente aumenterà come il campione e il supporto del campione degas, ma si dovrebbe stabilizzare vicino la pressione base (< 10-10 Torr) dopo diverse ore.</li>
	<li>Lasciare raffreddare a temperatura ambiente prima di continuare il campione.</li>
	<li>Degassare un filamento di tungsteno nella stessa camera come l'esempio resistivo riscaldando il filamento a 1800 ° C e in attesa per il sistema di recuperare alla pressione di base. Spegnere il filamento prima di continuare. Nota: Il campione può rimanere in aula durante questo passaggio perché esso è passivato dallo strato di ossido nativo alla sua superficie, e qualsiasi contaminazione della superficie del campione causata da questo passaggio verrà rimosso successivamente. Temperatura del filamento dovrà essere tarato per una specifica corrente/tensione applicata al filamento usando un pirometro.</li>
	<li>Rimuovere l'ossido dalla superficie del campione da lampeggiante il campione a 900 ° C e mantenuto a tale temperatura per 10 s prima raffreddare a temperatura ambiente. Diversi ordini di grandezza dalla base pressione aumenta la pressione durante la procedura di lampeggia. Dopo ciascuno dei flash trovato tutta questa procedura, attendere che il campione raffreddare a temperatura ambiente e il sistema di recuperare alla pressione di base prima di continuare. Nota: Il lampeggio è definito all'interno di questo rapporto come riscaldamento e raffreddamento del campione con tassi di rampa alta, dell'ordine di 100 ° C/s.</li>
	<li>Flash progressivamente il campione a temperature più elevate durante il tentativo di raggiungere un lampo finale di 1250 ° C. Interrompere qualsiasi flash dove la pressione aumenta sopra 9 x 10-10 Torr per evitare che la superficie del campione da sempre contaminato. Registrare la tensione/corrente utilizzata per raggiungere i 1250 ° C flash (la luce emessa dal filamento riscaldato al punto 2.6 impedirà un pirometro dando una lettura precisa della temperatura del campione, e pertanto deve essere utilizzato questo setpoint). Il flash finale, determinare la tensione/corrente necessaria per riscaldare il campione a 330 ° C come il cristallo viene raffreddato, poi lasciare il campione raffreddare alla temperatura ambiente e lasciare che il sistema di recuperare alla pressione di base prima di continuare.</li>
	<li>Una perdita di gas di2 H nella camera ad una pressione di 1 x 10-6 Torr e riscaldare il filamento di tungsteno a 1800 ° C. Nota: Questo ha l'effetto di cracking H2 a atmoic idrogeno32.</li>
	<li>Tenere il campione in queste condizioni per 2 min prima di lampeggiare il campione a 1250 ° C, mantenuto a tale temperatura per 5 s e raffreddamento che a 330 ° C.</li>
	<li>Dopo 1 min di esposizione a 330 ° C, allo stesso tempo chiudere la valvola di fuga2 H, spegnere il filamento di tungsteno e lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente. Nota: Queste alte temperature flash influenzano la distribuzione di droganti nel campione. Riscaldamento a 1250 ° C è stato trovato per indurre una regione di svuotamento ~ 60 nm drogante vicino la superficie del campione30.</li>
	<li>Verificare la qualità del campione prendendo immagini STM della superficie. Nota: Buoni campioni avrà grande (> 30 nm, x 30 nm) terrazze con un tasso di difetto di < 1% (ciondolante molecole adsorbite, adatomi, obbligazioni, ecc.) e dimostrerà il classico Si(100)-(2x1) ricostruzione32, che presenta righe di dimero esecuzione in antiparallelo uno a altro attraverso bordi passo (Figura 3B).</li>
</ol>3. valutazione della qualità degli impulsi Pump-probe al bivio Tunnel
<ol><li>Approccio la punta STM per la superficie del campione impegnandosi controller di feedback corrente con un valore nominale di corrente di 50 pA e un campione parziale di -1,8 V. Nota: In queste condizioni, la punta è stimata per essere < 1 nm dalla superficie del campione. La punta STM utilizzata in questo lavoro è stato prodotto da chimicamente acquaforte policristallino tungsteno. Esso era affilato ulteriormente utilizzando un azoto acquaforte procedura, che è descritto bene in Filippo et al. 33.</li>
	<li>Cercare un'area sulla superficie del campione privo di difetti di superficie grandi prendendo scansioni di grande area (ad es., 50 nm, x 50 nm).</li>
	<li>Posizione del STM punta su un H-Si sulla superficie, che appaiono come le righe di dimero in immagini STM (Figura 3B).</li>
	<li>Spegnere il controller corrente di feedback</li>
	<li>Impostare VDC a -1,0 V, Vpompa a -0.5 V, Vsonda a -0.5 V, la larghezza degli impulsi di pompa e sonda a 200 ns e il tempo di salita/discesa degli impulsi a 2,5 ns (Figura 4A).</li>
	<li>Invia una serie di treni di impulsi di pompa e sonda dove il relativo ritardo della pompa e sonda è spazzato da -900 ns a 900 ns.</li>
	<li>Tracciare la corrente in funzione del ritardo tra la pompa e la sonda di tunneling. Probabilmente dimostrerà forte squilla (oscillazioni nella corrente in funzione del relativo ritardo tra gli impulsi di pompa e sonda, Figura 4Bdi tunneling). Nota: Il software Python e origine sono stati utilizzati per tracciare, analizzare e valutare i dati raccolti per questo manoscritto.</li>
	<li>Ripetere i passaggi da 3.1 – 3.5, ma aumentare i tempi di salita/discesa degli impulsi. Lo squillo diminuirà come sono aumentati i tempi di salita/discesa. Nota: Si è voluta eliminare squilla per fornire i risultati più accurati e spettroscopici, tuttavia, la risoluzione di tempo di queste tecniche è limitata alla larghezza degli impulsi utilizzata. 25 ns tempi di aumento sono stati utilizzati per questo lavoro.</li>
</ol>4. time-Resolved Scanning Tunneling Spectroscopy (TR-STS)
<ol><li>Posizione del STM rovesciarsi un silicio DB, che appaiono come sporgenze luminose alle polarizzazioni di punta-campione negativi (Figura 3B).</li>
	<li>Disattivare il controller di feedback corrente STM.</li>
	<li>
Inviare che un treno composto da solo l'impulso di sonda con un tasso di ripetizione di 25 kHz. Nel corso di una serie di treni di impulsi, spazzare la polarizzazione dell'impulso sonda sopra una gamma di 500 mV dalla polarizzazione di CC di -1,8 V. Nota: Questo semplice esperimento è analogo alla STS convenzionale dove la conduttanza viene campionata sopra una gamma di pregiudizi.<ol>
<li>Configurare la durata di treni di impulsi (ciascuna con un diverso orientamento) in modo tale che gli spettri risultanti hanno un rapporto segnale-rumore > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Inviare un treno composto da pompa impulsi fissato a una polarizzazione fissa (tale che VDC + Vpompa > Vthr) con un tasso di ripetizione di 25 kHz. In questi esperimenti, impostare il VDC, Vpompae Vthr -1,8 V, 500 mV e -2,0 V, rispettivamente. Nota: La pompa impulsi possono avere arbitrariamente lunghe durate (1 µs è in genere sufficiente).</li>
	<li>
Inviare un treno composto degli impulsi di pompa con gli impulsi di sonda seguiti da un ritardo di 10 ns. In questi esperimenti, impostare l'ampiezza dell'impulso pompa come 500 mV e della sonda pulse sweep da 50 a 500 mV. Nota: In questo esperimento, l'impulso di sonda è campionamento dello stato preparato dall'impulso di pompa, piuttosto che lo stato di equilibrio campionate in STS convenzionali.<ol>
<li>Sottrarre il segnale ottenuto quando solo l'impulso di pompa è stato applicato durante la visualizzazione/valutazione del segnale raccolto da questo passaggio.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Confronta solo la sonda e la pompa + sonda segnali tracciando loro nello stesso grafico. Qualsiasi isteresi in due segnali è un'indicazione delle dinamiche che possono essere sondata con tecniche di STM risolta nel tempo. Nota: Mantenendo la gamma dell'impulso sonda fissata e scansione grossolanamente il DC offset (incrementi di 0,25 V, per esempio), uno in modo efficiente possibile mappare la gamma intera energia del campione per identificare le dinamiche accessibili alla tecnica. Durate di impulso possono essere modificate a seconda dell'esperimento. La larghezza dell'impulso pompa deve essere più lungo il tasso a cui il drogante è ionizzato, tale che ionizza costantemente il drogante. In generale, le durate sonda dovrebbero essere dello stesso ordine come il processo dinamico in fase di studio, tale che il segnale massimo può essere misurato senza aver assaggiato una media degli stati due conduttanza. Quando sono alla ricerca di energie alle quali dinamiche presenti, è consigliabile che le durate della sonda sono ridotti al minimo tale che solo uno stato del sistema viene misurato per migliorare isteresi. Come si trovano le costanti di tempo di rilassamento, la durata dell'impulso sonda può essere aumentata per migliorare il rapporto segnale-rumore.</li>
</ol>5. time-resolved STM misure di rilassamento Dynamics
<ol><li>Posizionare la punta STM su un DB di silicio e spegnere il controller di feedback corrente STM.</li>
	<li>Inviare un treno composto da pompa impulsi fissato a una polarizzazione fissa (tale che VDC + Vpompa > Vthr) con un tasso di ripetizione di 25 kHz. In questi esperimenti, impostare il VDC, Vpompae Vthr -1,8 V, 400 mV e -2,0 V, rispettivamente. Nota: La pompa impulsi possono avere arbitrariamente lunghe durate (1 µs è in genere sufficiente).</li>
	<li>Inviare un treno di impulsi di pompa e sonda. Garantire che gli impulsi di sonda hanno un'ampiezza inferiore rispetto alle pompe e paragonabile alla gamma al quale isteresi si verifica (Vsonda < Vpompa, Vsonda + VDC≈ Visteresi).</li>
	<li>Spazzare il ritardo tra l'impulso di pompa e sonda fino a diverse decine di µs.</li>
	<li>Sottrarre il segnale ottenuto quando è stato applicato solo l'impulso di pompa. In questi esperimenti, impostare il VDC, Vpompae Vsonda -1,8 V, 400 mV e 210 mV, rispettivamente. Impostare il ritardo relativo sweep da-5 μs a 35 μs. Nota: Se il segnale ottenuto dal passaggio precedente è ben in forma (R2 > 0.80) da una funzione singola decadimento esponenziale, quindi la durata dello stato transitorio preparato dall'impulso di pompa può essere estratta dal fit.</li>
</ol>6. time-resolved STM misure di eccitazione dinamica
<ol><li>Inviare un treno composto da pompa impulsi fissato a una polarizzazione fissa (tale che maggiore di VDC + Vpompa > Vthr) con un tasso di ripetizione di 25 kHz. In questi esperimenti, impostare la VDC e Vthr -1,8 V e -2,0 V, rispettivamente. Impostare Vpompa tra 220 e 450 mV.</li>
	<li>Spazzare la durata dell'impulso di pompa da nanosecondi diversi a diverse centinaia di nanosecondi.</li>
	<li>Inviare un treno di impulsi di pompa e sonda. Gli impulsi di sonda dovrebbero avere un'ampiezza minore rispetto alle pompe e paragonabile alla gamma al quale isteresi si verifica (Vsonda < Vpompa, Vsonda + VDC≈V isteresi). In questi esperimenti, impostare Vsonda a 210 mV.</li>
	<li>Sottrarre il segnale ottenuto quando è stato applicato solo l'impulso di sonda. Nota: Se il segnale ottenuto è esponenziale, indica che l'impulso di pompa sta preparando lo stato transitorio (ionizzato drogante) ad un tasso che può essere estratta dal fit (R2> 0.80). Il protocollo descritto sopra è specifico per gli esperimenti e le apparecchiature descritte nel presente documento. Ci sono molti potenziali vie per i lettori di personalizzare la propria installazione sperimentale per gli studi di altri sistemi. Ad esempio, le tecniche generali non sono limitate a STMs criogenicamente raffreddato; può essere utilizzato qualsiasi materiale di punta, e non necessitano di acquaforte di azoto. Inoltre, potrebbe essere utilizzato un generatore di funzioni arbitrarie opportunamente programmato per generare forme d'onda doppio impulso, che annullerebbero la necessità di sommare due canali indipendenti. Infine, cablaggio di larghezza di banda inferiore potrebbe essere usato31.</li>
</ol>

<ol>
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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>

Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

La variante del TR-STS in cui non viene applicato l'impulso di pompa è paragonabile a STS convenzionale, ad eccezione del fatto che il sistema viene campionato ad alta frequenza, piuttosto che continuamente. Se le durate degli impulsi di sonda sono appropriate (>ΓLH), il TR-STS segnale acquisito senza l'impulso di pompa può essere moltiplicato per una costante proporzionale al ciclo di dovere dell'esperimento in modo da coincidere esattamente con un convenzionale STS unità di misura. Questo è pos...

Scansione a effetto tunnel (STM) la microscopia è diventato lo strumento premier in nanoscience per la sua capacità di risolvere su scala atomica topografia e struttura elettronica. Una limitazione di STM convenzionale, tuttavia, è che la risoluzione temporale è limitata alla scala cronologica millisecondo a causa della limitata larghezza di banda del preamplificatore attuale1. E ' stato a lungo un obiettivo di estendere la risoluzione temporale di STM per le scale su cui comunemente si verificano processi atomici. Il pionieristico lavoro in microscopia a scansione (TR-STM) risolto tempo da Freeman et al. 1 utilizzato fotoconduttivi interruttori e linee di trasmissione microstrip modellati sull'esempio di trasmettere impulsi di tensione di picosecondi fino allo svincolo di tunnel. Questa tecnica di giunzione di miscelazione è stata utilizzata per raggiungere risoluzioni simultanee di 1 nm e 20 ps2, ma mai è stato ampiamente adottato a causa della necessità di utilizzare strutture specializzate del campione. Fortunatamente, l'intuizione fondamentale che ha guadagnato da queste opere può essere generalizzata a molte tecniche risolta nel tempo; anche se la larghezza di banda di circuiteria di STM è limitato a parecchi kilohertz, la risposta non-lineare perpendicolarmente in STM permette dinamiche più veloce per essere sondata misurando la corrente di tunnelling medio ottenuto sopra molti cicli di pompa-sonda. Negli anni successivi, molti approcci sono stati esplorati, il più popolare dei quali brevemente sono esaminato qui di seguito.
Scosso-impulso-coppia-eccitato STM (SPPX) sfrutta i progressi nelle tecnologie laser pulsato ultraveloce per ottenere risoluzione sub-picosecondi di illuminare direttamente la giunzione tunnel ed emozionante vettori in esempio3. Luce laser incidente crea elementi portanti liberi che migliorano transitoriamente la conduzione, e modulazione del ritardo tra la pompa e la sonda (td) permette dho/dtd essere misurato con un lock-in amplifier. Poiché il ritardo tra la pompa e la sonda è modulato piuttosto che di intensità del laser, come in molti altri approcci ottici, SPPX-STM evita foto illuminazione-indotta espansione termica della punta3. Le estensioni più recenti di questo approccio hanno esteso le tempistiche sopra cui SPPX-STM può essere utilizzato per studiare la dinamica utilizzando tecniche di impulso-picking per aumentare la portata della pompa-sonda ritardo volte4. D'importanza, questo recente sviluppo fornisce anche la possibilità di misurare le curve ho(td) direttamente anziché tramite integrazione numerica. Recenti applicazioni di SPPX-STM hanno incluso lo studio di ricombinazione di vettore in singolo-(Mn, Fe)/GaAs(110) strutture dinamiche5 e donatore in GaAs6. Applicazioni di SPPX-STM alcune restrizioni. Il segnale CHE SPPX-STM misura dipende da elementi portanti liberi eccitati da impulsi ottici ed è più adatto ai semiconduttori. Inoltre, anche se la corrente di tunneling è localizzato alla punta, perché una grande area è eccitata da impulsi ottici, il segnale è una convoluzione di proprietà locale e trasporto materiale. Infine, il bias al bivio è fissato presso la scala di misurazione cronologica affinché la dinamica in fase di studio deve essere fotoindotti.
Una tecnica più recente ottica, terahertz (THz-STM), STM coppie impulsi THz spazio incentrati sulla diramazione per la punta STM. A differenza di SPPX-STM, gli impulsi accoppiati si comportano come impulsi di tensione veloce che consente per l'indagine di eccitazioni elettronicamente guidati con Sub-picosecondi risoluzione7. È interessante notare che, la corrente raddrizzata generata dagli impulsi THz risultati in densità di corrente di picco estreme non accessibile da convenzionale STM8,9. La tecnica è stata utilizzata recentemente per studiare gli elettroni caldi in Si(111)-(7x7)9 e la vibrazione di una molecola di pentacene singolo10di immagine. THz-impulsi coppia naturalmente alla punta, tuttavia, la necessità di integrare una fonte THz per un esperimento STM è probabile che sia difficile da molti sperimentatori. Questo motiva lo sviluppo di altre tecniche ampiamente applicabile e facilmente attuabile.
Nel 2010, restio et al. 11 sviluppato una tecnica tutto-elettronico cui impulsi di tensione di nanosecondo applicati sopra un offset DC elettronicamente pompa e il sistema11della sonda. L'introduzione di questa tecnica offerto una dimostrazione critica delle applicazioni inequivocabili e pratiche di STM risolta nel tempo per misurare fisica precedentemente inosservata. Anche se non è veloce come giunzione miscelazione STM, che ha preceduto, l'applicazione di impulsi a microonde fino alla punta STM permette arbitrari campioni per essere studiato. Questa tecnica non richiede alcun complicati metodologie ottici o accesso ottico fino al bivio STM. Questo rende la tecnica più semplice adattarsi a bassa temperatura STMs. La prima dimostrazione di queste tecniche è stata applicata allo studio della dinamica di spin dove un STM polarizzata in spin è stato utilizzato per misurare la dinamica di rilassamento degli spin-stati eccitati da impulsi pompa11. Fino a poco tempo, la sua applicazione è rimasta limitata al magnetico tengono sistemi12,13,14 , ma ha poiché stato esteso allo studio della velocità di cattura di vettore da un discreto gap metà stato15 e carica dinamica di droganti singolo arsenico in silicio15,16. Lo studio di quest'ultimo è il focus di questo lavoro.
Studi sulle proprietà delle singole droganti nei semiconduttori recentemente hanno attirato l'attenzione significativa perché dispositivi a semiconduttore (CMOS) ossido di metallo complementare entrano ora il regime cui singole droganti possono influenzare Proprietà dispositivo17 . Inoltre, parecchi studi hanno dimostrato che singole droganti possono servire come componente fondamentale dei futuri dispositivi, ad esempio come qubits per quantum calcolo18 e quantum memoria19e come singolo atomo transistor20 , 15. dispositivi di futuro possono anche includere altri difetti su scala atomica, quali il silicio penzoloni bond (DB) che può essere modellato con precisione atomica con STM Litografia21. A tal fine, DBs sono stati proposti come carica qubits22, punti quantici per quantum automi cellulari architetture23,24e fili atomici25,26 e sono state modellate per creare 27 e28,di molecole artificiali29cancelli logica Hamiltoniana quantistica. Andando avanti, dispositivi possono incorporare sia singole droganti e DBs. Si tratta di un'attraente strategia perché DBs sono difetti superficiali che facilmente possono essere caratterizzati con STM e utilizzati come un handle per la caratterizzazione di dispositivi drogante singolo. Come esempio di questa strategia, DBs sono utilizzati in questo lavoro come sensori di carica per dedurre la carica dinamica di droganti vicino alla superficie. Queste dinamiche vengono acquisite con l'uso di un approccio tutto-elettronico al TR-STM che è adattato dalle tecniche sviluppate da Loth et al. 11
Misurazioni eseguite su DBs selezionato su una superficie di Si(100)-(2x1) di idrogeno è terminato. Una regione di svuotamento di drogante che si estende circa 60 nm sotto la superficie, creato tramite trattamento termico del cristallo30, disaccoppia il DB e i pochi restanti vicino alla superficie droganti dalle bande di massa. Gli studi STM di DBs hanno trovato che loro conduttanza è dipendente da parametri del campione globale, quali la concentrazione di droganti e la temperatura, ma singoli DBs mostrano anche forti variazioni a seconda del loro ambiente locale16. Durante una misurazione di STM nel corso di un singolo DB, il flusso di corrente è regolato dal tasso a cui gli elettroni possono tunnel dalla maggior parte al DB (Γalla rinfusa) e dal DB fino alla punta (puntaΓ) (Figura 1). Tuttavia, poiché la conduzione del DB è sensibile al suo ambiente locale, lo stato di carica della vicinanze droganti influenze Γmassa (Figura 1B), che possono essere dedotte mediante monitoraggio conduttanza del DB. Di conseguenza, la conduttanza di un DB può essere utilizzata per rilevare gli Stati di carica di droganti nelle vicinanze e può essere utilizzata per determinare le tariffe a cui i droganti sono forniti gli elettroni dalla massa (ΓLH) e li perdono fino alla punta STM (ΓHL < / c13 >). Per risolvere queste dinamiche, TR-STS viene eseguita intorno le tensioni di soglia (Vthr) in cui la punta induce la ionizzazione di droganti vicino alla superficie. Il ruolo degli impulsi di pompa e sonda è lo stesso nelle tre tecniche sperimentali risolta in tempo qui presentate. La pompa transitoriamente porta il livello di polarizzazione da sotto a sopra Vthr, che induce la ionizzazione di drogante. Questo aumenta la conduttanza del DB, che è campionata dall'impulso di sonda che segue a una distorsione inferiore.
Le tecniche descritte in questo documento saranno particolarmente coloro che desiderano caratterizzare le dinamiche che si verificano su al millisecondo alla scala cronologica di nanosecondi con STM. Sebbene queste tecniche non sono limitate a studiare carica dinamica, è essenziale che le dinamiche sono manifesta attraverso cambiamenti transitori nella conduttanza degli Stati che possono essere sondati da STM (cioè, stati su o vicino alla superficie). Se la conduttanza degli stati transitori non differisce significativamente dallo stato di equilibrio, tale che moltiplicato per la differenza tra le correnti transitori ed equilibrio il ciclo di dovere di impulso sonda è minore il rumore di fondo di sistemi (in genere 1 pA), il segnale sarà perso nel rumore e non sarà rilevabile da questa tecnica. Perché le modifiche sperimentali dei sistemi STM commercialmente disponibili necessari per eseguire le tecniche descritte in questo documento sono modeste, si prevede che queste tecniche saranno ampiamente accessibili alla comunità.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1051">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">Low Temperature Scanning Tunneling Microscope</td>
			<td style="width:133px;">Scientaomicron</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:359px;">Custom-made with 500MHz bandwidth wiring&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">Arbitarary Function Genorator</td>
			<td>Tektronix&#160;</td>
			<td style="width:119px;">AFG3252C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">RF Power Splitter/ Combiner</td>
			<td style="width:133px;">Mini-Circuits</td>
			<td style="width:119px;">ZFRSC-42-S +</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">RF Switch</td>
			<td style="width:133px;">Mini-Circuits</td>
			<td>X80-DR230-S +</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">Non-Contact Infrared Pyrometers</td>
			<td style="width:133px;">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

La miniaturizzazione dei dispositivi a semiconduttore alle scale dove un piccolo numero di droganti possa controllare le proprietà della periferica richiede lo sviluppo di nuove tecniche in grado di caratterizzare la loro dinamica. Indagando su singole droganti richiede risoluzione spaziale sub-nanometrica, che motiva l'uso di microscopia a scansione (STM). Tuttavia, STM convenzionale è limitata alla risoluzione temporale di millisecondo. Diversi metodi sono stati sviluppati per superare questa carenza, tra cui tutto-elettronico STM risolta in tempo, che viene utilizzato in questo studio per esaminare la dinamica di drogante nel silicio con risoluzione nanosecondo. I metodi presentati qui sono ampiamente accessibili e permettono per misura locale di una vasta gamma di dinamica su scala atomica. Un romanzo tempo-risolta scanning tunneling tecnica di spettroscopia è presentato e utilizzato per cercare in modo efficace per dynamics.

I risultati presentati in questa sezione del testo sono stati precedentemente pubblicati15,16. Nella figura 3 viene illustrato il comportamento di un esempio selezionato DB con STM convenzionali. Una misurazione perpendicolarmente convenzionale (Figura 3A) rappresenta chiaramente un brusco cambiamento nella conduttanza del DB a Vthr = -2,0 V. Questo co...

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

Dimostriamo un metodo tutto-elettronico per osservare le dinamiche di nanosecondo-risolto carica degli atomi di drogante nel silicio con un microscopio a effetto tunnel.

Tutto-elettronico nanosecondo-risolto scansione microscopio a effetto tunnel: Agevolare le indagini di drogante singola carica dinamica

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

9.4K Views.  University of Alberta. Dimostriamo un metodo tutto-elettronico per osservare le dinamiche di nanosecondo-risolto carica degli atomi di drogante nel silicio con un microscopio a effetto tunnel.

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.

Raccolta di energia solare per mezzo di separatori di carica-nanocristalli e loro Solidi

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

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Ingegneria

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.

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 ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

La preparazione di Electrohydrodynamic Ponti da Polar dielettrici liquidi

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

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.

Fabbricazione di gate-sintonizzabili dispositivi di grafene per effetto tunnel studi di microscopia con Coulomb impurità

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

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

Emissione spettroscopica Boundary Investigation strato durante ablativo Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

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 ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a microfluidic chamber assembled in the specimen holder for Transmission Electron Microscopy (TEM) and STEM. The microfluidic system consists of two silicon microchips supporting thin Silicon Nitride (SiN) membrane windows. This article describes the basic steps of sample loading and data acquisition. Most important of all is to ensure that the liquid compartment is correctly assembled, thus providing a thin liquid layer and a vacuum seal. This protocol also includes a number of tests necessary to perform during sample loading in order to ensure correct assembly. Once the sample is loaded in the electron microscope, the liquid thickness needs to be measured. Incorrect assembly may result in a too-thick liquid, while a too-thin liquid may indicate the absence of liquid, such as when a bubble is formed. Finally, the protocol explains how images are taken and how dynamic processes can be studied. A sample containing AuNPs is imaged both in pure water and in saline.

This protocol describes the operation of a liquid flow specimen holder for scanning transmission electron microscopy of AuNPs in water, as used for the observation of nanoscale dynamic processes.

Lo studio dei processi dinamici di dimensioni nano oggetti in liquidi di utilizzare la scansione microscopia elettronica a trasmissione

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning electron microscope (ESEM) operating with a low pressure water vapor ambient. In this technique, a portion of the electron beam interacts with the water vapor in the vicinity of the CNT sample, dissociating the water molecules into hydroxyl radicals and other species by radiolysis. The remainder of the electron beam interacts with the CNT forest sample, making it susceptible to oxidation from the chemical products of radiolysis. This technique may be used to trim a selected region of an individual CNT, or it may be used to remove hundreds of cubic microns of material by adjusting ESEM parameters. The machining resolution is similar to the imaging resolution of the ESEM itself. The technique produces only small quantities of carbon residue along the boundaries of the cutting zone, with minimal effect on the native structural morphology of the CNT forest.

Low pressure scanning electron microscopy in a water vapor ambient is used to machine nanoscale to microscale features in carbon nanotube forests.

Precisione fresatura di Nanotubi di carbonio delle foreste Utilizzando bassa pressione Scanning Electron Microscopy

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning ...

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of gamma rays created when neutrons interact with soil elements. The main parts of the INS system are a pulsed neutron generator, NaI(Tl) gamma detectors, split electronics to separate gamma spectra due to INS and thermo-neutron capture (TNC) processes, and software for gamma spectra acquisition and data processing. This method has several advantages over other methods in that it is a non-destructive in situ method that measures the average carbon content in large soil volumes, is negligibly impacted by local sharp changes in soil carbon, and can be used in stationary or scanning modes. The result of the INS method is the carbon content from a site with a footprint of ~2.5 - 3 m2 in the stationary regime, or the average carbon content of the traversed area in the scanning regime. The measurement range of the current INS system is &#62;1.5 carbon weight % (standard deviation &#177; 0.3 w%) in the upper 10 cm soil layer for a 1 hmeasurement.

Here, we present the protocol for in situ measurement of soil carbon using the neutron-gamma technique for single point measurements (static mode) or field averages (scanning mode). We also describe system construction and elaborate data treatment procedures.

Misure del carbonio nel suolo di neutroni-Gamma analisi statica e modalità di scansione

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

Tutto-elettronico nanosecondo-risolto scansione microscopio a effetto tunnel: Agevolare le indagini di drogante singola carica dinamica

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