여기서 설명하는 연구는 양자 과학 미시간 주 대학 연​​구소와 국립 과학 재단 (National Science Foundation) DMR-0305461, DMR-0906939 및 DMR-0605801에 의해 지원되었다. KW 교육 GAANN 학제 간 생체 교육 프로그램 친교의 미국학과의 지원을 인정합니다.

1. PROTOCOL <ol><li> 현미경과 전자 제품의 초기 설치 <ol><li> 관련 제어 전자 장치와 극저온 가능 스캐닝 프로브 현미경으로 시작합니다. 연구에 사용 된 현미경은 여기에서 멀리 램프 13 (그들에 바이어스 전압을 전송 할 수 있도록 같은 구리, 황동 또는 스테인리스 스틸로 전도 물질로 따라 끝에서 방향 견본 &quot;걷기&quot;로 관성 번역을 사용하여 설명 개략적으로 그림 2와 같이 Besocke 디자인 STM 14의 일환으로 샘플). </li><li> 바이어스 전압 및 터널링 전류 동축 전선뿐만 아니라, 민감한 충전 감지 극저온 앰프 회로를 동작하기 위해 현미경의 팁 근처에 전자 랙에서 확장 적어도 다른 두 개의 동축 전선 및 접지선을 제공합니다. 참고 5, 12, 15에서 자세히 설명 증폭기 회로의 요소를 조립하는이 전자에 보관되어 있습니다lectronics 랙, 이것은 그림 2의 음영 처리 된 상자 외부 회로의 부분입니다. 회로의이 부분은 실험을하는 동안 실온에서 유지됩니다. </li></ol></li><li> 팁과 HEMT 회로 (그림 2의 음영 박스)의 장착 칩을 조립, HEMT 회로는 최적의 에너지 분해능을 얻기 위해 극저온 온도로 낮아집니다. <ol><li> 다니엘은 사각형 칩은 약 1cm에게 스크라이브를 사용하여 갈륨 비소 웨이퍼에서 x 1 cm의 치수를 쟀다, 센서 회로 끝이 칩에 장착됩니다. 입금 갈륨 비소 칩에 shadowmask을 통해 티타늄 고집 층 꼭대기에 금 약 100 nm의 여러 금 패드, 각, X 1mm 약 1mm 크기의 HEMT 및 바이어스 저항의 전선이 결합 될로 형성한다. 패드의 크기는 중요하지 않습니다. </li><li> 대각선 절단기를 사용하여 IR 철사 : 기계적 80:20 백금을 절단하여 날카로운 STM 팁을 준비합니다. 팁은 화학적 에칭 O에 의해 제조 될 수있다R 다른 방법 또는 상업적으로 구입하실 수 있습니다. 주사 전자 현미경을 통해 끝의 곡률 반경을 결정, 곡률 반경은 실험에 필요한 공간 해상도의 순서에 있어야합니다. </li><li> 극저온의 온도를 견딜 수있는 전도성 에폭시를 사용하여 금 각 패드 위에 에폭시 골드 와이어, 이들 와이어는 현미경 동축 선에 장착 칩에 회로의 요소를 연결합니다. 골드 와이어는 쉽게 패드 위에 그들이 필요하지 않은 경우 다음 단계 에폭시 몇 가지 여분의 골드 와이어 후 제거 할 수 있기 때문에. 에폭시 HEMT, 바이어스 저항 및 칩을 장착 갈륨 비소 위에 STM 팁. 자사의 제품 정보 시트에 표시된대로 에폭시 경화. (자세한 내용은 아래의 자료 표를 참조하십시오.) </li><li> 골드 와이어 본드와 함께로드 와이어 본더를 사용하여 소스, 드레인 및 갈륨 비소 칩에서 골드 패드를 분리하는 HEMT의 게이트 요소입니다. 게이트와 소스 (을)를 연결하는 채권 임시 전선문을 보장하기 위해 R 드레인 패드는 소스 - 드레인 채널에 대해 청구가되지 않습니다. HEMT를 조작하면서 추가 안전을 위해 접지 스트랩을 사용, 그것은 HEMT를 파괴 할 수 길잃은 정전기를 도입하지 않도록 예방 조치를하는 것이 중요합니다. </li><li> 게이트 및 전기 HEMT 단락 방지하기 위해 서로 연결 HEMT의 소스 - 드레인 채널에 연결된 전선 준비된 장착 칩을 저장합니다. 이전 단계에서 언급 한 임시 전선이 제거 된 경우, 모두 살짝 전선을 꼬아. 그것은 다른 모든 전선을 연결하는 간단합니다. </li></ol></li><li> 현미경에 장착 칩을 연결합니다. <ol><li> 이 HEMT의 게이트와 소스 - 드레인 채널 간의 파괴적인 단락을 방지하는 것입니다, 게이트와 소스 - 드레인 채널 부동 결코 있는지 확인합니다. 칩에서 전선을 납땜 할 수있는 현미경 동축 전선을 접지하십시오. </li><li> 부착 t 꼭대기에 장착 칩그림 2와 같이 그는 piezotube 스캔. </li><li> 솔더 실장 칩에서 인듐 솔더를 사용하여 관련 동축 전선 연장 골드 와이어. </li></ol></li><li> 전자 랙에서 동축 선에 연결된 곡선 추적기를 사용하여 HEMT의 무결성을 확인합니다. 기본적으로, 곡선 추적기 소스 - 드레인 전류 - 전압 특성을 보여줍니다. 가장 일반적인 고장 모드는 HEMT 게이트와 게이트 전압에 민감하다 소스 - 드레인 특성에서 결과의 소스 - 드레인 채널 사이 짧습니다. </li><li> 샘플을 설치합니다. 샘플을 성공적으로 끝을 접근 할 수 있도록 STM 모드로 구성된 현미경 범위로 걸어보세요. <ol><li> 전류 측정을 터널링 STM에 사용되는 프리 앰프에 와이어 T를 연결하고 (모든 연결이 전자 랙에서 만들어집니다.) 와이어 B.에 DC 바이어스 전압 V DC를 연결 </li><li> 샘플 및 팁 터널링 범위에있는 때까지 걷는다. 때 Ra의NGE, 스캔 piezotube는 스캔 piezotube을 접지하면 끝이 그것의 범위 확장에서 수축하게됩니다, 즉, 평형 위치에서 약간 확장 유지해야한다. 이 예제를 성공적으로 끝을 접근 할 수 있는지 확인합니다. 다음 작업 중 끝을 보호하기 위해이 작업을 수행 한 후 범위 밖으로 걸어. </li><li> 결국 저온 작동 실험실 벤치 탑에서 듀어에 현미경을 전송합니다. 이 시점에서, 테스트 단계가 완료되고 실험 단계를 시작할 수 있습니다. </li></ol></li><li> 몇 microtorr의 진공 현미경을 펌프. 그라 이오 스탯의 사용 설명서에 설명 된 절차에 따라, 최적의 에너지 분해능은 아래 4.2 K 이상으로 현미경을 냉각. <ol><li> 해당 기본 온도 현미경을 식힌 후, 현미경 충분한 시간이 열 평형에 도달 할 수 있도록, 같은 지역의 반복, 긴 스캔이 수행됩니다 때문에, 열 드리프트를 최소화하는 것이 중요합니다. (드리프트는샘플 관련하여 팁의 평형 위치의 변화). </li><li> 최대한 건물 기계적 커플 링 진공 펌프 및 현미경 듀어에 연결된 다른 장치에 의한 진동에서 현미경을 분리 듀어를 일시 중단합니다. 이 참조 15에서와 같이, 또는 공기 스프링 또는 유사한 방법을 사용하여, 번지 서스펜션 시스템을 사용하여 수행 할 수 있습니다. </li></ol></li><li> 현미경을 냉각 후 데이터 수집을 시도하기 전에, 다시 곡선 추적기를 사용하여 HEMT의 무결성을 확인합니다. </li><li> 터널링 (STM) 모드에서 샘플을 검사합니다. <ol><li> 범위로 걷는다. 파편과 상당한 높이 또는 전도도의 변화에​​서 무료 샘플 표면의 영역을 찾아 끝이 안정되어 있는지 확인합니다. </li><li> 샘플의 기울기를 보정, 커패시턴스 스캔이 피드백 루프가 비활성화로 수행되기 때문에 특히 중요하다, 따라서 끝이 표면에 충돌 할 수 있다면 scannING 평면은 시료의 표면에 평행하지 않습니다. 원칙적으로, 하나의 팁을 스캔하는 동안 일정한 용량을 유지하기 위해 피드백 용량 신호를 사용할 수 있지만, 실제로는, 신호는 피드백이 사용되는 경우 충돌을 방지하기 위해 충분히 강력하지 않습니다. </li><li> 그것이 끝이 오프셋 바꾸 보상 할 수 있도록 모든 온도 드리프트를 관찰합니다. 터널링 모드 범위에서 터치 지점으로이 프로토콜에 언급하면​​서 끝 연장의 양을 확인합니다. </li></ol></li><li> 시료의 교란 영역, STM 모드에서 스캔되지 않은 하나를 이동합니다. <ol><li> STM 컨트롤러에 피드백 루프를 사용하지 않도록 설정합니다. 피드백 루프가 비활성화 된 경우, 팁의 수동 동작이 실수로 충돌이 발생할 수있는 기억합니다. 끝을 이동하면서 신중 따라서주의해야한다. </li><li> 팁에게 터치 점에서 나노 미터의 몇 수만을 철회. </li><li> 샘플 WHI의 가까운 영역에 팁의 측면 위치 오프셋채널은 최근 섭동 (예 : 반도체 불순물 사이트의 위탁 등) STM 스캐닝을위한 반도체 샘플을 통해 터널링을 사용하는 데 필요한 바이어스 전압이 유도 한 수를 피하기 위해, 검색되지 않았습니다. </li><li> 평형 확장의 팁 변위 터치 점 크기에 가까운 때까지 조심스럽게 표면을 향해 팁을 확장합니다. </li></ol></li><li> 용량 모드로 배선 구성을 전환합니다. <ol><li> HEMT를 보호하기 위해 모든 동축 선을 접지하십시오. </li><li> 관련 전압 소스와 저항과의 동축 선을 연결하는 잠금 앰프와 함수 발생기, 그림 2에서와 같이. </li><li> 모든 전압 소스를 켭니다. HEMT 충격을 방지하려면, 0에서 전압 소스 출력을 시작 V. </li><li> 분쇄하지 동축 전선, 게이트 및 HEMT를 보호하기 위해 가능한 한 오랫동안 서로 연결 HEMT의 소스 - 드레인 채널을 유지하기 위해 기억. </li><li> V를 설정전압 분배기 저항에 전 압 소스 (선 D). </li><li> V 곡을 조정하는 동안 멀티 미터 와이어 L의 전압을 모니터링하여 가장 민감한 영역에 HEMT를 조정할 수 있습니다. 그 후 잠금 앰프에 와이어 L을 다시 연결합니다. </li><li> 에서의 위상 신호까지 V 곡을 증가 잠금 앰프 증가하고 고원에 시작, 팁에 적용되는 전압 V 곡의 기록이 값. 이 와이어 L. 통해 누출 대신 HEMT에 가서 측정에서 모든 책임을 수 </li><li> 내부의 위상을 최적화 잠금에서의 autophase 능력과 기록 위상 값을 사용하여 앰프. </li><li> 유의 한 열 효과 (이 자주 최대 두 시간 소요)가 없는지 확인하기 위해 안정 HEMT 기다립니다. </li></ol></li><li> 단지 관심의 신호가 잠금 앰프로 이동하도록 표준 커패시터에 신호를 조정하여 HEMT의 균형을. 에 신호 조정표준 커패시터는 하나 V 균형의 진폭 또는 V 균형과 V 여기의 상대적인 위상 수행 할 수 있습니다. HEMT는 균형을 고려하는 경우에 위상 (in-phase) 신호 잠금 앰프 절차의이 단계에서 최소화됩니다. </li><li> 스캔 전하 축적 이미징을 수행합니다. <ol><li> 샘플에 DC 바이어스 전압 V DC를 설정합니다. </li><li> 참고로 터치 포인트를 사용하여 표면의 1 나노 미터 내에서 팁을 확장합니다. </li><li> 의 출력을 기록 잠금의 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 앰프, 이것은 관심의 신호입니다. </li><li> 샘플을 검사합니다. 좋은 해상도를 얻으려면 스캔은 각 픽셀에 대한 충분한 신호 평균화를 허용하고 이미지의 인접 픽셀로 신호의 번짐을 방지하기 위해 스캔 당 몇 시간의 비율로 취득해야 할 수 있습니다. 여러 같은 지역에 스캔, 평균이이 신호 대 잡음 비율을 개선하기 위해 함께 스캔을 수행합니다. </li></OL&gt; </li><li> 이전 단계에서 얻은 전하 축적 이미지에 대한 관심이 지하 기능 위에 고정 팁 캐패시턴스 (CV) 분광법을 수행합니다. <ol><li> 램프 V DC는과 출력을 기록 잠금의 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 앰프. </li><li> 신호 대 잡음 비율을 개선하기 위해 같은 위치에 여러 용량 대 전압 (CV) 곡선과 함께 평균이 곡선을보십시오. 일반적으로, 몇 가지 곡선을 함께 평균입니다. 평균 곡선 때문에 스캔하는 동안 표류의 가능성의 신호 대 잡음비를 개선하면서, 연속 스캔 한 줌을 함께 평균되어야한다. </li></ol></li><li> 터널링 (STM) 모드로 돌아갑니다. <ol><li> 평형 확장 및 재구성 STM의 전자에 대한 팁을 철회. 피드백 루프를 다시 활성화하고 팁의 확장 (터​​치 점) 범위의 현재를 기록한다. </li><li> 상단에 기능을 찾기 위해 터널링 모드에서 영역을 스캔용량 이미징 및 용량 분광법에 아티팩트를 생성 한 수 ography. </li></ol></li><li> 참조 9 참조 1의 지원 정보에 따라 데이터를 분석하고 해석한다. </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>

저자는 그들이 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.

이 실험 방법에 대한 이론적 근거에 대한 자세한 설명은 참고 문헌 8, 9에 주어진 및 참조 2 지하 도펀트의 시나리오에 대해 설명합니다, 여기에 제시된 개요 그러므로 간단하고 개념이 될 것입니다. 팁 하나 커패시터의 플레이트, 샘플은 다른 판을 포함하는 기본 실시 레이어로 처리됩니다. DC 전압이 적용되는 경우 등이 전자는 끝을 향해 행진하고 ​​추가 비용을 수용 할 수있는 기본 전도 층과 ...

지하 충전 축적 (SCA) 영상은 단 전자 충전 이벤트를 해결 할 수있는 저온 방법입니다. 반도체 도펀트 원자의 연구에 적용 할 때,이 메소드는이 분 시스템의 양자 구조의 특성을 허용, 기증자 또는 셉터 원자를 입력 개별 전자를 감지 할 수 있습니다. 그 중심에서 SCA 영상은 현지 캐패시턴스 측정 6 극저온 운전에 적합합니다. 용량은 전기 분야를 기반으로하기 때문에, 그것은 표면에게 6 단열 아래 충전 해결할 수있는 장거리 효과입니다. 저온 작업은 상온 1,2에서 해석 할 수없는 것입니다 단일 전자 모션 및 양자 레벨 간격의 조사를 허용합니다. 이 기술은 묻혀 인터페이스 7 2 차원 전자 시스템에서 충전 역학을 포함, 절연 표면 아래의 전자 움직임이 중요한 모든 시스템에 적용 할 수 있으며, 간결,<html> 여기에서 초점은 반도체 도핑 연구에있을 것입니다. 현실적인 분석 팁 8,9의 곡률 계정에 대한 자세한 설명을 필요로하지만 대부분의 개략적 인 수준에서,이 기술은 평행 판 콘덴서의 하나의 판으로 스캔 팁을 처리합니다. 그림 1과 같이이 모델의 다른 플레이트는 기본 실시 층의 나노 영역입니다. 충전주기 여기 전압에 대한 응답으로 도펀트를 입력 본질적으로, 그것은 끝이 가까워지고,이 운동은 센서 회로 5를 검출 팁에 대한 자세한 이미지 충전을 유도합니다. 마찬가지로, 충전 종료 불순물을 같이 첨단의 이미지 요금이 감소합니다. 따라서 여기 전압 님의 질문에 답변 정기 충전 신호가 감지 된 신호이다 - 기본적으로는 커패시턴스, 따라서이 측정은 종종 시스템의 CV 특성을 결정이라고합니다. 텐트 &quot;&gt; 캐패시턴스 측정 중, 유일한 그물 터널링은 기본 도전 층 및 도판 층 사이에 -.​​ 직접 팁 위에 충전 결코 터널 측정시 또는 끝에서 터널링 직접의 부족이 사이에 중요한 차이가 기술과 더 익숙한 스캐닝 터널링 현미경은, 비록 대부분이 시스템의 하드웨어는 주사 터널링 현미경의 그것과 본질적으로 동일하다. 그것은 SCA 영상은 정전기에 직접 문자를 구분하지 않습니다 점에 유의하는 것도 중요합니다. 정전기 수사 분포는 켈빈 프로브 현미경 또는 정전기력 현미경 스캐닝 적절도 좋은 전자 및 공간 해상도가 로컬 전자 행동이 존재 검사를위한 추가 극저온 방법;. 예를 들어, 단일 전자 트랜지스터 현미경 스캐닝 충전 분을 검출 할 수있는 또 다른 스캐닝 프로브 방법 SCA 영상은 원래 효과 4,10이었다.Tessmer, Glicofridis, Ashoori, 및 동료 7에 MIT에서 개발, 또, 여기에 설명 된 방법은 Ashoori 및 동료 (11)에 의해 개발 된 단일 전자 용량 분광학 방법의 스캐닝 프로브 버전으로 간주 할 수 있습니다. 측정의 핵심 요소는 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)를 사용하여 정교하게 민감한 충전 감지 회로 5,12이며 0.01 전자 / Hz에서의 낮은 노이즈 레벨을 달성 할 수있다 ½ 0.3 K에서 그라 이오 스탯의 기본 온도를 참고 5인치 이러한 높은 민감도는 지하 시스템에서 단일 전자 충전 관찰 할 수 있습니다. 이 방법은 평면 기하학의 10 15m -2의 순서에 대한 일반적인 불순물 면적 밀도, 반도체 도펀트의 개인 또는 소규모 그룹의 전자 또는 홀 역학의 연구에 적합합니다. 이런 유형의 실험에 대한 일반적인 샘플 구성의 예는 그림 1과 같다 </strong&gt;. 도핑 층은 일반적으로 표면 아래 나노 미터의 몇 수만 위치, 그것은 기본 실시 레이어와 도펀트 층 사이에 도펀트 층과 시료 표면 사이의 정확한 거리를 아는 것이 중요합니다. 터널링과는 대조적으로, 용량은 기하 급수적으로 떨어지지 않는다 대신 본질적으로 거리에 반비례하여 감소한다. 따라서, 도펀트 깊이 원칙적 팁 전기장 토지의 일부 합리적인 비율만큼 표면 아래 수십 나노 미터,보다 깊은 수 있습니다. 여기에 설명 된 기술을 포함한 전자 행동의 전술 극저온 지역의 모든 프로브를 들어, 공간 해상도는 팁의 기하학적 크기에 관심있는 지하 기능 및 스캐닝 프로브 팁 사이의 거리에 의해 제한됩니다.

<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

반도체의 개별 원자 도펀트를 포함하여 - 저온 스캐닝 프로브 기술과 단일 전자 용량 분광법의 통합은 소규모 시스템의 전자 양자 구조를 연구 할 수있는 강력한 도구를 나타냅니다. 여기에서 우리는 이미지 개별 원자 도핑에 충분한 공간 분해능을 달성하면서 단일 전자 충전을 해결 할 수 지하 충전 축적 (SCA) 이미지로 알려진 용량 기반의 방법을 제시한다. 정전 용량 기술의 사용은 반도체 재료 1,2,3의 표면 아래에 많은 나노 미터 묻혀 도펀트로 지하 기능을 관찰 할 수 있습니다. 원칙적으로,이 기술은 단열 표면 아래의 전자 움직임을 해결하기 위해 모든 시스템에 적용 할 수 있습니다. 다른 전기장에 민감한 스캔 프로브 기술 4에서와 같이, 측정의 측면 공간 해상도는 curvatur의 반경 부분에 따라 달라집니다프로브 팁의 전자. 곡률 반경이 작은과 팁을 사용하여 나노 미터의 수십의 공간 해상도를 설정할 수 있습니다. 이 좋은 공간 해상도는 지하 도펀트 1,2의 작은 숫자의 조사 (아래 하나) 할 수 있습니다. 충전 해상도는 충전 감지 회로의 감도에 따라 크게 차이, 극저온의 온도에서 같은 회로에서 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT)를 사용하여 약 0.01 전자 / Hz의 감도를 가능 ½ 0.3 K 5시.

성공적인 측정의 주요 지표는 매우 다른 스캐닝 프로브 방법에서와 같이, 재현성이다. 반복 측정이 이유를 위해 매우 중요합니다. 포인트 용량 분광법의 경우, 동일한 위치에서 연속적으로 여러 측정을 수행하면 신호 대 잡음 비율을 증가 스퓨리어스 신호를 식별하는 데 도움이됩니다. 그 기능이 전하 축적 이미지에서 발견되었습니다 및 용량 분광법이 수행되면, CV 데이터?...

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Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광 지역화 된 지하 지역에서 단일 전자 운동의 연구를 용이하게합니다. 민감한 충전 감지 회로는 반도체 시료의 표면 아래에 도펀트 원자의 작은 시스템을 조사하기 위해 극저온 스캐닝 프로브 현미경에 통합됩니다.

스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광학

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 조회수.  Michigan State University. 스캐닝 프로브 단일 전자 용량 분광 지역화 된 지하 지역에서 단일 전자 운동의 연구를 용이하게합니다. 민감한 충전 감지 회로는 반도체 시료의 표면 아래에 도펀트 원자의 작은 시스템을 조사하기 위해 극저온 스캐닝 프로브 현미경에 통합됩니다.

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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.

울트라 낮은 온도에서 각도 - 해결 Photoemission 분광법

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

연구

공학

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.

연속파 광 파라 메트릭 발진기와 빛의 양자 상태 공학

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.

원자 힘 분광학에 의해 단일 ​​분자 접착 조사

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.

표면 EBL 날조 된 나노 구조 기판을 사용하여 생체 분자의 라만 분광학 감지 강화

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.

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.

극단적 인 나노 와이어 및 기타 1D 시스템의 공명 라만 분광법

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.

높은 해상도 포논 도움을 준 공명 형광 분광학

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.

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.

자유 형식 등 엑츄에이터 - 현미경 규모의 제조 및 개폐 제어

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 프로빙<sub&gt; (84)</sub&gt;은 스캐닝 프로브 현미경 및 분자 역학을 사용하여 실리콘 기판을 - 임베디드

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.