Name: scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy
Uploaded: 2013-07-30T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy at JoVE.com

Het onderzoek hier besproken werd gesteund door de Universiteit van de Staat Instituut van Michigan voor Quantum Sciences en de National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, en DMR-0605801. KW erkent steun van een Amerikaanse ministerie van Onderwijs GAANN Interdisciplinair Bioelectronics Training Program fellowship.

1. PROTOCOL <ol><li> Initiële setup van de microscoop en elektronica <ol><li> Begin met een cryogene-staat scanning probe microscoop met bijbehorende besturingselektronica. De microscopen gebruikt voor het onderzoek beschreven hier gebruiken inertie vertaling &quot;om te lopen&quot; het monster naar en weg van de punt langs opritten 13 (gemaakt van een geleidend materiaal zoals koper, messing of roestvrij staal in staat te stellen bias spanning doorgeven aan de monster) als onderdeel van een Besocke ontwer...

<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>

Een gedetailleerde uitleg van de theoretische basis voor deze experimentele methode gegeven in de referenties 8 en 9 en besproken met betrekking tot het scenario van ondergrondse toeslagstoffen in referentie 2, het overzicht hier gepresenteerde derhalve kort en conceptuele. De tip wordt behandeld als een plaat van een condensator, en de geleidende laag ten grondslag liggen aan het monster bestaat uit de andere plaat. Wanneer de DC spanning zodanig dat elektronen worden getrokken naar de punt, en als er een doteringsatoo...

Ondergrond Charge Accumulatie (SCA) beeldvorming is een lage-temperatuur-methode kunnen oplossen single-electron opladen evenementen. Toegepast op de studie van doteringsmiddelatomen in halfgeleiders, kan de werkwijze detecteren individuele elektronen invoeren donor of acceptor atomen, waardoor de karakterisering van quantumstructuur van deze kleine systemen. Op haar hart, SCA beeldvorming is een lokale capacitieve meting 6 goed geschikt voor cryogene bewerking. Omdat de capaciteit is gebaseerd op elektrisch veld, het is een lange-afstands effect dat kan oplossen opladen onder isolerende oppervlakken 6. Cryogene bediening maakt onderzoek van single-elektron beweging en kwantumniveau spatiëring dat zou worden onoplosbare bij kamertemperatuur 1,2. De techniek kan worden toegepast op elk systeem waarin elektronen beweging onder een isolerend oppervlak belangrijk is, evenals het laden dynamiek in tweedimensionale electronsystemen op begraven interfaces 7, kortheidshalve<html> de focus zal hier liggen op studies van halfgeleider doteermiddelen. Op het meest schematisch niveau, deze techniek behandelt de gescande tip als een plaat van een parallelle plaat condensator, maar realistische analyse vereist een meer gedetailleerde beschrijving om rekening te houden met de kromming van de punt 8,9. De andere plaat in dit model is een nanoschaal gebied van de onderliggende geleidende laag, zoals getoond in figuur 1. In wezen, zoals een lading voert een doteerstof in reactie op een periodieke excitatie spanning, het dichter bij de punt, deze beweging veroorzaakt meer ladingsbeeld op de punt, die is gedetecteerd door de sensor circuit 5. Evenzo, als de lading verlaat de dotering, wordt het beeld lading op het puntje afgenomen. Vandaar het periodiek opladen in responsie op de excitatie spanning het gedetecteerde signaal - in wezen het capacitieve, dus deze meting wordt vaak aangeduid als bepalend voor de CV kenmerken van het systeem. tent &quot;&gt; Tijdens de capacitieve meting, de enige netto-tunneling is tussen de onderliggende geleidende laag en de dotering laag -. lading nooit tunnels direct op het puntje Het ontbreken van directe tunneling van of naar de punt tijdens de meting is een belangrijk verschil tussen deze techniek en de meer bekende scanning tunneling microscopie, hoewel veel van de hardware voor dit systeem in wezen gelijk aan die van een scanning tunneling microscoop. Het is ook belangrijk op te merken dat SCA beeldvorming niet direct gevoelig zijn voor statische elektriciteit. Voor onderzoeken van statische lading distributies, scanning Kelvin probe microscopie of elektrostatische kracht microscopie is passend Extra cryogene methoden voor de behandeling van lokale elektronische gedrag bestaan ​​die ook goede elektronische en ruimtelijke resolutie;. bijvoorbeeld scanning single-electron transistor microscopie is een andere scanning probe methode voor het opsporen minuten opladen effecten 4,10. SCA beeldvorming was oorspronkelijkontwikkeld aan het MIT door Tessmer, Glicofridis, Ashoori, en collega&#39;s 7 en bovendien, kan de hier beschreven methode worden beschouwd als een scanning probe versie van de Single-Electron Capaciteit Spectroscopy methode is ontwikkeld door Ashoori en collega&#39;s 11. Een belangrijk element van de meting is een uiterst gevoelig lading-detectie circuit 5,12 met behulp van high electron transistoren (HEMT), maar het kan een geluidsniveau zo laag als 0,01 elektronen / Hz bereiken ½ op 0,3 K, de basistemperatuur van de cryostaat in referentie 5. Een dergelijk hoge gevoeligheid maakt observatie van single-electron opladen in ondergrondse systemen. Deze methode is geschikt voor de studie van elektron of gat dynamica van individuele of kleine groepen toeslagstoffen in halfgeleiders, met typische doteringsmiddel oppervlaktedichtheid in de orde van 10 15 m -2 in een vlak geometrie 2. Een voorbeeld van een typisch voorbeeld configuratie voor dergelijke experimenten wordt getoond in Figuur 1 </strong&gt;. De dotering laag wordt meestal geplaatst enkele tientallen nanometers onder de oppervlakte, is het belangrijk om de precieze afstand tussen de onderliggende geleidende laag en het doteringsmiddel laag en tussen de doteerstof laag en het monsteroppervlak kennen. In tegenstelling tot tunneling, doet capaciteit niet vallen exponentieel, maar in plaats daarvan neemt in wezen omgekeerd evenredig met de afstand. Vandaar dat de doteerstof diepte in beginsel zelfs dieper dan tientallen nanometers onder het oppervlak, zolang aantal redelijk deel elektrisch veld landt op de tip. Voor alle bovengenoemde cryogene lokale probes gedrag van de elektronen, zoals de hier beschreven techniek is ruimtelijke resolutie beperkt door de geometrische afmeting van de tip en de afstand tussen de ondergrond kenmerk van belang en de scanning probe uiteinde.

<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

De integratie van lage-temperatuur-aftastsondetechnieken en single-elektron spectroscopie capaciteit vormt een krachtig instrument om de elektronische quantum structuur van kleine systemen te bestuderen - inclusief individuele atomaire doteerstoffen in halfgeleiders. Hier presenteren we een condensator-gebaseerde methode, die bekend staat als Ondergrond Charge Accumulatie (SCA) beeldvorming, die in staat is het oplossen van een-elektron opladen terwijl het bereiken van voldoende ruimtelijke resolutie foto om individuele atomaire doteermiddelen. Het gebruik van een capacitieve techniek maakt waarneming van ondergrondse kenmerken, zoals doteerstoffen begraven veel nanometer onder het oppervlak van een halfgeleidermateriaal 1,2,3. In principe kan deze techniek worden toegepast op elk systeem elektron beweging onder een isolerend oppervlak lossen. Zoals in andere elektrisch-veld-gevoelige ingescande probetechnieken 4, de laterale ruimtelijke resolutie van de meting ten dele afhankelijk van de krommingsstraal vane van de sonde. Gebruik tips met een kleine kromtestraal kan inschakelen ruimtelijke resolutie van enkele tientallen nanometers. Deze fijne ruimtelijke resolutie maakt het mogelijk onderzoeken van kleine aantallen (tot een) van de ondergrond doteermiddelen 1,2. De lading resolutie sterk afhankelijk van de gevoeligheid van de lading detectieschakeling, met hoge elektronenmobiliteit-transistoren (HEMT) in dergelijke schakelingen bij cryogene temperaturen kan een gevoeligheid van ongeveer 0,01 elektronen / Hz ½ bij 0,3 K 5.

De belangrijkste indicator voor een succesvolle meting is reproduceerbaarheid, zoveel als in andere scanning probe methodes. Herhaalde metingen zijn zeer belangrijk om deze reden. Voor punt capacitieve spectroscopie, waarbij vele metingen achter elkaar op dezelfde plaats helpt om de signaal-ruisverhouding te verhogen en identificeren stoorsignalen. Zodra een eigenschap van belang is geïdentificeerd binnen het imago van de lading accumulatie en capaciteit spectroscopie is uitgevoerd, de inte...

Watch this Scientific Journal Video about Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy at JoVE.com

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-probe single-electron capaciteit spectroscopie vergemakkelijkt de studie van single-elektron beweging in gelokaliseerde ondergrond regio. Een gevoelige charge-detectieschakeling wordt opgenomen in een cryogene scanning probe microscoop kleine systemen doteringsatomen onderzoeken onder de oppervlakte van halfgeleider monsters.

Scanning-probe Single-electron Capaciteit Spectroscopie

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

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

Energy Storage Elements

SCIENTISTS IN ACTION

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

Hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie bij ultralage temperaturen

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

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Quantum State Engineering of Light met Continuous-wave optische parametrische oscillatoren

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

Onderzoekt Single Molecule Hechting van Atomic Force Spectroscopie

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

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detectie van biomoleculen met behulp van EBL Fabricated Nanostructured Substrates

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

Silicon metaal-oxide-halfgeleider Quantum Dots voor Single-electron Pumping

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

Resonantie Raman Spectroscopie van Extreme Nanodraden en andere 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 ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High Resolution Phonon ondersteunde Quasi-resonantie fluorescentiespectroscopie

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

Free-form Light Actuators ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Â Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light Actuators - Fabricage en Controle van de Aandrijving in microscopische schaal

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

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

probing C<sub&gt; 84</sub&gt; Ingebedde Si-substraat met behulp van 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 ...

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

Het toepassen van X-ray Imaging Crystal Spectroscopie voor gebruik als een 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 ...