ここで説明する研究は量子科学ミシガン州立大学研究所と国立科学財団DMR-0305461、DMR-0906939、及びDMR-0605801によってサポートされていました。 KWは教育GAANN学際バイオエレクトロニクストレーニングプログラムのフェローシップの米国務省の支援を認めるものです。

1。 PROTOCOL <ol><li>顕微鏡と電子機器の初期設定<ol><li>関連する制御エレクトロニクスと極低温対応の走査型プローブ顕微鏡で始まる。研究に使用される顕微鏡は、試料に向かって&quot;歩く&quot;する慣性変換を使用して、離れて傾斜路13に沿って先端から（例えば、銅、真鍮、ステンレス鋼等の導電性材料から作られ、それらをにバイアス電圧を伝達することを可能にする、ここで説明図2に概略的に示さBesocke設計STM 14の一部としてサンプル）。 </li><li>バイアス電圧とトンネル電流同軸配線に加えて、敏感な電荷検出用の極低温増幅回路を動作させるために、顕微鏡の先端部付近まで電子機器ラックから延びる少なくとも2つの他の同軸線とアース線を提供する。参考文献5,12、および15に詳細に記載増幅回路の要素を組み立てると、その上には電子収容されているlectronicsラック、これは図2の影付きのボックスの外側回路の一部である。回路のこの部分は、実験を通して室温のままになります。 </li></ol></li><li>チップとHEMT回路（ 図2の斜線ボックス）用のチップ実装を組み立て、HEMT回路が最適なエネルギー分解能を得るために、極低温に下げられます。 <ol><li>クリーブは、正方形のチップは、約1cmのスクライブを使用したGaAsウェハから×1センチの大きさ、センサ回路とチップはこのチップにマウントされます。デポジットHEMTからワイヤには、いくつかの金パッドを形成するためのGaAsチップ上にシャドーマスクを介して層を貼りチタンの上に金を100nm程度、各サイズの約1mm×1 mmとし、抵抗器が結合されるバイアス。パッドの寸法は重要ではない。 </li><li>斜めのカッターを使用してのIrワイヤー：機械的に80:20のPtを切断することによって鋭いSTM探針を準備します。チップはまた、化学エッチング○で調製する​​ことができるR別の方法や、市販で購入することができます。走査型電子顕微鏡を介して、先端の曲率半径を決定し、曲率半径が実験のために必要な空間分解能のオーダーであるべきである。 </li><li>エポキシ極低温に耐えることができる導電性エポキシを使用して、金パッドのそれぞれの上に金線、これらのワイヤは、顕微鏡で同軸線にチップ実装上の回路の要素を接続します。金線を容易にパッド上にそれらが必要とされない場合、次のステップ、エポキシいくつかの冗長金線後に除去することができるからである。エポキシHEMT、バイアス抵抗、およびチップを搭載GaAsの上にSTM探針。その製品情報シートに示されるように、エポキシ樹脂を治す。 （詳細については、以下の材料の表を参照してください。） </li><li>金ワイヤ、ボンドがロードワイヤボンダを使用して、ソース、ドレイン、及​​びGaAsのチップ上に金のパッドを分離するHEMTのゲート素子。ゲートとソースと、oを接続するボンドワイヤを一時的rは、ゲートがソース - ドレインチャネルに対して帯電しないようにパッドを切る。 HEMTを操作中に追加の安全のためにアースストラップを使用して、それはHEMTを破壊する可能性が浮遊静電荷を導入するのを避けるための予防措置を取ることが重要です。 </li><li>ゲートと電気的にHEMTを短絡を避けるために相互に接続HEMTのソース - ドレインチャネルに接続線でプリペアチップ実装に保管してください。前のステップで説明した一時的な線が削除されている場合、優しく一緒にワイヤーをねじる。互いにすべての配線を接続するのが最も簡単である。 </li></ol></li><li>顕微鏡に取り付けチップを取り付けます。 <ol><li>これは、HEMTのゲートとソース·ドレイン間のチャネル間の破壊的な短絡を防ぐためです。ゲートとソース·ドレイン間のチャネルはフローティングされることはありませんことを確認してください。チップからの配線がハンダ付けされますように顕微鏡で同軸線を接地してください。 </li><li>貼りトン頂上にチップ実装図2に示すように、彼は、piezotubeを走査する。 </li><li>はんだチップ実装からインジウム半田を使用して適切な同軸線まで伸びる金線。 </li></ol></li><li>電子機器ラックの同軸配線に接続されているカーブトレーサを用いたHEMTの整合性をチェックします。本質的に、カーブトレーサーは、ソース - ドレイン電流 - 電圧特性を示す。最も一般的な故障モードでは、HEMTゲートとゲート電圧に鈍感であるソース·ドレイン特性をもたらす、そのソース·ドレインチャンネル間の短絡である。 </li><li>サンプルをマウントします。サンプルが正常に先端に近づくことを保証するためにSTMモードで構成され顕微鏡で範囲に入る。 <ol><li>現在の測定値をトンネリングSTMに使用プリアンプにワイヤーTを接続し、ワイヤーBにDCバイアス電圧V DCを添付（すべての接続は電子機器ラックで作られています。） </li><li>サンプルと先端がトンネルの範囲内になるまでの中を歩く。ときRAのNGE、スキャニングpiezotubeはスキャニングpiezotubeを接地すると、先端がその範囲内の拡張子から退避するようになりますようにその平衡位置から少し延長ままにしてください。これは、サンプルが正常に先端に近づくことができるかどうかを確認します。次のアクションの中に先端を保護するために、これをやった後、範囲外歩く。 </li><li>最終的な低温動作のための実験室ベンチからデュワーに顕微鏡を転送します。この時点で、テスト段階が完了し、実験段階で開始することができる。 </li></ol></li><li>少数microtorrの真空顕微鏡を汲み出す。クライオスタットの取扱説明書で説明した手順に従って、最適なエネルギー分解能については、以下の4.2 Kまで顕微鏡を冷却するか、または。 <ol><li>そのベース温度に顕微鏡を冷却した後、顕微鏡十分な時間が熱平衡に達するように、同じ面積の反復、長いスキャンが行われるので、熱ドリフトを最小化することが重要である。 （ドリフトは試料に対する先端の平衡位置のずれ）。 </li><li>できるだけ建物の機械的結合へと真空ポンプ、顕微鏡とデュワーに接続されている他の機器に起因する振動から顕微鏡を分離するためにデュワーを中断します。これは、参考文献15のように、または空気ばね又は類似の方法を用いて、バンジーコードサスペンションシステムを用いて行うことができる。 </li></ol></li><li>顕微鏡を冷却した後、データ収集を行う前に、再度カーブトレーサーを用いたHEMTの整合性を検証する。 </li><li>トンネリング（STM）モードでサンプルをスキャンします。 <ol><li>範囲に入る。破片からの実質的な高さや導電率の変化から自由である試料表面のある領域を見つけ、先端が安定していることを確認してください。 </li><li>サンプルの任意の傾きを補正するため、静電容量のスキャンはフィードバックループを無効にして実行されるので、これは特に重要です、こうして先端が表面にクラッシュする可能性があればscannる面は試料の表面に対して平行ではない。原理的には、一チップを走査しながら一定の容量を維持するようにフィードバックを容量信号を使用することができるが、実際には、信号は、フィードバックが使用される場合、クラッシュを防止するのに十分に頑強ではない。 </li><li>それは先端がオフセット再配置することによって補償することができるように、任意の熱ドリフトを観察します。トンネリングモードの範囲内で、タッチポイントとして、このプロトコルに言及しながら先端の延長量に注意してください。 </li></ol></li><li>サンプルの非摂動面積、STMモードでスキャンされていなかったものに移動します。 <ol><li> STMコントローラ内のフィードバックループを無効にします。フィードバックループが無効になっている場合、先端のマニュアル動きが誤ってクラッシュを引き起こす可能性があることを思い出してください。先端を動かしながら細心の注意は、したがって、注意が必要です。 </li><li>先端のタッチポイントから数十ナノメートルを撤回。 </li><li>サンプルWHIの周辺エリアに先端の横方向の位置をオフセットchが最近STMスキャンの半導体試料をトンネリングできるようにするために必要なバイアス電圧が誘起されている可能性があり（例えば、半導体ドーパント部位の帯電のような）任意の摂動を回避するために、スキャンされていない。 </li><li>平衡延長から先端の変位は、タッチポイントに大きさが近くなるまで慎重に表面に向かって先端を延長する。 </li></ol></li><li>静電容量モードに配線構成を切り替えます。 <ol><li> HEMTを保護するために、すべての同軸線を接地してください。 </li><li> 図2に示すように、該当する電圧源と抵抗およびロックイン増幅器と関数発生器と同軸配線を接続する。 </li><li>すべての電圧源をオンにします。 HEMTに衝撃を与えないようにするには、0での電圧ソース出力で始まるV. </li><li>未粉砕同軸配線、ゲート及びHEMTを保護するために、可能な限り相互に接続HEMTのソース - ドレイン経路を維持するために思い出す。 </li><li> Vを設定分圧器抵抗（線D）のoltageソース。 </li><li> V チューンを調整しながらマルチメータワイヤーLの両端の電圧を監視することによって、その最も敏感な領域にHEMTをチューニングします。その後、ロックインアンプにワイヤーLを取り付けます。 </li><li>ロックインアンプが増える上に、同相信号までV チューンを増やし、高原に始まり、先端に印加される電圧V チューン 、この値を記録します。これはワイヤーL.漏れるのではなく、HEMTに行くために測定値からすべての電荷を可能に</li><li>ロックインアンプのautophase能力とレコード位相値を使用しての内部位相を最適化します。 </li><li>有意な熱の影響（これは多くの場合、最大2時間かかります）がないことを確認するために安定させるためにHEMTのを待ちます。 </li></ol></li><li>唯一の関心の信号はロックインアンプに行くことを保証するために標準のコンデンサに信号を調整することにより、HEMTのバランスをとる。上の信号の調整標準コンデンサはどちらV バランスの振幅またはV バランス V 励起との間の相対的な位相に行うことができます。 HEMTは、バランスを考えた場合に、同相信号ロックインアンプ手順のこの段階で最小化される。 </li><li>スキャニング電荷蓄積イメージングを実行します。 <ol><li>サンプルのDCバイアス電圧V DCを設定します。 </li><li>リファレンスとしてタッチポイントを使用して、表面の内1 nmの先端を拡張します。 </li><li>ロックインデータ収集ソフトウェアを用いて増幅器の出力を記録し、これは、関心のある信号である。 </li><li>サンプルをスキャンします。優れた分解能を得るために、スキャンは、画素ごとに十分な信号平均化を可能にするために、画像の隣接する画素を横切る信号のスミアリングを防ぐために、1回のスキャン数時間の割合で取得する必要があるかもしれない。いくつかの同じ領域にわたってスキャン、および平均これらは信号対雑音比を改善するために一緒にスキャンを行う。 </li></OL&gt; </li><li>前のステップの間に取得された電荷蓄積画像の関心の地下特徴上記静止チップで容量（CV）分光法を実行します。 <ol><li>ランプV DCとロックインデータ収集ソフトウェアを用いて増幅器の出力を記録する。 </li><li>信号対雑音比を向上させるために同じ場所に複数の容量 - 電圧（CV）曲線、一緒に、これらの曲線の平均を取る。一般的に、いくつかの曲線が平均化されています。平均化曲線が原因でスキャン中にドリフト電位の信号対雑音比を改善しながら、連続する走査のほんの一握りを一緒に平均化されるべきである。 </li></ol></li><li>トンネリング（STM）モードに戻ります。 <ol><li>その平衡拡張と再構成STM用電子機器へのヒントを撤回。フィードバック·ループを再度有効にして先端の現在の範囲内の拡張子（タッチポイント）を記録。 </li><li>トップの機能を探すためにトンネリングモードでの領域をスキャン容量イメージングと容量分光法におけるアーティファクトを生成した可能性がありography。 </li></ol></li><li>リファレンス9およびリファレンス1でサポート情報に続いて、データを分析し、解釈する。 </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>

著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。

この実験的な方法のための理論的基礎の詳細な説明は参考資料8と9に与えられ、参考2で地下ドーパントのシナリオに関して説明され、ここで紹介する概要は、したがって、簡潔かつ概念的になります。チップは、一コンデンサのプレートと、サンプルが他のプレートを備える基礎となる導電層として扱われる。 DC電圧が印加された場合、そのような電子は、先端に向かって引っ張られ、追加?...

地下電荷蓄積（SCA）イメージングは​​、単電子チャージングイベントを解決することのできる低温法である。半導体中のドーパ​​ント原子の研究に適用された場合、本方法は、これらの微小系の量子井戸構造の特徴付けを可能にして、ドナーまたはアクセプター原子を入力して個々の電子を検出することができる。その中心には、SCAイメージングはローカル容量測定6極低温動作に適しています。静電容量、電界に基づいているので、表面06の下に絶縁帯電解決することができる長距離効果である。低温動作は、単一電子の動きや室温1,2で解決できないだろう量子レベル間隔の調査を可能にします。技術は、埋め込 ​​みインターフェイス7における二次元電子系における充電ダイナミクスを含む、絶縁表面下の電子の運動が重要である任意のシステムに適用することができ、簡潔にするために、<html>ここでの焦点は、半導体ドーパントの研究になります。 現実的な分析は、先端8,9の曲率を考慮して、より詳細な説明を必要とするものの、ほとんどの回路図レベルでは、この技術は、平行平板コンデンサの一方のプレートとして、スキャンしたヒントを扱います。 図1に示すように、このモデルの他のプレートは、下にある導電層のナノスケール領域である。本質的に、電荷が周期的な励起電圧に応答してドーパントに入ると、それは先端に近づくが、この動きは、センサ回路5によって検出されるチップ上に複数の画像電荷を誘導する。同様に、ドーパント充電が終了すると、先端のイメージ電荷は減少する。従って、励起電圧に応答して周期的な充電信号が検出された信号である - 基本的には静電容量であるので、この測定は、しばしば、システムのCV特性を決定することと呼ばれる。 テントは &quot;&gt;静電容量測定時には、唯一のネットトンネリングは、下にある導電層とドーパント層の間にある - 。直接チップ上にチャージ決してトンネル測定中に、または先端からトンネリング直接の欠如は、この重要な違いです。技術とより身近な走査型トンネル顕微鏡、多くのハードウェア、このシステムのためには、走査型トンネル顕微鏡のものと本質的に同一ですが。それはSCAイメージングは​​静電気に直接小文字が区別されないことに注意することも重要です。静電気の調査のためにディストリビューションは、ケルビンプローブ顕微鏡または静電気力顕微鏡が適切であるにも優れた電子及び空間分解能を有する局所的な電子現象が存在する調べるための追加の極低温法;。例えば、単一電子トランジスタの顕微鏡は、充電分を検出することができる別の走査型プローブ法である効果は4,10。SCAイメージングはもともとテスマー、Glicofridis、Ashoori、および共同研究者7によってMITで開発され、また、ここで説明する方法はAshooriおよび共同研究者11によって開発された単電子静電容量分光法の走査プローブ版として考えることができる。測定の重要な要素は、高電子移動度トランジスタ（HEMT）を用いて精巧に敏感な電荷検出回路5,12であり、それは0.01エレクトロン/ Hz程度の低いノイズレベルを達成することができる半 0.3°K、クライオスタットのベース温度リファレンス5インチこのような高感度、地下システムにおける単電子帯電の観察を可能にします。この方法は、平面幾何学2 10 15メートル-2のオーダーで、典型的なドーパント面密度と、半導体中のドーパントの個人や小グループの電子または正孔ダイナミクスの研究に適しています。実験のこのタイプの典型的なサンプルの構成の一例を図1に示す</strong&gt;。ドーパント層は、典型的には、表面下数十ナノメートルに配置され、その下地導電層との間にドーパント層とドーパント層と試料表面との間の正確な距離を知ることが重要である。トンネリングとは対照的に、静電容量が急激に落下しないが、代わりに本質的距離に反比例して減少する。したがって、ドーパントの深さは、原理的には先端に電界ランドのいくつかの合理的な分数限り、表面下数十ナノメートル、よりさらに深くすることができる。ここに記載された技術を含む電子挙動、前述の低温ローカルプローブのすべてのために、空間分解能は、先端の幾何学的サイズによって、関心のある地下特徴と走査プローブ先端間の距離によって制限されます。

<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

半導体中の個々の原子ドーパントを含む - 低温走査プローブ技術と単電子容量分光法の統合は、小規模なシステムの電子の量子構造を研究するための強力なツールを表します。ここでは、イメージの個別の原子ドーパントに十分な空間分解能を達成しながら単電子帯電を解消することが可能である地下電荷蓄積（SCA）イメージング、として知られている静電容量ベースの方法を提示。静電容量方式の使用は、半導体材料1,2,3の表面の下に多数のナノメートル埋め込 ​​みドーパントとして地下特徴の観察を可能にする。原則的に、この技術は、絶縁表面直下の動きを解決するために、任意のシステムに適用することができる。 他の電界の影響を受けやすいスキャンしたプローブ技法4に示すように、測定の横方向の空間分解能はcurvaturの半径に部分的に依存するプローブ先端の電子。小さな曲率半径でのヒントを使用すると、数十ナノメートルの空間分解能を有効にすることができます。この細かい空間分解能は地下ドーパント1,2の小さな数の調査を（下1）になります。電荷分解能は電荷検出回路の感度に大きく依存し、低温でそのような回路における高電子移動度トランジスタ（HEMT）を使用して0.3 K 5で約0.01エレクトロン/ Hzの半の感度を可能にする。

成功した測定の主な指標は、多くの他の走査プローブ法のように、再現性である。繰り返し測定は、この理由のために非常に重要である。ポイント静電容量分光法については、同じ場所で連続して多数の測定を行うと、信号対雑音比を増加させ、スプリアス信号を識別するのに役立ちます。 その他の機能は電荷蓄積画像内で識別されており、静電容量分光が行われた後?...

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Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

走査プローブ単電子容量分光法は、ローカライズされた地下の地域での単一電子の運動の研究を促進する。敏感な電荷検出回路は、半導体試料の表面の下にドーパント原子の小規模システムを調査するために極低温走査型プローブ顕微鏡に組み込まれる。

走査プローブ単電子容量分光

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

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13.0K ビュー.  Michigan State University. 走査プローブ単電子容量分光法は、ローカライズされた地下の地域での単一電子の運動の研究を促進する。敏感な電荷検出回路は、半導体試料の表面の下にドーパント原子の小規模システムを調査するために極低温走査型プローブ顕微鏡に組み込まれる。

ビデオ: 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.

超低温での角度分解光電子分光

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

工学

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.

連続波光パラメトリック発振器の光の量子状態エンジニアリング

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.

原子間力分光法による単一分子の接着性を調査

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.

表面EBL作製したナノ構造基板を用いた生体分子のラマン分光検出の強化

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.

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

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.

エクストリームナノワイヤおよびその他の1D系の共鳴ラマン分光

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.

高解像度フォノンアシスト準共鳴蛍光分光

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.

自由形式のライトアクチュエータ - 顕微鏡スケールでの作製と作動の制御

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.

Cプロービング<sub&gt; 84</sub&gt;走査型プローブ顕微鏡および分子動力学を用いたSi基板を-embedded

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.