Name: all-electronic nanosecond-resolved scanning tunneling microscopy: facilitating the investigation of single dopant charge dynamics
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 33 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics at JoVE.com

우리는 그들의 기술력에 대 한 마틴 Cloutier 마크 Salomons를 감사 하 고 싶습니다. 우리 또한 재정 지원을 위한 NRC, NSERC, 및 AITF을 감사합니다.

1. 현미경 및 실험 초기 설정
<ol><li>초고를 시작 수 있는 극저온 STM 진공 및 제어 소프트웨어 관련. 저온 온도에 STM을 냉각 한다. 참고:이 보고서 초고 진공을 의미를 달성 하는 시스템 < 10 x 10-10 Torr. 극저온 온도;에 STM은 냉각 한다 이것은 겸손 한 온도에서 활성화 열 dopants의 충전 역학 조사 때 특히 중요 하다입니다. 다른 실 실내 온도에 있을 수 있습니다.</li>
	<li>STM 팁은 높은-주파수 배선 (~ 500 MHz)를 갖추고 있는지 확인 합니다. 참고: 메서드를 형성 하는 펄스를 사용 하 여 표준 극저온 온도 동축 배선 (~ 20 MHz) STM의 시간 응답에서 큰 증가 보고 되었습니다 그 외 여러분 에 의해 31
</li>
	<li>펌프-프로브 실험에 사용 되는 전압 펄스 쌍의 사이클을 준비 하는 데 사용 됩니다 (그림 2), 끝에 두 개 이상 채널 임의 함수 발생기를 연결 합니다.</li>
	<li>펌프와 프로브 전압 펄스 독립적으로 생성 되 고 팁으로 공급 되 고 전에 표현 하는 임의 함수 발생기를 구성 합니다.</li>
	<li>이미징 및 기존의 분광학 샘플 (VDC)를 사용 하는 DC 바이어스 전압을 적용 합니다.</li>
	<li>임의 함수 발생기의 출력 채널에 두 개의 무선 주파수 스위치를 연결 합니다.</li>
	<li>팁 STM 이미지와 평범한 분광학, 동안 외출 것 이며 효과적인 바이어스 VDC + V팁 펌프-프로브 실험 (그림 4A) 동안 스위치를 구성 합니다.</li>
	<li>터널링 하는 샘플에 연결 된 프리 앰프를 통해 모든 측정 전류를 수집 합니다.</li>
</ol>2입니다. H-Si(100)-(2x1) 재건의 준비
<ol><li>실리콘 카바 이드 선 침으로는 웨이퍼의 뒷면을 긁 고 부드럽게 유리 현미경 슬라이드 웨이퍼에서 샘플을 스냅 하 여 3-4 ㏁ n 형 비소 실수로 Si(100) 웨이퍼에서 샘플을 쪼개 다.</li>
	<li>STM 샘플 홀더를 샘플을 부착 하 고 STM 챔버에 인접 한 초고 진공 챔버를 소개.</li>
	<li>Resistively (는 고온 계는 샘플의 온도 모니터링 하는 데 사용할 수 있습니다) 600 ° C에 난방 초고 진공에서 적어도 6 h에 대 한 해당 온도에서 누른 샘플을 드. 참고: 압력 것입니다 처음으로 상승 샘플 및 샘플 홀더 드, 하지만 기본 압력 근처 안정화 해야 (< 10-10 Torr) 몇 시간 후.</li>
	<li>계속 하기 전에 실내 온도에 냉각 샘플을 수 있습니다.</li>
	<li>Resistively 1800 ° C에 필 라 멘 트를가 열 하 고 기본 압력 복구 시스템에 대 한 대기에 의해 샘플으로 동일한 약 실에 있는 텅스텐 필 라 멘 트를 드. 계속 하기 전에 필 라 멘 트를 해제 합니다. 참고: 샘플 수 유지 챔버에이 단계 동안 기본 산화물 층 표면에 의해 패는 때문에이 단계에서 발생 하는 샘플 표면의 어떤 오염 든 지 연속적으로 제거 될 것 이다. 필 라 멘 트의 온도 고온 계를 사용 하 여 필 라 멘 트에 적용 된 특정 전류/전압을 보정 해야 합니다.</li>
	<li>10 그 온도에서 누른 깜박이 900 ° C에 샘플 샘플 표면에서 산화물을 제거 하기 전에 실내 온도에 냉각 s. 압력 깜박이 과정 기본 압력에서 몇 배나 높아집니다. 이 절차를 통해 발견 하는 섬광의 각, 후 실내 온도와 기준 압력에 계속 하기 전에 복구 하 시스템을 샘플에 대 한 기다립니다. 참고: 깜박이 열 및 냉각 100 순서 높은 램프 레이트와 샘플으로이 보고서 내에서 정의 됩니다 ° C/s.</li>
	<li>점차적으로 1250 ° c.의 최종 플래시에 도달 하려고 시도 하는 동안 높은 온도에 샘플을 플래시 압력 9 x 10-10 Torr에서 방지 하기 위해 샘플 표면 오염 점점 올라가면 어떤 플래시를 중단 합니다. 1250 ° C (단계 2.6에서에서가 열 된 필 라 멘 트에 의해 주어진 빛은 고온 계 샘플의 온도, 정확한 결과 주는에서 하며 따라서이 설정치를 사용 한다) 플래시를 달성 하는 데 사용 전압/전류를 기록 합니다. 최종 플래시에 전압/전류 크리스탈 냉각으로 샘플 330 ° C에가 열 하는 데 필요한 결정 다음 샘플 실내 온도에 냉각 하 고 계속 하기 전에 기본 압력을 복구 하는 시스템.</li>
	<li>1 x 10-6 Torr의 압력에서 챔버로 H2 가스를 누출 하 고 1800 ° c 텅스텐 필 라 멘 트가 열 참고:이 크래킹 atmoic 수소32H2 의 효과가 있다.</li>
	<li>5 그 온도에 그것을 들고 1250 ° c, 샘플을 점멸 하기 전에 2 분 동안 이러한 조건에서 샘플을 잡고 s, 및 330 ° c 냉각</li>
	<li>330 ° C에 노출의 1 분 후 동시에 H2 누설 밸브, 텅스텐 필 라 멘 트, 끄고 샘플 식 실내 온도에. 참고: 이러한 고온 플래시 샘플에서 dopants의 분포를 영향을 줍니다. 1250 ° C에 난방 근처 샘플 표면30~ 60 nm 불순물 고갈 영역을 유도 하는 것이 발견 되었습니다.</li>
	<li>표면의 STM 이미지를 복용 하 여 샘플의 품질을 확인 합니다. 참고: 좋은 샘플 큰 있을 것 이다 (> 30 nm x 30 nm)의 결함 율과 테라스 < 1% (매달려 채권, 흡착된 분자, adatoms, 등)와 고전적인 Si(100)-(2x1) 재건32, 이합체 행 기능을 시연할 예정 이다 실행 antiparallel 서로 단계 가장자리 (그림 3B)에 걸쳐.</li>
</ol>3. 터널 접합에 펌프-프로브 펄스의 품질 평가
<ol><li>-1.8 V의 샘플 바이어스 50 pA의 현재 설정치와 현재 피드백 컨트롤러를 참여 하 여 STM 팁 샘플 표면에 접근. 참고:이 조건 하에서 팁은 추정 < 1 샘플 표면에서 nm. 이 작품에 사용 된 STM 팁 다 텅스텐을 화학적으로 에칭 하 여 제작 되었다. 그것은 질소 에칭 Rezeq 외. 에 잘 설명 되어 있는 절차를 사용 하 여 더 날카롭게 했다 33.</li>
	<li>큰 영역 스캔 (예를 들어, 50 nm x 50 nm)를 복용 하 여 큰 표면 결함에서 무료로 샘플 표면 영역을 찾고 있습니다.</li>
	<li>위치는 STM 팁 표면에 H 시에는 STM 이미지 (그림 3B)에서 이합체 행으로 나타납니다.</li>
	<li>현재 피드백 컨트롤러 해제</li>
	<li>-V 1.0을 VDC ,-0.5 V에 V펌프 ,-0.5 V에 V프로브 , 200 펌프와 프로브 펄스의 폭을 설정 ns, 그리고 2.5 펄스의 상승/하강 시간 ns (그림 4A).</li>
	<li>보내기의 펌프와 프로브 펄스의 열차 시리즈 펌프와 프로브 상대적 지연-900에서 전파는 900 ns ns.</li>
	<li>터널링 하는 펌프와 프로브 사이 지연의 기능으로 현재 플롯. 그것은 가능성이 강한 울리는 (진동 터널링 하는 펌프와 프로브 펄스, 그림 4B사이 상대적 지연의 기능으로 현재에) 설명할 것 이다. 참고: 파이썬과 근원 소프트웨어 플롯, 분석 및 평가 하는이 원고에 대 한 수집 된 데이터에 사용 되었다.</li>
	<li>3.1-3.5, 단계를 반복 하지만 펄스의 상승/하강 시간 증가. 울리는 상승/하강 시간 증가 줄일 것 이다. 그러나 참고: 그것은 제공 하는 가장 정확한 분 광 결과를 울리는 제거 원하는,, 이러한 기술은 시간 해상도 사용 하는 펄스의 폭을 제한. 25 ns 상승 시간이이 일을 위해 사용 되었다.</li>
</ol>4. 시간-해결 터널링 분광학 (TR-STS) 검색
<ol><li>위치는 STM 실리콘 DB 통해 부정적인 tip 샘플 편견 (그림 3B)에서 밝은 돌출으로 나타나는 팁.</li>
	<li>STM 현재 피드백 컨트롤러를 해제 합니다.</li>
	<li>
기차만 프로브 펄스 반복 속도 25 kHz의 구성 보냅니다. 500의 범위 프로브 펄스의 바이어스 펄스 트레인의 시리즈를 통해 청소-1.8 V의 DC 바이어스에서 mV. 참고:이 간단한 실험은 기존의 STS 편견의 범위는 계수 샘플링 되는 어디에 비슷합니다.<ol>
<li>결과 스펙트럼 있다 신호 대 잡음 비 (각각 다른 바이어스)는 펄스 트레인의 기간을 구성 > 10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, V V목 -1.8 V, 500 mV와-V 2.0, 각각. 참고: 펌프 펄스 (1 µs는 일반적으로 충분 한) 임의로 긴 기간을 가질 수 있습니다.</li>
	<li>
열차 지연 10 다음 프로브 펄스와 펌프 펄스의 구성 보내기 ns. 이 실험에서 500 펌프 펄스의 진폭을 설정 mV와 500 50에서 프로브 펄스 스윕 mV. 참고:이 실험에서 프로브 펄스 펌프 펄스에 의해 준비 상태 보다는 기존의 STS에서 평형 상태 샘플링입니다.<ol>
<li>펌프 펄스에만이 단계에서 수집 된 신호 표시/평가할 때 적용 하는 때 신호를 뺍니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>프로브만을 비교 하 고 펌프 + 프로브를 같은 그래프에 플롯 하 여 신호. 2 개의 신호에 어떤 히스테리시스 시간 해결 STM 기법 조사 수 역학의 표시입니다. 참고: 고정 프로브 펄스의 범위를 유지 하 고 조 악 하 게 DC를 검색 하 여 (0.25 V 단계에서 예를 들면), 오프셋된 한 효율적으로 매핑할 수 역학 기술에 액세스할 수를 식별 하는 샘플의 전체 에너지 범위. 펄스 기간 실험에 따라 수정할 수 있습니다. 펌프 펄스의 폭 되도록 그것이 일관 되 게는 불순물을 이온화 되는 불순물 이온화 되, 속도 보다 더 필요 합니다. 일반적으로, 조사 기간이 두 전도도의 평균 샘플링 없이 최대 신호를 측정할 수 있다 그런 역동적인 과정 연구, 아래와 같은 순서로 이어야 합니다. 존재는 역학에서 에너지에 대 한 검색 하는 경우는 한 국가의 시스템은 히스테리시스 향상 측정 프로브 기간 최소화 하는 것이 좋습니다. 이완 시간 상수는 발견으로 신호 대 잡음 비를 개선 하기 위해 프로브 펄스의 지속 시간을 늘릴 수 있습니다.</li>
</ol>5. 시간 해결 STM 휴식 역학의 측정
<ol><li>실리콘 DB 이상의 STM 팁을 놓고 STM 현재 피드백 컨트롤러를 해제 합니다.</li>
	<li>기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, V V목 -1.8 V, 400 mV와-V 2.0, 각각. 참고: 펌프 펄스 (1 µs는 일반적으로 충분 한) 임의로 긴 기간을 가질 수 있습니다.</li>
	<li>펌프와 프로브 펄스의 기차를 보냅니다. 프로브 펄스 진폭을 펌프 보다는 고에 히스테리시스 범위에 비해 발생 확인 (V프로브 < V펌프, V프로브 + VDC≈ Vhystersis).</li>
	<li>청소 µs의 몇몇 10까지 펌프와 프로브 펄스 사이의 지연.</li>
	<li>펌프 펄스만 적용 했을 때 확인 하는 신호를 뺍니다. 이 실험에서 설정 VDC,펌프, VV프로브 -1.8 V, 400 mV와 210 mV, 각각. -5 μ s에서 35 μ 상대적 지연 청소를 설정 합니다. 참고: 신호에서 취득 하는 경우 이전 단계는 잘 맞는 (R2 > 0.80) 단일 지 수 감퇴 기능에 의해 다음 펌프 펄스에 의해 준비 하는 과도 상태의 일생에서에서 추출 수 있습니다 적합.</li>
</ol>6. 시간 해결 STM 여기 역학의 측정
<ol><li>기차 고정된 바이어스 설정 펌프 펄스의 구성 보내기 (그런 VDC + V펌프 보다 큰 > Vthr) 25 kHz의 반복 속도. 이 실험에서 VDC 및 V목 -1.8 V와-V 2.0을 각각 설정. V220와 450 mV 사이펌프 를 설정 합니다.</li>
	<li>몇 나노초 몇 백 나노초의 펌프 펄스의 지속 시간을 청소.</li>
	<li>펌프와 프로브 펄스의 기차를 보냅니다. 프로브 펄스 진폭 펌프 보다 작은 있어야 하 고에 히스테리시스 범위에 비해 발생 (V프로브 < V펌프, V프로브 + VDC≈V hystersis). 이 실험에서 210 V프로브 설정 mV.</li>
	<li>프로브 펄스만 적용 했을 때 확인 하는 신호를 뺍니다. 참고: 신호 얻은 지 수, 그것 이면 펌프 펄스 맞는에서 추출 수 있는 속도로 과도 상태 (이온된 불순물) 준비 (R2> 0.80). 위에서 설명한 프로토콜은 실험 및 여기서 설명 하는 장비입니다. 다른 시스템의 연구에 대 한 그들의 자신의 실험 설치를 사용자 지정 하는 독자에 대 한 많은 잠재적인도 있다. 예를 들어 일반적인 기술은 저온 냉각된 STMs;에 국한 되지 않습니다. 팁 자료를 사용할 수 있습니다, 그리고 그들은 질소 에칭을 필요 하지 않습니다. 또한, 적절 한 프로그램된 임의 함수 발생기는 2 개의 독립적인 채널을 합계 하는 필요를 깨뜨릴 것 더블 펄스 파형을 생성 하 사용 될 수 있습니다. 마지막으로, 낮은 대역폭 케이블 사용된31일 수 있었다.</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. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).</li><li>Takeuchi, O., Morita, R., Yamashita, M., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+time-resolved+scanning+tunneling+microscopy+in+femtosecond+range.">Development of time-resolved scanning tunneling microscopy in femtosecond range.</a> Jpn. J. Appl. Phys. 41 (7 B), 4994-4997 (2002).</li><li>Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-space+imaging+of+transient+carrier+dynamics+by+nanoscale+pump-probe+microscopy.">Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy.</a> Nat. Photon. 4 (12), 869-874 (2010).</li><li>Yoshida, S., Yokota, M., Takeuchi, O., Oigawa, H., Mera, Y., Shigekawa, 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-atomic-level+probe+of+transient+carrier+dynamics+by+laser-combined+scanning+tunneling+microscopy.">Single-atomic-level probe of transient carrier dynamics by laser-combined scanning tunneling microscopy.</a> Appl. Phys. Express. 6 (3), (2013).</li><li>Kloth, P., Wenderoth, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+time-resolved+atomic-scale+imaging+of+individual+donors+to+their+cooperative+dynamics.">From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics.</a> Science Ad. 3, (2017).</li><li>Cocker, T. L., 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=An+ultrafast+terahertz+scanning+tunnelling+microscope.">An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope.</a> Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).</li><li>Yoshioka, K., 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=Real-space+coherent+manipulation+of+electrons+in+a+single+tunnel+junction+by+single-cycle+terahertz+electric+fields.">Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz electric fields.</a> Nat. 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. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+paramagnetic+resonance+of+individual+atoms+on+a+surface.">Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface.</a> Science. 350 (6259), 417-420 (2015).</li><li>Yan, S., Choi, D. -. J., Burgess, J. A. J., Rolf-Pissarczyk, S., Loth, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+quantum+magnets+by+atomic+exchange+bias.">Control of quantum magnets by atomic exchange bias.</a> Nat. Nano. 10 (1), 40-45 (2014).</li><li>Rashidi, M., 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=Time-Resolved+Imaging+of+Negative+Differential+Resistance+on+the+Atomic+Scale.">Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale.</a> Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805 (2016).</li><li>Rashidi, M., 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=Time-resolved+single+dopant+charge+dynamics+in+silicon.">Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon.</a> Nat. Comm. 7, 13258 (2016).</li><li>Koenraad, P. M., Flatt&#233;, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+dopants+in+semiconductors.">Single dopants in semiconductors.</a> Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).</li><li>Kane, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+silicon-based+nuclear+spin+quantum+computer.">A silicon-based nuclear spin quantum computer.</a> Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).</li><li>Freer, S., 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=A+single-atom+quantum+memory+in+silicon.">A single-atom quantum memory in silicon.</a> Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).</li><li>Fuechsle, M., 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=A+single-atom+transistor.">A single-atom transistor.</a> Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. c., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+oxidation+of+H-passivated+Si(100)-2&#215;1+surfaces+with+an+ultrahigh+vacuum+scanning+tunneling+microscope.">Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2&#215;1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope.</a> Appl. Phys. Lett. 64 (118), 2010-2012 (1994).</li><li>Livadaru, L., 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=Dangling-bond+charge+qubit+on+a+silicon+surface.">Dangling-bond charge qubit on a silicon surface.</a> New J. Phys. 12 (8), 83018 (2010).</li><li>Haider, M. B., Pitters, J. L., DiLabio, G. A., Livadaru, L., Mutus, J. Y., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Coupling+and+Occupation+of+Silicon+Atomic+Quantum+Dots+at+Room+Temperature.">Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature.</a> Phys. Rev. Lett. 102 (4), 46805 (2009).</li><li>Taucer, M., 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=Single-Electron+Dynamics+of+an+Atomic+Silicon+Quantum+Dot+on+the+H+-+Si+(100)-(2x1)+Surface.">Single-Electron Dynamics of an Atomic Silicon Quantum Dot on the H - Si (100)-(2x1) Surface.</a> Phys. Rev. Lett. 112 (25), 256801 (2014).</li><li>Engelund, M., Papior, N., Brandimarte, P., Frederiksen, T., Garcia-Lekue, A., S&#225;nchez-Portal, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Search+for+a+Metallic+Dangling-Bond+Wire+on+n+-Doped+H-Passivated+Semiconductor+Surfaces.">Search for a Metallic Dangling-Bond Wire on n -Doped H-Passivated Semiconductor Surfaces.</a> J. Phys. Chem. C. 120 (36), 20303-20309 (2016).</li><li>Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+Transport+in+Gated+Dangling-Bond+Atomic+Wires.">Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires.</a> Nano Lett. 17, 322-327 (2017).</li><li>Kolmer, M., Zuzak, R., Dridi, G., Godlewski, S., Joachim, C., Szymonski, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+a+quantum+Hamiltonian+Boolean+logic+gate+on+the+Si(001):H+surface.">Realization of a quantum Hamiltonian Boolean logic gate on the Si(001):H surface.</a> Nanoscale. 7, 12325-12330 (2015).</li><li>Schofield, S. R., 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=Quantum+engineering+at+the+silicon+surface+using+dangling+bonds.">Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds.</a> Nat. Comm. 4, 1649 (2013).</li><li>Wood, J. A., Rashidi, M., Koleini, M., Pitters, J. L., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+Silicon+Atom+Artificial+Molecules.">Multiple Silicon Atom Artificial Molecules.</a> https://arxiv.org/abs/1607.06050. , (2016).</li><li>Pitters, J. L., Piva, P. G., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dopant+depletion+in+the+near+surface+region+of+thermally+prepared+silicon+(100)+in+UHV.">Dopant depletion in the near surface region of thermally prepared silicon (100) in UHV.</a> J. Vac. Sci. Technol. 30 (2), 21806 (2012).</li><li>Grosse, C., Etzkorn, M., Kuhnke, K., Loth, S., Kern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+mapping+of+fast+voltage+pulses+in+tunnel+junctions+by+plasmonic+luminescence.">Quantitative mapping of fast voltage pulses in tunnel junctions by plasmonic luminescence.</a> Appl. Phys. Lett. 103 (18), (2013).</li><li>Boland, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+tunnelling+microscopy+of+the+interaction+of+hydrogen+with+silicon+surfaces.">Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces.</a> Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).</li><li>Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tungsten+nanotip+fabrication+by+spatially+controlled+field-assisted+reaction+with+nitrogen.">Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen.</a> J. Chem. Phys. 124, 204716 (2006).</li><li>Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Versatile+scanning+tunneling+microscopy+with+120+ps+time+resolution.">Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).</li></ol>

저자 들은 아무 경쟁 금융 관심사 선언 합니다.

TR-STS는 펌프 펄스 적용 되지 않습니다의 이체는 기존의 STS에 비해 시스템 보다 지속적으로 높은 주파수에서 샘플링 되는. 프로브 펄스의 기간 적절 한 경우 (>ΓLH), TR-STS 신호 펌프 펄스 기존의 STS와 정확히 일치 하는 실험의 듀티 사이클에 비례 상수를 곱한 수 없이 인수 측정입니다. 이것은 가능 측정 잠금 증폭기, 그렇지 않으면 사용 되는 저역 통과 필터링으로 인해 신호의 알 수 ?...

터널링 현미경 (STM) 스캔 nanoscience 원자 규모 지형과 전자 구조를 해결 하는 능력에 대 한에서 최고의 도구가 되고있다. 그러나 기존의 STM의 한계가, 그것의 임시 해결책은 현재 프리 앰프1의 제한 된 대역폭으로 인해 밀리초 날짜 표시줄 제한입니다. 그것은 오래는 원자 과정은 일반적으로 발생 하는 저울을 STM의 시간적 해상도 확장 하는 목표 되었습니다. 시간-터널링 현미경 (STM TR) 검색에 의해 해결 프리먼 외 여러분 에서 작동 하는 개척 1 찰 스위치 및 마이크로 스트립 전송 선 터널 접합에 피코 초 전압 펄스를 전송 하는 샘플에 꽃무늬를 활용. 하지만이 접합 혼합 기법 1 nm와 20 ps2, 동시 해상도 달성 하기 위해 사용 되는 그것 결코 널리 채택 되어 전문된 샘플 구조를 사용 하 여 요구 사항으로 인해. 다행히도,이 작품에서 얻은 기본적인 통찰력 많은 시간 해결 기술;에 일반화 될 수 있습니다. STM의 회로의 대역폭 제한 여러 kilohertz 비록, STM에 비-선형 I(V) 응답 빠른 역학을 많은 펌프-프로브 사이클을 통해 얻은 평균 터널 전류를 측정 하 여 찾는 것을 수 있습니다. 개입 년에서 많은 접근 탐험 되어, 어떤을의 가장 인기 있는 간략하게 검토 아래.
동요-펄스-쌍-흥분 (SPPX) STM 직접 터널 접합을 밝게 조명 하 고 흥미로운 샘플3운반대에 의해 서브 피코 초 분해능을 달성 초고속 펄스 레이저 기술에서 진보를 활용 합니다. 입사 레이저 빛 정도 강화 전도, 무료 사업자 만들고 펌프와 프로브 (td) 사이 지연의 수 d나/dtd 잠금 앰프 측정 합니다. 펌프와 프로브 사이의 지연 보다는 다른 많은 광학 방식에서 레이저의 강도 변조 때문에 SPPX-STM 사진 조명 유도 열팽창 팁3의 방지 합니다. 이 접근의 최근 확장은 SPPX STM 펌프-프로브 지연 시간4의 범위를 확대를 펄스 따기 기법을 활용 하 여 역학 조사를 사용할 수 있는 날짜 표시줄을 확대 했습니다. 중요 한 것은,이 최근 개발도 보다는 숫자 통합을 통해 직접 나(td) 곡선을 측정 하는 능력을 제공 합니다. SPPX-STM의 최근 응용 프로그램에 단일-캐리어 재결합의 연구를 포함 했다 (Mn, Fe)/GaAs(110) 구조는 GaAs6기증자와5 역학. SPPX-STM의 응용 프로그램 일부 제한 얼굴. SPPX STM 측정 신호 그리고 무료 사업자 광 펄스에 의해 흥분된에 따라 반도체에 가장 적합 하다. 또한, 비록 큰 지역 광 펄스에 의해 흥분 하기 때문에, 끝에 지역화 터널링 전류, 신호 로컬 속성 및 소재 전송 회선입니다. 마지막으로, 접합에 바이어스를 역학 연구에서 photoinduced 이어야 합니다. 측정 날짜 표시줄에 고정 됩니다.
최근 광학 기술, 고주파 STM (THz-STM), 자유 공간 THz 펄스 STM 팁에 교차점에 초점을 맞춘 커플. 달리 SPPX STM에 결합 된 펄스 빠른 전압 펄스 서브 피코 초 분해능7전자 구동된 업무가의 조사에 대 한 허용으로 동작 합니다. 흥미롭게도, 정류 전류 THz 펄스에서 결과 액세스할 수 없는 극단적인 피크 전류 밀도에 의해 생성 기존의 STM8,9. 기술은 최근 Si(111)-(7x7)9 뜨거운 전자를 연구 하 고 이미지를 단일 pentacene 분자10의 진동 사용 되었습니다. 그러나 THz 펄스 자연스럽 게 끝에 몇 가지,, STM 실험에 THz 소스 통합 필요성 많은 경험에 도전 될 것입니다. 이 다른 광범위 하 게 적용 하 고 쉽게 구현 기술의 개발 동기.
2010 년, 싫은 외. 11 나노초 전압 펄스 DC 오프셋 위에 전자 적용 펌프와 프로브 시스템11모든 전자 기술 개발. 이 기술의 소개는 명확 하 고 실용적인 응용 프로그램의 시간 해결 STM의 이전 지켜지지 않은 물리학을 측정 하는 중요 한 데모를 제공 합니다. 교차점 앞, STM 혼합으로 빨리 하는 것은 아니지만 임의의 샘플 조사를 허용 STM 팁에 펄스 마이크로웨이브를 적용 합니다. 이 기술은 어떤 복잡 한 광학 방법론 또는 STM 접합에 광 액세스 필요 하지 않습니다. 이것은 낮은 온도 STMs에 적응 하기 쉬운 기술. 이 기술의 첫 번째 데모는 스핀 편광 STM를 스핀 상태 펌프 펄스11흥분된의 휴식 역학 측정 하는 데 사용 했다 회전 역학의 연구에 적용 했다. 최근까지, 자석 adatom 시스템12,,1314 남아 제한 하지만 응용 프로그램 개별 중간 간격에서 캐리어 캡처 속도의 연구에 확장 되었습니다 이후15 와 역학을 충전 단일 비소 dopants 실리콘15,16. 후자의 연구가이 작품의 초점 이다.
보완 금속 산화물 반도체 (CMOS) 장치는 지금 입력 정권이 어디 단일 dopants 장치 속성17 영향을 미칠 수 있기 때문에 단일 dopants 반도체에서의 속성에 대 한 연구는 상당한 관심을 끌었다 최근 . 더하여, 몇몇 학문은 설명 했다 미래의 디바이스의 기본 구성 요소로 서, 예를 들어 qubits 양자 계산18 및 양자 메모리19, 및 단일 원자 트랜지스터가20 단일 dopants 사용할 수 있습니다. , 15. 미래 장치 또한 실리콘 본드 (DB) STM 리소 그래피21원자 정밀 패턴 수 매달려 등 다른 원자 규모 결함을 통합할 수 있습니다. 이 위해, DBs 충전 qubits22, 양자 점 양자 셀룰러 오토 마 타 아키텍처23,24, 및 원자 전선25,26 으로 제안 되어 고 만드는 패턴 양자 해밀턴 논리 문27 및 인공 분자28,29. 앞으로 이동, 장치 단일 dopants 및 DBs를 통합할 수 있습니다. 이 매력적인 전략 DBs는 될 수 있는 쉽게 STM 특징 단일 불순물 장치 특성화를 핸들로 사용 표면 결함 때문입니다. 이 전략의 예를 들어, DBs 표면 근처 dopants의 충전 역학 유추 충전 센서로이 작품에 사용 됩니다. 이러한 역학 모든 전자 TR-STM 싫은 연구진이 개발한 기술에서 적응을의 사용 하 여 캡처 11
측정 종료 수소 Si(100)-(2x1) 표면에 선택한 DBs에서 수행 됩니다. 도 펀트 고갈 영역 확장 약 60 nm, 표면 아래 크리스탈30의 열 처리를 통해 만든 DB와 대량 밴드에서 몇 나머지 표면 근처 dopants 분리. DBs의 STM 연구 그들의 전도도 글로벌 샘플 등의 매개 변수, dopants의 온도, 농도에 따라 결정 되지만 개별 DBs는 또한16그들의 지역 환경 따라 강한 유사를 보여을 발견 했다. 단일 DB 이상의 STM 측정, 동안 전류 흐름 속도는 전자 팁 (Γ팁)을 DB와 DB (Γ대량)에 대량에서 터널 수에 의해 규율 됩니다 (그림 1). 그러나, DB의 전도 지역 환경에 민감한 때문에, 가까운 dopants의 충전 상태 Γ대량 (그림 1B), DB의 전도성을 모니터링 하 여 유추 될 수 있는 영향. 결과적으로, DB의 전도도 근처 dopants의 충전 상태를 감지 하는 데 사용할 수 있습니다 되는 dopants는 요금 제공 대량 (ΓLH)에서 전자를 결정 하는 데 사용 수 있고 STM 팁에 그들을 잃고 (ΓHL < / c13 >). 해결 하려면 이러한 역학, TR-STS는 끝 표면 근처 dopants의 이온화를 유도 임계값 전압 (Vthr) 주위 수행 됩니다. 펌프와 프로브 펄스의 역할은 세 가지 시간 해결 실험 기술 여기에서 동일. 펌프 정도 제공 바이어스 레벨 아래에서 V세, 불순물의 이온화를 유도 이상 합니다. 이 낮은 바이어스에 따르는 프로브 펄스에 의해 샘플링 되는 DB의 전도성을 증가 시킵니다.
이 문서에 설명 된 기술을 그 STM와 나노초 시간 간격을 밀리초에서 발생 하는 역학을 특성화 하고자 도움이 됩니다. 이러한 기술은 충전 역학 공부에 국한 되지 않습니다, 하는 동안 역학의 STM (즉, : 상태 또는 표면 근처에)에 의해 조사 될 수 있는 전도성 과도 변화를 통해 보여진는 결정적 이다. 프로브 펄스 듀티 사이클 (일반적으로 시스템 잡음 플로어 보다 작은 경우 임시 상태의 전도성 다 하지 않습니다 크게 평형 상태에서 변이 및 평형 전류 사이의 차이 곱한 되도록 1 pA), 신호는 잡음에 손실 됩니다 하 고이 기술에 의해 감지 되지 않습니다. 이 문서에서 설명 하는 데 필요한 상업적으로 사용할 수 있는 STM 시스템의 실험 수정 겸손 이기 때문에, 이러한 기술을 널리 사회에 액세스할 수 있을 것입니다 예상 된다.

<table><tbody><tr><td>Low Temperature Scanning Tunneling Microscope</td><td>Scientaomicron</td><td></td><td>Custom-made with 500MHz bandwidth wiring</td></tr><tr><td>Arbitarary Function Genorator</td><td>Tektronix</td><td>AFG3252C</td><td></td></tr><tr><td>RF Power Splitter/ Combiner</td><td>Mini-Circuits</td><td>ZFRSC-42-S +</td><td></td></tr><tr><td>RF Switch</td><td>Mini-Circuits</td><td>X80-DR230-S +</td><td></td></tr><tr><td>Non-Contact Infrared Pyrometers</td><td>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

Dopants의 작은 숫자 장치 속성을 제어할 수 있습니다 비늘을 반도체 소자의 소형화 그들의 역학을 특성화 할 수 있는 새로운 기술의 개발을 필요 합니다. 단일 dopants를 조사 하 고 터널링 현미경 (STM) 검색의 사용 동기 하위 나노미터 공간 해상도를 요구 한다. 그러나, 기존의 STM 밀리초 시간 해상도로 제한 됩니다. 여러 가지 방법은 나노초 해상도 실리콘에 불순물 역학 조사이 연구에서 사용 되는 모든 전자 시간 해결 STM 등이 단점을 극복 하기 위해 개발 되었습니다. 여기에 제시 된 방법을 광범위 하 게 액세스할 수 하 고 다양 한 역학 원자 규모의 현지 측정에 대 한 허용 한다. 소설에 제시는 터널링 분광학 기술 검색 및 역학에 대 한 효율적으로 검색 하는 데 사용 시간으로 해결.

결과 텍스트의이 섹션에는 이전에 게시15,16되었습니다. 그림 3 선택 예의 동작을 보여 줍니다. 기존의 STM와 DB. 기존의 I(V) 측정 (그림 3A)는 명확 하 게 V목 에서 DB의 전도도에 날카로운 변화를 묘사-V 2.0을 =. 이 동작은 또한 STM 이미지 DB에 있는 밝은 돌출, 얼룩 덜 룩 한 ?...

Watch this Scientific Journal Video about All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics at JoVE.com

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

실리콘에서 불순물 원자의 나노초 해결 충전 역학 주사 터널링 현미경으로 관찰 하는 모든 전자 방법 보여 줍니다.

모든 전자 나노초 해결 주사 터널링 현미경: 촉진 단일 불순물 충전 역학 조사

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

9.5K 조회수.  University of Alberta. 실리콘에서 불순물 원자의 나노초 해결 충전 역학 주사 터널링 현미경으로 관찰 하는 모든 전자 방법 보여 줍니다.

비디오: 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.

충전 분리 Nanocrystals와 고체를 통해 태양 에너지를 수확

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

연구

공학

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.

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 ...

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.

쿨롱 불순물 스캐닝 터널링 현미경 연구 게이트 - 조정 가능한 그래 핀 장치의 제작

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

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 ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

시간 해결 전자 전도도를 통해 박막 태양 광 재료의 재조합 역학

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal structure and probing the hydrogen-bond (H-bond) dynamics of the water molecules adsorbed on solid surfaces are fundamental issues of water science, which remains a great challenge owing to the light mass and small size of hydrogen. Scanning tunneling microscopy (STM) is a promising tool for attacking these problems, thanks to its capabilities of sub-&#197;ngstr&#246;m spatial resolution, single-bond vibrational sensitivity, and atomic/molecular manipulation. The designed experimental system consists of a Cl-terminated tip and a sample fabricated by dosing water molecules in situ onto the Au(111)-supported NaCl(001) surfaces. The insulating NaCl films electronically decouple the water from the metal substrates, so the intrinsic frontier orbitals of water molecules are preserved. The Cl-tip facilitates the manipulation of the single water molecules, as well as gating the orbitals of water to the proximity of Fermi level (EF) via tip-water coupling. This paper outlines the detailed methods of submolecular resolution imaging, molecular/atomic manipulation, and single-bond vibrational spectroscopy of interfacial water. These studies open up a new route for investigating the H-bonded systems at the atomic scale.

Here, we present a protocol to investigate the structure and dynamics of interfacial water at the atomic scale, in terms of submolecular resolution imaging, molecular manipulation, and single-bond vibrational spectroscopy.

구조와 계면 물 검색과 터널링 현미경 분광학의 역학 조사

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

화학

Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational spectroscopy and time-resolved electron diffraction. Liquid crystal phase is an important state of matter that exists between the solid and liquid phases and it is common in natural systems as well as in organic electronics. Liquid crystals are orientationally ordered but loosely packed, and therefore, the internal conformations and alignments of the molecular components of LCs can be modified by external stimuli. Although advanced time-resolved diffraction techniques have revealed picosecond-scale molecular dynamics of single crystals and polycrystals, direct observations of packing structures and ultrafast dynamics of soft materials have been hampered by blurry diffraction patterns. Here, we report time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffractometry to acquire ultrafast snapshots of a columnar LC material bearing a photoactive core moiety. Differential-detection analyses of the combination of time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffraction are powerful tools for characterizing structures and photoinduced dynamics of soft materials.

Here, we present the protocols of differential-detection analyses of time-resolved infrared vibrational spectroscopy and electron diffraction which enable observations of the deformations of local structures around photoexcited molecules in a columnar liquid crystal, giving an atomic perspective on the relationship between the structure and the dynamics of this photoactive material.

Photoresponsive 액정의 구조 역학을 관찰을 위한 새로운 기술

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational ...

Quantitative Atomic-Site Analysis of Functional Dopants/Point Defects in Crystalline Materials by Electron-Channeling-Enhanced Microanalysis

A novel elemental and chemical analysis scheme based on electron-channeling phenomena in crystalline materials is introduced, where the incident high-energy electron beam is rocked with the submicrometric pivot point fixed on a specimen. This method enables us to quantitatively derive the site occupancies and site-dependent chemical information of impurities or intentionally doped functional elements in a specimen, using energy-dispersive X-ray spectroscopy and electron energy-loss spectroscopy attached to a scanning transmission electron microscope, which is of significant interest to current materials science, particularly related to nanotechnologies. This scheme is applicable to any combination of elements even when the conventional Rietveld analysis by X-ray or neutron diffraction occasionally fails to provide the desired results because of limited sample sizes and close scattering factors of neighboring elements in the periodic table. In this methodological article, we demonstrate the basic experimental procedure and analysis method of the present beam-rocking microanalysis.

We provide a general outline of quantitative microanalysis methods for estimating the site occupancies of impurities and their chemical states by taking advantage of electron-channeling phenomena under incident electron beam-rocking conditions, which reliably extract information from minority species, light elements, oxygen vacancies, and other point/line/planar defects.

전자 채널링 강화 마이크로 분석에 의한 결정재료의 기능적 도팬츠/점 결함의 정량적 원자사이트 분석

A novel elemental and chemical analysis scheme based on electron-channeling phenomena in crystalline materials is introduced, where the incident ...

전기화학적 방법을 이용한 단일 나노입자의 이종 성능 분석

Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy

Studying electrochemical reactions on single nanoparticles is important to understand the heterogeneous performance of individual nanoparticles. This nanoscale heterogeneity remains hidden during the ensemble-averaged characterization of nanoparticles. Electrochemical techniques have been developed to measure currents from single nanoparticles but do not provide information about the structure and identity of the molecules that undergo reactions at the electrode surface. Optical techniques such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) microscopy and spectroscopy can detect electrochemical events on individual nanoparticles while simultaneously providing information on the vibrational modes of electrode surface species. In this paper, a protocol to track the electrochemical oxidation-reduction of Nile Blue (NB) on single Ag nanoparticles using SERS microscopy and spectroscopy is demonstrated. First, a detailed protocol for fabricating Ag nanoparticles on a smooth and semi-transparent Ag film is described. A dipolar plasmon mode aligned along the optical axis is formed between a single Ag nanoparticle and Ag film. The SERS emission from NB fixed between the nanoparticle and the film is coupled into the plasmon mode, and the high-angle emission is collected by a microscope objective to form a donut-shaped emission pattern. These donut-shaped SERS emission patterns allow for the unambiguous identification of single nanoparticles on the substrate, from which the SERS spectra can be collected. In this work, a method for employing the SERS substrate as a working electrode in an electrochemical cell compatible with an inverted optical microscope is provided. Finally, tracking the electrochemical oxidation-reduction of NB molecules on an individual Ag nanoparticle is shown. The setup and the protocol described here can be modified to study various electrochemical reactions on individual nanoparticles.

저자 스포트라이트: Tracking Electrochemistry on Single Nanoparticles with Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy(표면 강화 라만 산란 분광법 및 현미경을 사용한 단일 나노입자에 대한 전기화학 추적)  

The protocol describes how to monitor electrochemical events on single nanoparticles using surface-enhanced Raman scattering spectroscopy and imaging.

Surface-Enhanced Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy를 사용한 단일 나노입자의 전기화학 추적

Studying electrochemical reactions on single nanoparticles is important to understand the heterogeneous performance of individual nanoparticles. This ...

모든 전자 나노초 해결 주사 터널링 현미경: 촉진 단일 불순물 충전 역학 조사

요약

더 많은 비디오 탐색

PLAYLIST