Name: scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy
Uploaded: 2013-07-30T13:00:00
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Die Forschung, die hier beschrieben wurde von der Michigan State University Institute for Quantum Wissenschaften und der National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939 und DMR-0605801 unterstützt. KW dankt für die Unterstützung von einem US-Department of Education GAANN Interdisziplinäre Bioelectronics Training Program Stipendium.

1. PROTOKOLL <ol><li> Ersteinrichtung des Mikroskops und Elektronik <ol><li> Beginnen Sie mit einer kryogenen-fähigen Rastersondenmikroskops zugeordnet Steuerelektronik. Die Mikroskope für die Forschung hier beschriebenen verwenden Trägheitstranslation zu &quot;gehen&quot; der Probe in Richtung auf und weg von der Spitze entlang Rampen 13 (aus einem leitenden Material, wie Kupfer, Messing oder rostfreiem Stahl, damit sie mit der Vorspannung, um die Sende- Probe) als Teil eines Besocke Design STM 14,...

<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>

Eine detaillierte Erläuterung der theoretischen Grundlagen für diese experimentelle Methode wird in Referenzen 8 und 9 gegeben und diskutiert in Bezug auf das Szenario der Untergrund Dotierungen in Referenz 2; der Übersicht dargestellt wird hier deshalb kurz sein und konzeptionell. Die Spitze wird als eine Platte eines Kondensators und der leitenden Schicht, die unter die Probe umfasst die andere Platte behandelt. Wenn die DC-Spannung angelegt wird, so daß Elektronen in Richtung der Spitze gezogen wird, und wenn es ...

Subsurface Ladungsakkumulation (SCA) Bildgebung ist eine Niedertemperatur-Verfahren auflösen können Einzel-Elektronen-Charging Events. Bei der Untersuchung von Dotierungsatomen in Halbleitern angewendet wird, kann das Verfahren erkennen einzelnen eintretenden Elektronen Donor-oder Akzeptor-Atomen, wodurch Charakterisierung des Quanten-Struktur dieser Systeme Minute. In seinem Herzen ist SCA Bildgebung eine lokale Kapazitätsmessung 6 für Kryo-Betrieb geeignet. Da Kapazität vom elektrischen Feld basiert, ist es eine Fernwirkung, die zu lösen Laden unter isolierenden Oberflächen können 6. Kryo-Betrieb ermöglicht Untersuchung von Einzel-Elektronen-Bewegung und Quanten-Ebene Abstand, der bei Raumtemperatur 1,2 unlösbaren würde. Die Technik kann auf jedes System, in dem die Bewegung der Elektronen unter einer isolierenden Oberfläche ist wichtig angewendet werden, einschließlich der Ladung Dynamik in zweidimensionalen Elektronensysteme an inneren Grenzflächen 7; Kürze halber<html> der Fokus hier auf Studien von Halbleiter Dotierungen sein. Am meisten schematische Ebene behandelt diese Technik das gescannte Spitze als eine Platte eines Plattenkondensator, obwohl realistische Analyse erfordert eine genauere Beschreibung zu berücksichtigen, für die Krümmung der Spitze 8,9. Die andere Platte in diesem Modell ist eine nanoskaligen Bereich der darunter liegenden leitenden Schicht, wie in Abbildung 1 gezeigt. Im Wesentlichen von einer Ladung in einen Dotierstoff in Reaktion auf eine periodische Anregung Spannung, wird es näher an der Spitze; diese Bewegung induziert image Ladung auf der Spitze, die mit der Sensorschaltung 5 erfasst wird. Ebenso wie die Ladung beendet das Dotierungsmittel, das Bild Ladung auf der Spitze verringert. Daraus ergibt sich die periodischen Ladesignal in Reaktion auf die Erregungsspannung das detektierte Signal - im Wesentlichen ist es Kapazität, so dass diese Messung wird oft als die Bestimmung der CV Eigenschaften des Systems bezeichnet. Zelt &quot;&gt; Während der Kapazitätsmessung, ist das einzige Netz Tunneling zwischen dem zugrunde liegenden leitfähigen Schicht und der Dotierungsmittelschicht -. Ladung nie Tunnel direkt auf die Spitze Das Fehlen direkter Tunneln oder von der Spitze während der Messung ist ein wichtiger Unterschied zwischen diesem Technik und mehr vertraut Rastertunnelmikroskopie, ist, obwohl ein großer Teil der Hardware für dieses System im Wesentlichen identisch mit der eines Rastertunnelmikroskops. Es ist auch wichtig anzumerken, dass SCA Bildgebung nicht direkt auf elektrostatische Ladungen reagieren. Für Untersuchungen der statischen Aufladung Ausschüttungen, Raster-Kelvin-Sonden-Mikroskopie oder elektrostatische Kraft-Mikroskopie geeignet ist kryogenen Zusätzliche Methoden für die Prüfung lokalen elektronischen Verhalten gibt, die auch gute elektronische und räumliche Auflösung;. zum Beispiel, Scannen Einelektrontransistor Mikroskopie ist ein weiteres Raster-Sonden-Methode zum Aufspüren von Minute Aufladen Effekte 4,10. SCA Bildgebung war ursprünglichentwickelt am MIT durch Tessmer, Glicofridis, Ashoori und Mitarbeiter 7, außerdem das hier beschriebene Verfahren kann als Raster-Sonden-Version der Single-Electron Spectroscopy Kapazität Methode Ashoori und Mitarbeiter 11 entwickelt angesehen werden. Ein wesentliches Element der Messung ist ein exquisit empfindlich Charge-Detektionsschaltung 5,12 mit high electron mobility Transistoren (HEMT), es kann einen Geräuschpegel so niedrig wie 0,01 Elektronen / Hz erreichen ½ bei 0,3 K, die Basis Temperatur des Kryostaten in Referenz 5. Eine derart hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Beobachtung von Einzel-Elektronen-Aufladung in unterirdischen Anlagen. Diese Methode wird für die Untersuchung von Elektronen oder Löcher Dynamik einzelne oder kleine Gruppen von Dotierstoffen in Halbleitern geeignet, mit typischen Dotierstoff Flächendichte im Bereich von 10 15 m -2 in einer ebenen Geometrie 2. Ein Beispiel für eine typische Probe Konfiguration für diese Art von Test ist in Abbildung 1 dargestellt </strong&gt;. Die Dotierungsschicht typischerweise einige zehn Nanometer unter der Oberfläche positioniert, es ist wichtig, die genaue Abstände zwischen der darunterliegenden leitenden Schicht und dem Dotierstoff Schicht und zwischen der Dotierungsmittelschicht und der Probenoberfläche zu kennen. Im Gegensatz zu den Tunneln hat Kapazität nicht abfallen, sondern im wesentlichen exponentiell abnimmt umgekehrt proportional zum Abstand. Somit könnte das Dotierungsmittel Tiefe im Prinzip sogar tiefer als zehn Nanometer unter der Oberfläche, wie einige angemessener Anteil des elektrischen Feldes landet auf der Spitze. Für alle der genannten kryogenen Nahsonden von elektronischen Verhalten, einschließlich der hier beschriebenen Technik wird räumliche Auflösung durch die geometrische Größe der Spitze und durch den Abstand zwischen dem Untergrund Merkmal von Interesse und der Rastersondenspitze begrenzt.

<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

Die Integration von Niedrigtemperatur-Scanning-Probe-Techniken und Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität stellt ein leistungsfähiges Werkzeug, um die elektronischen Quantenstruktur von kleinen Systemen zu untersuchen - auch einzelne atomare Dotierungen in Halbleitern. Hier präsentieren wir eine Kapazitäts-basierte Verfahren, wie Subsurface Ladungsakkumulation (SCA)-Bildgebung, die in der Lage Lösung Einzel-Elektronen-Aufladung während eine ausreichende räumliche Auflösung zu einzelnen atomaren Bild Dotierungen ist bekannt. Der Einsatz eines kapazitiven Technik ermöglicht Beobachtung der unterirdischen Merkmale, wie viele Dotiermittel begraben Nanometer unter der Oberfläche eines Halbleitermaterials 1,2,3. Im Prinzip kann diese Technik auf ein beliebiges System angewandt werden, um die Bewegung der Elektronen unter einer isolierenden Oberfläche zu lösen. Wie in den anderen durch ein elektrisches Feld empfindliche eingescannten Sondentechniken 4 hängt die laterale räumliche Auflösung der Messung teilweise von dem Radius curvature der Sondenspitze. Unter Verwendung der Spitzen mit einem kleinen Krümmungsradius ermöglichen räumlichen Auflösung von wenigen zehn Nanometern. Diese feine räumliche Auflösung ermöglicht Untersuchungen der kleinen Zahlen (minus eins) von unterirdischen Dotierungen 1,2. Die Ladung Auflösung hängt stark von der Empfindlichkeit der Ladung Detektionsschaltung; mit Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) in solchen Schaltungen bei kryogenen Temperaturen ermöglicht eine Empfindlichkeit von etwa 0,01 Elektronen / Hz ½ bei 0,3 K 5.

Der Chef Indikator für eine erfolgreiche Messung ist die Reproduzierbarkeit, so wie in anderen Rastersondenmethoden. Wiederholte Messungen sind sehr wichtig, aus diesem Grund. Für Punkt Kapazität Spektroskopie unter viele Messungen nacheinander an der gleichen Stelle hilft, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und zu identifizieren Störsignale. Sobald ein Merkmal von Interesse innerhalb der Ladungsakkumulation Bild identifiziert und Kapazität Spektroskopie durchgeführt wurde...

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Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität ermöglicht die Untersuchung von Einzel-Elektronen-Bewegung in lokalisierten Regionen Untergrund. Eine empfindliche Ladung-Erfassungsschaltung in einem kryogenen Rastersondenmikroskop auf kleine Systeme Dotieratome unter der Oberfläche des Halbleiter-Proben zu untersuchen eingearbeitet.

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

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

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