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

Forskningen diskutert her ble støttet av Michigan State University Institute for Quantum Sciences og National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, og DMR-0605801. KW erkjenner støtte fra en US Department of Education GAANN Tverrfaglig Bioelectronics Training Program fellesskap.

En. PROTOKOLL <ol><li> Første installasjon av mikroskop og elektronikk <ol><li> Begynn med en lav temperatur-stand scanning probe mikroskop med tilhørende styringselektronikk. De mikroskop benyttet for forskningen beskrevet her benytte treghet oversettelse å &quot;gå&quot; prøven mot og bort fra spissen langs ramper (13 laget av et ledende materiale slik som kobber, messing eller rustfritt stål for å gjøre dem i stand til å overføre til den forspenning prøve) som en del av en Besocke utforming ST...

<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>

En detaljert forklaring av det teoretiske grunnlag for denne eksperimentelle metode er gitt i referanser 8 og 9 og diskutert med hensyn til scenario av undergrunnsformasjoner dopingsmidler i referanseeksempel 2, med oversikt presenteres her, vil derfor være kort og konseptuelle. Tuppen er behandlet som en plate av en kondensator, og det ledende skikt underliggende prøven omfatter den andre plate. Dersom DC spenning påtrykkes slik at elektroner trekkes mot tuppen, og hvis det er et dopingsmiddel atom som ligger mellom...

Undergrunnen Charge Opphopning (SCA) avbildning er en lav-temperatur metode stand til å løse single-elektron lading hendelser. Når anvendes i studiet av dopant atomer i halvledere, kan metoden påvise enkelte elektroner påbegynner eller-mottager-atomer, som tillater karakterisering av kvante struktur av disse minutt systemer. På hjertet sitt, er SCA bildebehandling en lokal kapasitansmåling 6 velegnet for kryogenisk bruk. Fordi kapasitansen er basert på elektrisk felt, er det en lang-effekt som kan løse lading under isolerende flater 6. Kryogenisk operasjon tillater undersøkelse av single-elektronbevegelsen og kvante-nivå avstand som ville være uløselig ved romtemperatur 1,2. Teknikken kan anvendes på en hvilken som helst system hvor elektron bevegelse under en isolerende overflate er viktig, herunder lade dynamikk i to-dimensjonale elektron-systemer ved nedgravde grensesnitt 7, for korthets<html> fokuset her vil være på studier av halvledere dopants. På det mest skjematisk nivå, behandler denne teknikken det skannede spissen som en plate av en parallell-plate kondensator, men realistisk analyse krever en mer detaljert beskrivelse på kontoen for krumningen av tuppen 8,9. Den annen plate i denne modellen er en nanoskala område av det underliggende, ledende lag, slik som vist i figur 1. I hovedsak, som en ladning trer et dopingsmiddel som reaksjon på en periodisk eksiteringsspenningen, blir det nærmere dysen; denne bevegelse induserer mer bilde ladningen på spissen, som er oppdaget med følerkretsen 5.. Tilsvarende som charge avslutter dopant, blir bildet kostnad på spissen redusert. Derav periodiske lading signal som reaksjon på eksiteringsspenningen er det detekterte signal - i hovedsak er det kapasitans, således denne måling blir ofte referert til som å bestemme CV egenskapene til systemet. telt &quot;&gt; Under kapasitansmåling, er den eneste netto tunnel mellom den underliggende ledende laget og dopant lag -. charge aldri tunneler direkte på tuppen Mangelen på direkte tunnelering til eller fra spissen under målingen er en viktig forskjell mellom denne teknikk og mer kjent scanning tunneling mikroskopi, er selv om mye av maskinvaren for dette systemet i hovedsak identisk med en scanning tunneling mikroskop. Det er også viktig å merke seg at SCA tenkelig er ikke direkte følsomme for statisk elektrisitet. For undersøkelser av statisk elektrisitet distribusjoner, skanning Kelvin probe mikroskopi eller elektrostatisk kraft mikroskopi er hensiktsmessig Andre kryogeniske metoder for å undersøke lokale elektroniske atferd eksisterer som også har gode elektroniske og romlig oppløsning;. for eksempel skanning single-elektron transistor mikroskopi er en annen scanning probe metoden kan påvise minutters lading effekter 4,10. SCA bildebehandling var opprinneligutviklet ved MIT etter Tessmer, Glicofridis, Ashoori, og medarbeidere 7, dessuten kan metoden beskrevet her betraktes som en scanning probe versjon av Single-Electron Kapasitans spektroskopi metode utviklet av Ashoori og medarbeidere 11. Et sentralt element i målingen er et utsøkt sensitive lade-deteksjon krets 5,12 ved hjelp av høy elektron mobilitet transistorer (HEMT), det kan oppnå et støynivå så lavt som 0,01 elektroner / Hz ½ på 0,3 K, base temperaturen kryostaten i Reference fem. En så høy følsomhet tillater observasjon av single-elektron lading i undergrunnen systemer. Denne metoden er egnet for studiet av elektron eller hull dynamikken i individuelle eller små grupper av dopants i halvledere, med typiske dopant Areal tettheter i størrelsesorden 10 15 m -2 i et fly geometri to. Et eksempel på en typisk prøve konfigurasjonen for denne type forsøk er vist i figur 1. </strong&gt;. Den dopingsmiddel laget er vanligvis plassert noen få titalls nanometer under overflaten, og det er viktig å kjenne den nøyaktige avstanden mellom det underliggende ledende lag og den dopingsmiddel lag og mellom det dopingsmiddel sjikt og sampeloverflaten. I motsetning til tunnelering, betyr kapasitans ikke falle av eksponentielt, men i stedet det vesentlige avtar i omvendt forhold til avstanden. Derfor kunne det dopingsmiddel dybde i prinsippet være enda dypere enn titalls nanometer under overflaten, så lenge noen rimelig brøkdel av elektriske feltkomponenter lander på tuppen. For alle de nevnte kryogene lokale sonder av elektronisk oppførsel, inklusive den teknikk som er beskrevet her, er romlig oppløsning begrenses av den geometriske størrelsen på spissen og av avstanden mellom det underjordiske trekk av interesse og skanning sondespissen.

<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

Integrasjonen av lav temperatur skanning-probe teknikker og single-elektron kapasitans spektroskopi representerer et kraftig verktøy for å studere den elektroniske kvante strukturen av små systemer - inkludert individuelle atom dopants i halvledere. Her presenterer vi en kapasitans-baserte metoden, kjent som Subsurface Charge Opphopning (SCA) bildebehandling, som er i stand til å løse single-elektron lading samtidig oppnå tilstrekkelig romlig oppløsning til bilde individuelle atom dopants. Bruken av en kapasitans teknikk muliggjør observasjon av undergrunnsformasjoner, for eksempel dopingsmidler begraver nanometer under overflaten av et halvleder-materiale 1,2,3. I prinsippet kan denne teknikken brukes på alle system for å løse elektronbevegelsen under et isolerende underlag. Som i andre elektriske felt som er følsomme skannet-probe teknikker 4, avhenger den sideveis romlig oppløsning av målingen delvis på den radius curvature av sondespissen. Ved hjelp av tips med en liten krumningsradius kan aktivere romlig oppløsning på noen titalls nanometer. Dette fine romlig oppløsning lar undersøkelser av små tall (ned til én) av undergrunnen dopingsmidler 1,2. Avgiften oppløsning avhenger sterkt av sensitiviteten av lade detection krets, ved hjelp av høye elektron mobilitet transistorer (HEMT) i slike kretser ved kryogeniske temperaturer muliggjør en følsomhet på ca 0,01 elektroner / Hz ½ ved 0,3 K 5.

Sjefen indikator på en vellykket måling er reproduserbarhet, mye som i andre skanning probe metoder. Gjentatte målinger er svært viktig på grunn av dette. For punkt kapasitans spektroskopi, idet mange målinger etter hverandre ved samme sted bidrar til å øke signal-til-støy-forholdet og identifiserer falske signaler. Når en egenskap av interesse har blitt identifisert innen lade opphopning bilde og kapasitans spektroskopi er utført, begynner tolkning av CV-data ved å bestemme spen...

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

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Skanning-probe single-elektron kapasitans spektroskopi forenkler studie av single-elektron bevegelse i lokaliserte undergrunnsområder. En sensitiv påvisning lade-krets er innlemmet i en kryogen scanning mikroskop probe for å undersøke små systemer av dopant atomer under overflaten av halvleder-prøver.

Skanning-probe Single-elektron Kapasitans spektroskopi

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

Vinkel-løst photoemission Spectroscopy At Ultra-lave temperaturer

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 med kontinuerlig bølge Optisk parametriske oscillatorer

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

Gransker enkelt molekyl Adhesjon av Atomic Force spektroskopi

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

Overflaten Forbedret Raman spektroskopi Påvisning av biomolekyler hjelp EBL Fabricated nanostrukturerte Underlag

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 metal-oxide-semiconductor kvanteprikker for Single-elektron 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

Resonans Raman spektroskopi av Extreme Nanowires og andre 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-assistert Quasi-resonans flourescensspektroskopi

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

Frihånds Lys Aktuatorer - Fabrikasjon og kontroll av aktivering i Mikroskopisk Scale

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

Verifiserer C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si underlaget med Scanning Probe Mikroskopi og 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

Bruk av X-ray Imaging Crystal spektroskopi for bruk som en 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 ...