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

A pesquisa aqui discutidos foi o apoio do Instituto Michigan State University de Ciências Quantum e da National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, e DMR-0605801. KW reconhece o apoio de uma Secretaria de Educação GAANN Interdisciplinar Bioelectrónica Training Fellowship Program EUA.

1. PROTOCOLO <ol><li> A configuração inicial do microscópio e eletrônica <ol><li> Comece com uma criogênico com capacidade de microscópio de varredura por sonda com sistema eletrônico de controle associados. Os microscópios usados ​​para a pesquisa aqui descritos utilizam tradução inercial para &quot;caminhar&quot; a amostra em direcção e para longe da ponta ao longo de rampas 13 (feitos de um material condutor tal como cobre, latão, aço inoxidável ou, para permitir que eles transmitem pa...

<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>

Uma explicação detalhada da base teórica para este método experimental é dada em referências 8 e 9 e discutido com relação ao cenário de dopantes subsuperfície na Referência 2, a visão aqui apresentada, portanto, ser breve e conceitual. A ponta é tratado como um prato de um condensador, e da camada condutora subjacente da amostra compreende a outra placa. Se a tensão contínua é aplicada de tal modo que os electrões são puxados na direcção da ponta, e se existe um átomo de contaminante situado entre ...

Acumulação de imagem de carga subsuperfície (SCA) é um método de baixa temperatura capaz de resolver os eventos de carga de um único elétron. Quando aplicada ao estudo de átomos dopantes em semicondutores, o método pode detectar electrões individuais entram átomos doadores ou aceitador, o que permite a caracterização da estrutura quântica destes sistemas minutos. Na sua essência, SCA de imagem é um local de medição de capacitância 6 adequado para operação criogênica. Porque capacitância é baseado no campo elétrico, é um efeito de longo alcance que pode resolver o carregamento sob isolamento superfícies 6. Operação criogênica permite a investigação de movimento de um único elétron e espaçamento nível quântico que seria insolúvel à temperatura ambiente 1,2. A técnica pode ser aplicada a qualquer sistema em que o movimento de electrões a seguir uma superfície de isolamento é importante, incluindo as dinâmicas de carga em sistemas de electrões bidimensionais nas interfaces enterrados 7, por brevidade,<html> o foco aqui será em estudos de dopantes semicondutores. No nível mais esquemática, esta técnica trata a ponta digitalizada como uma placa de um condensador de placas paralelas, embora a análise realista requer uma descrição mais detalhada para a conta para a curvatura da ponta 8,9. A outra placa neste modelo é uma região nanoescala da camada condutora subjacente, conforme mostrado na Figura 1. Essencialmente, tal como uma carga de entrada de um contaminante em resposta a uma tensão de excitação periódica, que fica mais perto da ponta, o que induz o movimento da imagem mais carga na ponta, que é detectada com um circuito de sensor 5. Da mesma forma, como a carga sai do dopante, a carga na ponta da imagem é reduzida. Assim, o sinal periódico de carga em resposta à tensão de excitação é o sinal detectado - essencialmente é a capacitância, assim esta medição é frequentemente referida como a determinação das características do sistema de CV. tenda &quot;&gt; Durante a medição de capacitância, o túnel só net é entre a camada condutora subjacente ea camada dopante -. taxa nunca túneis diretamente na ponta A falta de tunelamento ou da ponta direta durante a medição é uma importante diferença entre esta técnica e da microscopia de tunelamento mais familiar, embora a maior parte do hardware para este sistema é essencialmente idêntico ao de um microscópio de varredura por tunelamento. Também é importante notar que a SCA de imagem não é diretamente sensível a cargas estáticas. Para investigações de carga estática distribuições, Kelvin sonda de microscopia ou microscopia de força eletrostática digitalização é apropriado métodos criogênicos adicionais para examinar o comportamento eletrônico locais existem que também têm boa resolução eletrônica e espacial;., por exemplo, microscopia transistor único eletrônica de varredura é um outro método de varredura por sonda capaz de detectar minutos de carga efeitos 4,10. SCA imagem foi originalmentedesenvolvido no MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, e co-trabalhadores 7, além disso, o método descrito aqui pode ser considerado como uma versão do método de espectroscopia de capacitância Single-Electron desenvolvido por Ashoori e colaboradores 11 sonda de varredura. Um elemento-chave da medição é um circuito de detecção de carga extremamente sensível 5,12 usando transistores de elétrons de alta mobilidade (HEMT), que pode atingir um nível de ruído tão baixo quanto 0,01 elétrons / Hz ½ de 0,3 K, a temperatura da base do criostato em 5 de Referência. Essa alta sensibilidade permite a observação de carga de um único elétron em sistemas subsuperficiais. Este método é adequado para o estudo da dinâmica de elétrons ou de buracos individuais ou pequenos grupos de dopantes em semicondutores, com densidades de área dopantes típicos da ordem de 10 15 m -2 em uma geometria plana 2. Um exemplo de uma configuração de exemplo típico para este tipo de experiência é apresentado na Figura 1 </strong&gt;. A camada de contaminante é geralmente posicionada de algumas dezenas de nanómetros abaixo da superfície, é importante conhecer as distâncias exactas entre a camada condutora subjacente e a camada de contaminante, e entre a camada de contaminante e a superfície da amostra. Em contraste com a construção de túneis, capacitância não cair exponencialmente, mas sim essencialmente diminui na proporção inversa da distância. Assim, a profundidade de contaminante pode, em princípio, ser ainda mais profundo do que dezenas de nanómetros de baixo da superfície, enquanto alguns fracção razoável de terras de campo eléctrico na ponta. Para todos os testes acima referidos locais criogénicos de comportamento electrónico, incluindo a técnica aqui descrita, a resolução espacial é limitado pelo tamanho geométrico da ponta e pela distância entre a característica de interesse do subsolo e a ponta da sonda de varredura.

<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

A integração de técnicas de varredura por sonda de baixa temperatura e espectroscopia de capacitância de um único elétron representa uma ferramenta poderosa para estudar a estrutura quântica electrónica de pequenos sistemas - incluindo dopantes atômicas individuais em semicondutores. Aqui apresentamos um método baseado em capacitância, conhecido como Subsurface carga Acumulação (SCA) de imagem, que é capaz de resolver a carga de um único elétron ao conseguir a resolução espacial suficiente para imagem dopantes atômicas individuais. A utilização de uma técnica de capacitância permite a observação das características do subsolo, como contaminantes enterrados muitos nanómetros sob a superfície de um material semicondutor 1,2,3. Em princípio, esta técnica pode ser aplicada a qualquer sistema para resolver o movimento de electrões a seguir uma superfície isolante. Tal como em outras técnicas de sonda de campo eléctrico digitalizada sensíveis 4, a resolução espacial lateral da medição depende, em parte, o raio de curvature da ponta da sonda. Utilizando pontas com um pequeno raio de curvatura pode permitir a resolução espacial de umas poucas dezenas de nanómetros. Esta resolução espacial fina permite investigações de números pequenos (até um) de dopantes subsuperfície 1,2. A resolução da carga depende muito da sensibilidade do circuito de detecção de carga, utilizando transistores de electrões de alta mobilidade (HEMT) em tais circuitos, a temperaturas criogénicas permite uma sensibilidade de cerca de 0,01 Hz / electrões ½ a 0,3 K 5.

O principal indicador de uma medida de sucesso é a reprodutibilidade, bem como em outros métodos de varredura por sonda. Medições repetidas são muito importantes por essa razão. Por espectroscopia de capacitância ponto, tendo muitas medições em sucessão no mesmo local ajuda a aumentar a relação sinal-ruído e identificar sinais espúrios. Uma vez que uma característica de interesse tiver sido identificado dentro da imagem de acumulação de carga e espectroscopia de capacitânci...

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

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Espectroscopia de capacitância de um único elétron-sonda de digitalização facilita o estudo do movimento de um único elétron em regiões subterrâneas localizadas. Um circuito de detecção de carga sensível é incorporado numa sonda de digitalização criogénico microscópio para investigar pequenos sistemas de átomos dopantes sob a superfície das amostras de semicondutores.

-Sonda de varredura único elétron Espectroscopia de capacitância

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

Ângulo resolvido espectroscopia de fotoelétrons em ultra-baixas temperaturas

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

Engenharia

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

Quantum Estadual de Engenharia de Luz com onda contínua Optical Parametric osciladores

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

Investigando única molécula de adesão de Força Atômica Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Biomolecules Using EBL Fabricated Nanostructured Substrates

Superfície reforçada Raman Detection Espectroscopia de Biomoléculas Usando EBL Fabricadas Nanoestruturados Substratos

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-Óxido-semiconductor Quantum Dots para bombear-elétron único

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

Espectroscopia Raman de nanofios extremos e Outros Sistemas 1D

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

-Ressonância Quasi alta resolução Phonon assistida espectroscopia de fluorescência

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

Atuadores de luz de forma livre - Fabricação e Controle de atuação em escala microscópica

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

sondagem C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si substrato utilizando Scanning Probe Microscopy e Dinâmica Molecular

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

Aplicando raios-X de imagem de cristal Spectroscopy para uso como uma alta temperatura do plasma de diagnóstico

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line ...