専門知識や技術のマーティン クルティエとマーク Salomons に感謝したいと思います。我々 も NRC、レベル、および AITF 金融支援ありがちましょう。

1 顕微鏡と実験の初期セットアップ
<ol><li>そもそも、超高真空極低温対応 STM および制御ソフトウェアを関連付けられています。極低温走査トンネル顕微鏡をクールします。 メモ: このレポートで超高真空を達成するためのシステムを参照 < 10 x 10-10 Torr。STM; 極低温に冷却されるべきこれは、適度な温度で熱活性化されるドーパントの電荷ダイナミクスを調査するときに特に重要です。他の部屋は、室温であります。</li>
	<li>STM 探針は高周波配線 (〜 500 MHz) 装備されていることを確認します。 注: パルス整形メソッドを使用して、標準的な極低温同軸配線 (~ 20 MHz) と STM の時間応答の大幅な増加によって報告されている Grosseら31
</li>
	<li>ポンプ ・ プローブ実験用電圧パルス対のサイクルの準備するために使用されます (図 2) の先端に少なくとも 2 つのチャネルを任意関数発生器を接続します。</li>
	<li>ポンプ ・ プローブの電圧パルスが個別に生成され、先端に渡す前にまとめたように、任意関数発生器を構成します。</li>
	<li>サンプル (VDC) をイメージングおよび従来の分光用 DC バイアスを適用します。</li>
	<li>2 つの高周波スイッチを任意関数発生器の出力チャンネルに接続します。</li>
	<li>STM イメージングおよび従来の分光法の中に先端を接地され、効果的なバイアスはVDC + Vチップポンプ ・ プローブ実験 (図 4 a) の間にできるようにスイッチを構成します。</li>
	<li>トンネルのサンプルに接続されているプリアンプを介してすべての測定のための電流を収集します。</li>
</ol>2. H-Si(100)-(2x1) の再構築の準備
<ol><li>炭化ケイ素スクライバーとウェハの背中を掻くと優しくガラス顕微鏡スライドをウェハからサンプルをスナップで 3-4 mΩ·cm n 型ヒ素をドープした si (100) ウェーハからサンプルを切断します。</li>
	<li>STM ホルダーにサンプルを添付し、STM の商工会議所に隣接する超高真空チャンバーを紹介します。</li>
	<li>抵抗 (サンプルの温度を監視する温度計を使用することができます) 600 ° C に加熱して超高真空で少なくとも 6 時間その温度に保持してサンプルをドガします。 注: サンプルとサンプル ホルダー ガス抜きが基本圧近傍で安定するはずの圧力が上昇最初 (< 10-10 Torr) 数時間後。</li>
	<li>続行する前に室温に冷却するサンプルを許可します。</li>
	<li>抵抗 1800 ° C にフィラメントを加熱し基本圧力を回復するシステムを待っているサンプルと同じチャンバーにタングステン フィラメントをドガします。続行する前に、フィラメント電源を切ります。 注: サンプルすることができるために残る商工会議所このステップの間にそれがパッシベーションされるとその表面の自然酸化膜層によって、この手順から生じるサンプル表面の汚染はその後削除されます。フィラメントの温度は、特定の電流/電圧、温度計を使用してフィラメントに適用する校正する必要があります。</li>
	<li>900 ° C にサンプルを点滅し、10 の温度で保持してサンプル表面から酸化物を削除室温に冷却する前に s。圧力は、点滅する手順中に基本圧力からの大きさのいくつかの注文を増加します。このプロシージャ全体が点滅の後、部屋の温度、続行する前に基本の圧力に復旧するシステムを冷却するためのサンプルを待ちます。 注: 点滅は加熱と冷却と高いランプ速度を 100 サンプルとしてこのレポート内で定義された ° C/s。</li>
	<li>徐々 に 1250 ° c. の最後のフラッシュを達成するため高温にサンプルをフラッシュします。どこの圧力を超える 9 x 10-10 Torr サンプル表面の汚染を得ることを防ぐために任意のフラッシュを中止します。1250 ° C (2.6 の手順で加熱したフィラメントによって放たれる光は試料の温度の正確な読書を与えることから、温度計を防ぐため、この setpoint があるため) フラッシュを達成するために使用される電圧・電流を記録します。最後のフラッシュに 330 ° C にサンプルを冷却すると結晶として熱に必要な電圧・電流を確認した後、室温に冷却し、続行する前に基本圧力回復システムのサンプルを聞かせてください。</li>
	<li>1 x 10-6 Torr の圧力で商工会議所に H2ガスをリークし、1800 ° C にタングステン フィラメントを加熱 注: これは atmoic 水素32H2を割れの効果があります。</li>
	<li>1250 ° c、 5 の温度で保持してサンプルをフラッシュする前にこれらの条件を 2 分間でサンプルを保持する s、および 330 ° C に冷却</li>
	<li>330 ° c の露出の 1 分後に、同時に H2リーク バルブを閉め、タングステン フィラメントをオフに、部屋の温度にサンプルを冷ます。 注: これらの高いフラッシュ温度サンプル中のドーパント分布に影響を与えます。1250 ° C に加熱はサンプル表面30近く 〜 60 nm ドーパント空乏領域を誘導するために発見されています。</li>
	<li>サンプルの品質を確認するには、表面の STM 像を撮影します。 注意: 良いサンプルは大きい、(> 30 nm x 30 nm) の不良率とテラス < 1% (債券、吸着、吸着等をブラブラ) デモンストレーションを古典的な Si(100)-(2x1) 復興32, ダイマー列があると互いにステップ エッジ (図 3 b) の間で平行を実行します。</li>
</ol>3. トンネル接合のポンプ ・ プローブ パルスの品質を評価します。
<ol><li>50 pA の現在 setpoint と-1.8 V のサンプル バイアス電流フィードバック コント ローラーを魅力的な STM 探針を試料表面に近づきます。 注: これらの条件の下で先端と推定される < 1 試料表面から nm。STM 探針を使った作品は、多結晶タングステンを化学的にエッチングによって製作されました。それは Rezeqらによく記載されているプロシージャをエッチング窒素を使用してさらに研ぎ澄まされました。33。</li>
	<li>広域スキャン (例えば、 50 nm x 50 nm) で大規模な表面欠陥から無料サンプル表面の領域を探します。</li>
	<li>STM の位置は転倒 H-Si 表面上における STM 像 (図 3 b) ダイマー列として表示されます。</li>
	<li>現在のフィードバック コント ローラーをオフにします。</li>
	<li>-1.0 V VDC 、-0.5 V Vポンプ、-0.5 V Vプローブ200 にポンプ ・ プローブのパルスの幅を設定、ns と 2.5 にパルスの立上り/立下り時間 ns (図 4 a)。</li>
	<li>ポンプ ・ プローブの相対遅延は-900 から掃引、ポンプ ・ プローブのパルスの列車のシリーズを送信 900 に ns ns。</li>
	<li>トンネル電流ポンプ プローブまでの時間の関数としてプロットします。それは可能性が高い強いリンギング (ポンプ ・ プローブのパルスは、図 4 b間の相対遅延の関数として現在のトンネルの振動) を示します。 注意: Python と起源のソフトウェアは、プロット、分析、およびこの原稿の収集したデータを評価する使用されました。</li>
	<li>3.1-3.5 の手順を繰り返しますが、パルスの立上り/立下り時間を増加します。立上り/立下り時間が増加しており、減少リンギングします。 注: 最も正確な分光学的結果を提供するリンギングを排除するほうが望ましいが、これらの技術の時間分解能は、使用するパルスの幅に制限。25 ns の立上り時間は、この作品に使用されました。</li>
</ol>4 時間分解走査トンネル分光法 (STS-TR)
<ol><li>STM の位置先端シリコン DB、負のチップ-試料バイアス (図 3 b) で明るい突起として表示されます。</li>
	<li>STM 電流フィードバック コント ローラーの電源を切ります。</li>
	<li>
25 kHz の繰り返し率プローブ パルスのみで構成される列車を送信します。パルス列のシリーズ、以上 500 の範囲でプローブのパルスのバイアスを掃引-1.8 V の DC バイアスから mV。 注: この簡単な実験は、従来の STS バイアスの範囲にわたってコンダクタンスをサンプリングする場所に似ています。<ol>
<li>なること、結果のスペクトルの信号対雑音比 (それぞれ異なるバイアス) パルス列の時間を構成する > 10。</li>
	</ol>
</li>
	<li>電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのVDC + Vポンプ> V木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験に-1.8 V、500 VDC、 Vのポンプ、およびVthrを設定 mV と-2.0 V、それぞれ。 注: ポンプ ・ パルス (1 μ s は通常十分な) 任意の長さの期間を持つことができます。</li>
	<li>
電車から成る 10 の遅延が続いてプローブ パルス ポンプ ・ パルスを送信 ns。これらの実験で 500 ポンプ パルスの振幅を設定 mV とプローブ パルスのスイープを 50 から 500 の mV。 注: この実験では、プローブのパルス、サンプリング従来 STS にサンプリングする平衡状態よりもむしろポンプ パルスにより作製した状態です。<ol>
<li>このステップから収集された信号を表示する/評価するときポンプ パルスのみが適用されたときに得られた信号を減算します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>プローブのみを比較し、同じグラフでそれらをプロットすることによってポンプ + プローブ信号します。2 つの信号の任意の履歴は、ダイナミクスを時間分解 STM 技術で検出できるの示します。 注: 固定プローブのパルスの範囲を維持し、粗く DC をスキャンによって、(0.25 V ステップで、たとえば)、オフセット 1 はこのダイナミクス技術にアクセスできるを識別するサンプルの全体のエネルギー範囲にマップ効率的にできます。実験によってパルス持続時間を変更できます。ポンプ光パルスの幅は、それは一貫して、不純物をイオン化されるようにドーパントがイオン化され、速度を超える必要があります。一般に、プローブの期間必要があります研究、動的なプロセスと同じ順序のなど 2 コンダクタンス状態の平均値をサンプリングなし最大信号で測定することができます。ダイナミクスでエネルギーを探して存在する場合は、そのヒステリシスを強化するシステムの 1 つだけの状態を測定プローブの期間を最小化をお勧めします。緩和時間の定数が見つかったら、信号対雑音比を改善するために、プローブのパルスの持続時間が増やせます。</li>
</ol>5. 時間分解 STM 緩和ダイナミクスの測定
<ol><li>シリコン DB 上 STM 探針を置き、STM 電流フィードバック コント ローラーをオフにします。</li>
	<li>電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのVDC + Vポンプ> V木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験に-1.8 V、400 VDC、 Vのポンプ、およびVthrを設定 mV と-2.0 V、それぞれ。 注: ポンプ ・ パルス (1 μ s は通常十分な) 任意の長さの期間を持つことができます。</li>
	<li>ポンプ ・ プローブのパルス列を送信します。プローブ パルス振幅、ポンプよりも小さく、ヒステリシスで範囲に匹敵するが発生することを確認 (Vプローブ< Vポンプ、 Vプローブ+ VDC≈V復元力)。</li>
	<li>数十 μ s までポンプ ・ プローブのパルス間の遅延時間を掃引します。</li>
	<li>ポンプ光パルスのみを適用した場合に得られる信号を減算します。これらの実験に-1.8 V、400 VDC、 Vのポンプ、および V のプローブを設定 mV と 210 mV、それぞれ。相対遅延掃引を-5 μ s から 35 μ s に設定します。 注: から得られる信号前のステップがよく合う (R2 > 0.80) 単一の指数関数的減衰関数によって、ポンプ光パルスによる非定常状態の寿命から抽出できますフィット。</li>
</ol>6. 時間分解 STM 励起ダイナミクスの測定
<ol><li>電車から成る固定バイアスに設定ポンプ ・ パルスを送る (そのVDC + Vポンプより大きい > V木) 25 kHz の繰り返しで。これらの実験でVDCとVthr -1.8 V、-2.0 V、それぞれ設定します。Vポンプ220 ~ 450 mV の間を設定します。</li>
	<li>数ナノ秒から数百ナノ秒にポンプ パルスの時間を掃引します。</li>
	<li>ポンプ ・ プローブのパルス列を送信します。プローブ パルス振幅、ポンプよりも小さくしてくださいヒステリシスで範囲に匹敵するに発生します (Vプローブ< Vポンプ、 Vプローブ+ VDC≈V復元力)。これらの実験で 210 Vのプローブを設定 mV。</li>
	<li>プローブ パルスのみを適用した場合に得られる信号を減算します。 メモ: 得られた信号が指数関数の場合それをポンプ光パルスが、フィットから抽出することができますレートで過渡状態 (ドーパント) を準備している (R2> 0.80)。上記で説明したプロトコルは実験とその装置の記載に固有です。他のシステムの研究、独自の実験のセットアップをカスタマイズする読者のための多くの潜在的な道があります。一般的な手法は低温冷却 STMs; に限定されないなど、先端素材を使用ことができますと窒素エッチングは必要ありません。さらに、適切にプログラムされた任意関数発生器は、2 つの独立したチャネルを合計する必要性を否定するでしょう、二重パルス波形を生成する使用できます。最後に、帯域幅の低いケーブル使用31可能性があります。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Nunes, G., Freeman, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), 1029-1032 (1993).</li><li>Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+scanning+tunneling+microscopy+with+1+nm+resolution.">Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution.</a> Appl. Phys. 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Photon. 10 (12), 762-765 (2016).</li><li>Jelic, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+terahertz+control+of+extreme+tunnel+currents+through+single+atoms+on+a+silicon+surface.">Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface.</a> Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).</li><li>Cocker, T. L., Peller, D., Yu, P., Repp, J., Huber, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tracking+the+ultrafast+motion+of+a+single+molecule+by+femtosecond+orbital+imaging.">Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging.</a> Nature. 539 (7628), 263-267 (2016).</li><li>Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+Fast+Electron+Spin+Relaxation+Times+with+Atomic+Resolution.">Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution.</a> Science. 329 (5999), 1628-1630 (2010).</li><li>Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bistability+in+Atomic-Scale+Antiferromagnets.">Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets.</a> Science. 335 (6065), (2012).</li><li>Baumann, S., Paul, W., Choi, T., Lutz, C. P., Ardavan, A., Heinrich, A. 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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>

著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。

TR STS ポンプ パルスは適用されませんのバリアントは、継続的ではなく高周波でサンプリングされているシステムが従来の STS に匹敵します。プローブ パルスの期間が適切な場合 (>ΓLH)、TR STS 信号なしで従来の STS と正確に一致する実験のデューティ サイクルに比例定数をポンプ光パルスを乗算できますを取得測定。測定は、ロックイン アンプ、低域通過フィルターの使用に?...

走査型トンネル顕微鏡 (STM) 原子スケール地形と電子構造を解決する能力のためのナノサイエンスのプレミア ツールとなっています。従来 STM の制限の 1 つは、ただし、現在プリアンプ1の限られた帯域幅のための時空間解像度をミリ秒タイム スケールに限定されることです。それは長い原子過程がよく発生するスケールを STM の時間分解能を拡張するための目標をされています。時間分解走査トンネル顕微鏡 (STM-TR) フリーマンらによって先駆的な作業します。1は、光導電スイッチとマイクロ ストリップ線路のトンネル接合するピコ秒電圧パルスを送信するサンプルのパターンを活用しました。このジャンクション混合技法は、1 nm と 20 ps2の同時解像度を達成するために使用されていますが、それは広く採用されている特殊なサンプルの構造を使用しての要件のため。幸いにも、これらの作品から得た基本的な洞察力は多く時間分解テクニックに一般化できます。STM の回路の帯域幅が複数のキロヘルツに限られているにもかかわらず、STM における非線型 I(V) 応答は多くのポンプ ・ プローブ サイクルで得られた平均トンネル電流を測定することによりプローブの高速ダイナミクスをできます。その間、多くのアプローチが検討されている、最も人気のある、以下の見直しについて簡単にします。
動揺パルス ペア-励起 (時間) STM は、トンネル接合を直接照明とエキサイティングなキャリア サンプル3のサブピコ秒の分解能を達成するために超高速パルスレーザ技術の進歩の活用します。入射レーザー光が一過性伝導を高める無料のキャリアを作成し、ポンプ ・ プローブ (td) 間の遅延の変調により d の私/dtdロックイン アンプで測定します。ポンプとプローブの間の遅延は、他の多くの光学的アプローチのように、レーザーの強度ではなく変調ので時間 STM は、ヒント3の写真照明による熱膨張を回避できます。このアプローチの最近の拡張は、ポンプ-プローブ遅延時間4の範囲を拡大するパルス ピッキングのテクニックを用いたダイナミクスを調べるに使用できます時間 STM をタイム スケールを拡張しています。重要なは、この最近の開発には、数値積分ではなく直接私(td) 曲線を測定する機能も提供します。時間 STM の最近のアプリケーションにシングル キャリア再結合の研究が含まれている (Mn, Fe)/GaAs(110) 構造 GaAs65とドナーのダイナ ミックス。時間 STM のアプリケーションいくつかの制限に直面します。時間 STM 測定信号光パルス励起自由キャリアによって異なります、半導体に最適です。さらに、トンネル電流が、先端に局地的大面積の光パルスによって興奮しているので、信号はローカル プロパティと物質輸送の畳み込み。最後に、接合部のバイアスは、研究挙動に光誘起測定タイム スケールで固定されます。
最近の光学技術、テラヘルツ STM (THz STM)、STM 探針の接合部に焦点を当てたフリー スペース THz パルスをカップルします。異なり、時間 STM で結合パルスのサブピコ秒解像度7と電子的に駆動の励起の調査を可能にする高速な電圧パルスとして動作します。興味深いことに、整流電流による thz 電磁波のパルスから結果アクセスできない極端なピーク電流密度で従来 STM8,9。最近では Si(111)-(7x7)9におけるホット エレクトロンを勉強し、イメージの10単一のペンタセン分子の振動技術が使用されました。THz パルスは、当然のことながら先端にカップル、しかし、STM 実験 THz 光源を統合する必要性が多くの実験者に挑戦する可能性があります。これは、他の広く適用可能で、容易に実装可能な技術の開発を動機します。
2010 年、メノイティウスら11は、ナノ秒電圧パルス DC オフセットの上に電子的に適用がポンプし、プローブ システム11のすべての電子技術を開発しました。この技術の導入は、以前無視された物理学を測定する時間分解 STM の明確かつ実用的なアプリケーションの重要なデモを提供しています。それを先立つ STM を混合接合として早くは無いは STM 探針にマイクロ波パルスを適用することを検討する任意のサンプルを許可します。この手法では、複雑な光学的方法または STM 接合部に光アクセスを必要はありません。低温 STMs に適応する最も簡単な方法になります。これらの技術の最初のデモは、ポンプ パルス11によって励起されたスピン状態の緩和ダイナミクスを測定するスピン偏極 STM を用いてスピンダイナミクスの研究に適用しました。15の状態し、電荷ダイナミクスの離散ミッド ギャップからキャリア捕捉率の調査に拡張されて以来最近まで、応用磁気吸着システム12,13,14に残った限定ですが、シリコン15,16の単一ヒ素ドーパント。後者の研究は、この作品の焦点です。
半導体における単一ドーパントの性質に関する研究最近注目されている重要な相補的金属酸化物半導体 (CMOS) が政権に入る今単一ドーパントがデバイスのプロパティ17 に影響を与えることができるので.さらに、いくつかの研究は、単一ドーパントが将来のデバイスの基本的なコンポーネントとして、たとえば18量子計算と量子メモリ19、量子ビットとして、単一原子トランジスタ20として役立つことができることを実証しています。,15. 将来のデバイスも STM リソグラフィ21原子精度でパターン化することができます債券 (DB) をぶら下がっているシリコンなどの他の原子欠陥を組み込む可能性があります。このために、DBs は電荷量子ビット22, 量子ドット量子セルオート マトンのアーキテクチャ23,24、および原子ワイヤー25,26として提案されているし、を作成するパターン化されています。量子ハミルトニアン ロジック ゲート27と人工分子28,29。今後は、デバイスは、単一ドーパントと DBs の両方を組み込むことができます。DBs は表面欠陥の簡単に STM を用いた特徴し、単一ドーパント デバイスを特徴付けるためにハンドルとして使用することができますので、これは魅力的な戦略です。この戦略の例として DBs は、地表付近のドーパントの充電のダイナミクスを推論する、充電センサーとしてこの作品で使用されます。これらのダイナ ミックスが TR STM は避けてらが開発した技術から適応する方法がすべて電子の使用が記録されます。11
測定は、水素終端処理した Si(100)-(2x1) 表面上の Db を選択で実行されます。約 60 の拡張ドーパント空乏領域30結晶の熱処理によって作成される水面下 nm DB と一括バンドからいくつかの残り表面近くのドーパントを分離します。DBs の STM 観察のコンダクタンスはドーパントの温度・濃度などのグローバル サンプルのパラメーターに依存しているが、個々 の DBs もローカル環境16によって強い変化を表示を発見しました。単一 DB 上 STM 測定、時に電流の流れは DB (Γバルク) に一括と先端 (Γ先端) に DB からの電子でトンネルできます率によって支配される (図 1)。ただし、DB の伝導がローカル環境に敏感であるので近くドーパントの荷電状態の影響Γバルク(図 1 b) を DB のコンダクタンスを監視することによって推定することができます。その結果、DB のコンダクタンス近くドーパントの電荷状態を感知するためとドーパントが、料金一括 (ΓLH) からの電子を供給する使用ことができ、STM 探針、彼らを失う (ΓHL </c13 >)。これらのダイナ ミックスを解決するには、周りで先端は表面近傍の不純物のイオン化を誘発するしきい値電圧 (V木) TR STS が実行されます。ポンプ ・ プローブのパルスの役割は、ここで紹介 3 時間分解実験的手法で同じです。ポンプ一過性上をもたらしますバイアス レベル下からVthr、ドーパント イオン化を誘導します。これは次のより低いバイアスにプローブのパルスによってサンプリングされた DB のコンダクタンスを増加します。
このペーパーで説明したテクニックで STM を用いたナノ秒タイム スケールにミリ秒単位で発生するダイナミクスを特徴付けるしたい方お越しください。これらの技術は、電荷ダイナミクスを勉強に限定されない、STM (すなわち合衆国の上または表面近く) によって検出できる状態のコンダクタンスの非定常変化を介してダイナミクスが現れていることが重要です。プローブ パルスのデューティ サイクルはシステム ノイズ ・ フロアよりも小さい (通常一時的な状態のコンダクタンスがないと著しく異なる場合平衡状態から過渡平衡電流の違いを掛けたように1 pA)、信号がノイズで失われる、この手法では検出されません。本稿で説明した手法を実行するために必要な市販の STM システムの実験的変更は控えめなので、これらの技術は広くコミュニティにアクセス可能になりますが予想されます。

<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

ドーパントの小さな数字がデバイスのプロパティを制御することができますスケールに半導体デバイスの微細化には、そのダイナミクスを特徴付けることができる新たな技術の開発が必要です。単一ドーパントの調査と、走査トンネル顕微鏡 (STM) の使用に動機を与えるサブナノ空間分解能が必要です。ただし、従来 STM は、ミリ秒時間分解能に限定されます。いくつか方法は、ナノ秒単位の精度を持つシリコンのドーパントのダイナミクスを調べる本研究で使用されているすべての電子の時間分解 STM を含む、この欠点を克服するために開発されています。ここで示される方法は広くアクセス可能なさまざまなダイナ ミックスを原子スケールでのローカル測定を可能にします。小説時間分解走査トンネル分光法を提示、ダイナミクスを効率的に検索するために使用します。

テキストのこのセクションに示された結果は、以前に発行された15,16をされています。選択例の動作を図 3に示します従来 STM を用いた DB。Vthrで DB のコンダクタンスの急激な変化を明確に示しています従来 I(V) 測定 (図 3 a)-2.0 V を =。DB がそれぞれに明るい突起、点...

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

走査型トンネル顕微鏡を用いたシリコン中のドーパント原子のナノ秒分解電荷ダイナミクスを観察するすべての電子方法を示す.

すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

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 ビュー.  University of Alberta. 走査型トンネル顕微鏡を用いたシリコン中のドーパント原子のナノ秒分解電荷ダイナミクスを観察するすべての電子方法を示す.

ビデオ: 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.

電荷分離ナノ結晶とその固体の手段によって太陽エネルギーを収穫

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

工学

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.

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 ...

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.

非ニュートン流体の落下衝撃ダイナミクスを研究するための高速撮像法

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.

ポーラー液体誘電体から電気流体橋の調製

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.

クーロン不純物を走査トンネル顕微鏡研究のためのゲート - 調整可能なグラフェンデバイスの作製

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.

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

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.

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 ...

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.

走査型透過電子顕微鏡を用いて、液体中にナノサイズのオブジェクトの動的プロセスを学びます

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.

低圧走査型電子顕微鏡を用いたカーボンナノチューブの森の精密フライス

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.

静的スキャン モードで中性子ガンマ解析による土壌炭素の測定

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

すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

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