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 diskuteras här stöddes av Michigan State University Institute for Quantum Sciences och National Science Foundation DMR-0305461, DMR-0906939, och DMR-0.605.801. KW erkänner stöd från en US Department of Education GAANN Tvärvetenskapliga Bioelektronik Training Program gemenskap.

Ett. PROTOKOLL <ol><li> Första installationen av mikroskopet och elektronik <ol><li> Börja med en kryogen-kapabel scanning probe mikroskop med tillhörande styrelektronik. De mikroskop som används för den forskning som beskrivs här använda tröghetssystem översättning att &quot;gå&quot; provet mot och bort från spetsen utmed ramperna 13 (tillverkad av ett ledande material, såsom koppar, mässing, eller rostfritt stål för att göra det möjligt för dem att överföra förspänning till den prov...

<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 detaljerad förklaring av den teoretiska grunden för denna experimentella metod ges i Referenser 8 och 9 och diskuteras med avseende på det scenario av underjordiska dopningsmedel i referens 2, översikten presenteras här kommer därför att vara kortfattad och konceptuella. Spetsen behandlas som en platta av en kondensator, och det ledande skiktet som ligger under provet innefattar den andra plattan. Om likspänningen appliceras så att elektroner dras mot spetsen, och om det finns ett dopningsmedel atom belägen...

Subsurface laddningsansamling (SCA) imaging är en låg temperatur metod kan lösa enda elektron laddning händelser. När den appliceras till studien av dopämne atomer i halvledare kan metoden detektera enskilda elektroner in donator eller acceptor-atomer, vilket medger karakterisering av den kvantmekaniska strukturen för dessa minut system. Vid sitt hjärta, är SCA imaging en lokal kapacitansmätning 6 väl lämpad för kryogen användning. Eftersom kapacitans är baserat på elektriskt fält, är det en lång rad effekter som kan lösa laddning under isolerande ytor 6. Kryogen drift medger undersökning av en enda elektron rörelse och kvant nivå avstånd som skulle vara olöslig vid rumstemperatur 1,2. Tekniken kan tillämpas på alla system där elektron rörelse under en isolerande yta är viktigt, inklusive laddning dynamiken i tvådimensionella elektronsystem vid nedgrävda gränssnitt 7, för enkelhetens skull,<html> fokus här kommer att ligga på studier av halvledare dopningsmedel. På den mest schematiska nivå, behandlar denna teknik den scannade spets som en platta av en parallell-platta kondensator, även realistisk analys kräver en mer detaljerad beskrivning att ta hänsyn till krökningen av spetsen 8,9. Den andra plattan i denna modell är en nanoskala region i det underliggande ledande skiktet, såsom visas i fig. 1. I huvudsak som en avgift inträder ett dopningsmedel som svar på en periodisk excitation spänning, blir det närmare spetsen, denna rörelse inducerar mer bild avgift på spetsen, som detekteras med sensorkretsen 5. På liknande sätt som laddningen lämnar dopämne är bilden laddningen på spetsen minskat. Därav den periodiska laddning signalen som svar på excitation spänningen är den detekterade signalen - i huvudsak det är kapacitans, alltså denna mätning är ofta till som bestämning av CV egenskaper av systemet. tält &quot;&gt; Under kapacitansmätning, är den enda netto tunnling mellan det underliggande ledande skiktet och det dopämne skiktet -. debiterar aldrig tunnlar direkt på spetsen Bristen på direkt tunnling till eller från spetsen under mätningen är en viktig skillnad mellan detta Teknik och de mer välkända sveptunnelmikroskopi, är även om mycket av hårdvaran för detta system i huvudsak identisk med den hos en Sveptunnelmikroskop. Det är också viktigt att notera att SCA bildbehandling är inte direkt känsliga för statiska laddningar. För undersökningar av statisk laddning distributioner, scanning Kelvin probe mikroskopi eller elektrostatisk kraft mikroskopi är lämpligt Ytterligare cryogenic metoder för att undersöka lokala elektroniska beteende existerar som också har god elektronisk och spatial upplösning,. t.ex. scanning enda elektron transistor mikroskopi är en annan scanning probe metod som kan detektera minut laddning effekter 4,10. SCA imaging var ursprungligenutvecklats vid MIT från Tessmer, Glicofridis, Ashoori och medarbetare 7, och för övrigt kan den här beskrivna metoden betraktas som en scanning probe version av Single-Electron kapacitans spektroskopi metod utvecklad av Ashoori och medarbetare 11. En viktig del av mätningen är ett extremt känsligt laddning-detekteringskrets 5,12 med hög elektron mobilitet transistorer (HEMT), den kan uppnå en ljudnivå så låg som 0,01 elektroner / Hz ½ vid 0,3 K, basen temperatur kryostatens i referens 5. En sådan hög känslighet tillåter observation av en enda elektron laddning i underjordiska system. Denna metod lämpar sig för studier av elektron eller hål dynamik enskilda eller små grupper av dopningsmedel i halvledare, med typiska dopade ytdensiteter i storleksordningen 10 15 m -2 i ett plan geometri 2. Ett exempel på ett typiskt prov konfigurationen för denna typ av experiment visas i figur 1 </strong&gt;. Det dopämne skiktet är typiskt placerat några tiotal nanometer under ytan, det är viktigt att känna till de exakta avstånden mellan det underliggande ledande skiktet och det dopämne skiktet och mellan dopningsmedlet skiktet och provytan. I motsats till tunnling faller kapacitans inte av exponentiellt utan istället väsentligen minskar i omvänd proportion till avståndet. Följaktligen kan inte dopämnet djup i princip vara ännu djupare än tiotal nanometer under ytan, så länge som någon rimlig del av elektriskt fält landar på spetsen. För alla av de ovan nämnda kryogena lokala sonder av elektroniska beteende, däribland den teknik som beskrivs här, är rumsliga upplösningen begränsas av den geometriska storleken hos spetsen och genom avståndet mellan underytan kännetecknet av intresse och den avsökande sondspetsen.

<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

Integrationen av låg temperatur scanning-probe tekniker och enda elektron kapacitans spektroskopi är ett kraftfullt verktyg för att studera den elektroniska kvantstruktur små system - inklusive enskilda atom dopningsmedel i halvledare. Här presenterar vi en kapacitans-baserad metod, som kallas Subsurface laddningsansamling (SCA) imaging, som är i stånd att lösa en enda elektron laddning samtidigt uppnå tillräcklig rumslig upplösning för att avbilda enskilda atom dopningsmedel. Användningen av en kapacitans Tekniken möjliggör observation av underjordiska funktioner, t.ex. dopningsmedel begravda många nanometer under ytan av ett halvledarmaterial 1,2,3. I princip kan denna teknik kunna användas till alla system för att lösa elektron rörelse under en isolerande yta. Som i andra elektriskt fält-känsliga skannad-probe tekniker 4, beror den laterala rumsliga upplösningen av mätningen delvis på radien av curvature av mätspetsen. Använda tips med en liten krökningsradie kan möjliggöra rumsliga upplösningen av några tiotal nanometer. Denna fina rumsliga upplösningen tillåter undersökningar av små siffrorna (ner till en) av ytan dopningsmedel 1,2. Avgiften upplösningen beror mycket på hur känslig den avgift detektionskretsen, med hög elektron mobilitet transistorer (HEMT) i sådana kretsar vid låga temperaturer kan en känslighet på ca 0,01 elektroner / Hz ½ vid 0,3 K 5.

Den främsta indikatorn på en lyckad mätning är reproducerbarhet, mycket som i andra svepspetsmetoder. Upprepade mätningar är mycket viktiga för denna anledning. För punkt kapacitans spektroskopi, med många mätningar i följd på samma plats hjälper till att öka signal-till-brus-förhållande och identifiera falska signaler. När ett område av intresse har identifierats inom laddningsackumulering bilden och kapacitans spektroskopi har utförts, börjar tolkning av CV data genom a...

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

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-sond enda elektron kapacitans spektroskopi underlättar studiet av en enda elektron i lokaliserade underjordiska regioner. En känslig laddning-detektionskrets införlivas i en kryogen scanning probe mikroskop för att undersöka små system av dopämne atomer under ytan av halvledare prover.

Scanning-sond Single-elektron kapacitans 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-löst Photoemission spektroskopi på Ultra-låga 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 våg optiska parametriska 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

Undersöka enda molekyl Adhesion 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

Surface Enhanced Raman Spec detektion av biomolekyler Använda EBL Fabricated nanostrukturerade Substrat

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

Kisel-oxid-halvledare Quantum Dots för enkelelektron 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 Ramanspektroskopi av Extreme nanotrådar och andra 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

Hög upplösning Phonon-assisterad Quasi-resonans fluorescens spektroskopi

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

Fritt formulerade Ljus Ställdon - Fabrication och kontroll av aktivering i mikroskopisk skala

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; -embedded Si substrat med användning av svepspetsmikroskopi och 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

Tillämpa X-ray Imaging Crystal spektroskopi för användning som en hög temperatur 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 ...