Name: scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy
Uploaded: 2013-07-30T13:00:00
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La investigación discutido aquí fue apoyada por el Instituto Estatal de Michigan Universidad de Ciencias de Quantum y la Fundación Nacional para la Ciencia DMR-0305461, DMR-0906939, y DMR-0605801. KW reconoce el apoyo de un Departamento de Educación GAANN Interdisciplinario Bioelectronics beca del Programa de Formación EE.UU..

1. PROTOCOLO <ol><li> La configuración inicial del microscopio y de la electrónica <ol><li> Comience con un microscopio de sonda de barrido criogénica con capacidad de la electrónica de control asociados. Los microscopios utilizados para la investigación que se describe aquí utiliza la traducción de inercial a &quot;caminar&quot; la muestra hacia y lejos de la punta a lo largo de las rampas 13 (hecho de un material conductor tal como cobre, latón o acero inoxidable para que puedan transmitir tensió...

<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>

Una explicación detallada de la base teórica de este método experimental se dan en las referencias 8 y 9 y discutido con respecto al escenario de dopantes del subsuelo en la Referencia 2; la información general que aquí se presenta por lo tanto, ser breve y conceptual. La punta se trata como una placa de un condensador, y la capa conductora subyacente a la muestra comprende la otra placa. Si se aplica la tensión de CC de modo que los electrones son atraídos hacia la punta, y si hay un átomo de dopante situada en...

Acumulación de imágenes de carga del subsuelo (SCA) es un método de baja temperatura capaz de resolver los eventos de carga de un solo electrón. Cuando se aplica al estudio de los átomos de dopante en los semiconductores, el método puede detectar electrones individuales que entran en átomos donantes o aceptor, permitiendo la caracterización de la estructura cuántica de estos sistemas minutos. En su corazón, SCA formación de imágenes es una medición de la capacidad local de 6 bien adaptado para la operación criogénica. Debido a que la capacitancia se basa en el campo eléctrico, que es un efecto de largo alcance que puede resolver de carga por debajo de las superficies de aislamiento 6. Operación criogénica permite la investigación de movimiento de un solo electrón y el espaciamiento nivel cuántico que serían irresolubles en la sala de temperatura de 1,2. La técnica se puede aplicar a cualquier sistema en el que movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante es importante, incluyendo la dinámica de carga de electrones en sistemas de dos dimensiones en las interfaces enterrados 7; por razones de brevedad,<html> el enfoque aquí será en estudios de agentes de dopado de semiconductores. En el nivel más esquemática, esta técnica trata a la punta escaneada como una placa de un condensador de placas paralelas, aunque el análisis realista requiere una descripción más detallada para tener en cuenta la curvatura de la punta de 8,9. La otra placa en este modelo es una región a nanoescala de la capa conductora subyacente, como se muestra en la Figura 1. Esencialmente, como una carga entra en un dopante en respuesta a una tensión de excitación periódica, que se acerca a la punta; este movimiento induce más carga imagen en la punta, que se detecta con el circuito del sensor 5. Del mismo modo, como la carga sale del dopante, se disminuye la carga de la imagen en la punta. Por lo tanto la señal de carga periódica en respuesta a la tensión de excitación es la señal detectada - esencialmente es la capacitancia, por lo que esta medida se conoce como la determinación de las características del sistema de CV a menudo. tienda de campaña &quot;&gt; Durante la medición de capacitancia, la única red de túnel es entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado -. túneles de carga nunca directamente sobre la punta La falta de un túnel directo hacia o desde la punta durante la medición es una diferencia importante entre este y la técnica de escaneo más familiarizados microscopía de efecto túnel, aunque gran parte del hardware para este sistema es esencialmente idéntica a la de un microscopio de efecto túnel. También es importante tener en cuenta que SCA formación de imágenes no es directamente sensible a las cargas electrostáticas. Para las investigaciones de carga estática distribuciones, escaneo de microscopía de sonda Kelvin o microscopía de fuerza electrostática es apropiado métodos criogénicos adicionales para examinar el comportamiento existe electrónica local, que también tienen una buena resolución electrónica y espacial;. por ejemplo, microscopía transistor de un solo electrón es otro método de sonda de barrido capaz de detectar los minutos de carga efectos 4,10. SCA imagen fue originalmentedesarrollado en el MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, y los compañeros de trabajo 7, por otra parte, el método descrito aquí puede ser considerado como una versión de sonda de barrido del método Espectroscopía de la capacitancia de un solo electrón desarrollado por Ashoori y compañeros de trabajo 11. Un elemento clave de la medición es un circuito de carga-detección exquisitamente sensible 5,12 utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT), sino que puede lograr un nivel de ruido tan bajo como 0.01 electrones / Hz ½ a 0,3 K, la temperatura de base del criostato en referencia 5. Esta alta sensibilidad permite la observación de la carga de un solo electrón en sistemas subterráneos. Este método es adecuado para el estudio de la dinámica de electrones o un agujero de grupos individuales o pequeñas de dopantes en semiconductores, típicos con densidades de área dopantes en el orden de 10 15 m -2 en una geometría plana 2. Un ejemplo de una configuración de ejemplo típico de este tipo de experimento se muestra en la Figura 1 </strong&gt;. La capa de agente de dopado se coloca típicamente unas pocas decenas de nanómetros por debajo de la superficie, es importante conocer las distancias precisas entre la capa conductora subyacente y la capa de agente de dopado y entre la capa de agente de dopado y la superficie de la muestra. En contraste con efecto túnel, capacitancia no se caiga de forma exponencial, pero en su lugar disminuye esencialmente en proporción inversa a la distancia. Por lo tanto, la profundidad de dopante en principio, podría ser incluso más profunda que decenas de nanómetros bajo la superficie, siempre que una fracción razonable de los terrenos del campo eléctrico en la punta. Para todas las mencionadas sondas criogénicas locales de comportamiento electrónico, incluyendo la técnica descrita aquí, la resolución espacial está limitada por el tamaño geométrico de la punta y por la distancia entre la característica del subsuelo de interés y la punta de sonda de barrido.

<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

La integración de técnicas de sonda de barrido de baja temperatura y espectroscopia de capacitancia de un solo electrón representa una poderosa herramienta para estudiar la estructura cuántica electrónica de pequeños sistemas - incluyendo dopantes atómicas individuales en los semiconductores. Aquí se presenta un método basado en la capacitancia, conocida como acumulación de carga subsuperficial (SCA) de imágenes, que es capaz de resolver la carga de un solo electrón, mientras que el logro de una resolución espacial suficiente para imagen dopantes atómicas individuales. El uso de una técnica de capacitancia permite la observación de las características del subsuelo, tales como agentes de dopado enterrados muchos nanómetros por debajo de la superficie de un material semiconductor 1,2,3. En principio, esta técnica se puede aplicar a cualquier sistema para resolver movimiento de los electrones por debajo de una superficie aislante. Al igual que en otras técnicas de escaneado-sonda de campo eléctrico sensibles a la 4, la resolución espacial lateral de la medición depende en parte de la radio de curvature de la punta de la sonda. Utilizando puntas con un pequeño radio de curvatura puede habilitar la resolución espacial de unas pocas decenas de nanómetros. Esta buena resolución espacial permite la investigación de pequeñas cantidades (hasta las) de dopantes subsuelo 1,2. La resolución de carga depende en gran medida de la sensibilidad de la circuitería de detección de carga; utilizando transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) en dichos circuitos a temperaturas criogénicas permite una sensibilidad de aproximadamente 0.01 electrones / Hz ½ a 0,3 K 5.

El principal indicador de medición de éxito es la reproducibilidad, tanto como en otros métodos de sonda de barrido. Las medidas repetidas son muy importantes por esta razón. Para la espectroscopia de capacitancia punto, teniendo muchas mediciones en sucesión en la misma ubicación ayuda a aumentar la relación señal-a-ruido e identificar señales espurias. Una vez que una característica de interés se ha identificado dentro de la imagen de acumulación de carga y la espectroscopia de...

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Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Sonda de barrido espectroscopía capacitancia solo electrón facilita el estudio del movimiento de un solo electrón en regiones bajo la superficie localizados. Un circuito de carga-detección sensible se incorpora en un microscopio de sonda de barrido criogénico para investigar pequeños sistemas de átomos de dopante debajo de la superficie de las muestras de semiconductores.

Sonda de barrido de un solo electrón espectroscopia de capacitancia

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

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