Name: all-electronic nanosecond-resolved scanning tunneling microscopy: facilitating the investigation of single dopant charge dynamics
Uploaded: 2018-01-19T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics at JoVE.com

Vi vil gerne takke Martin Cloutier og Mark Salomons for deres tekniske ekspertise. Vi takker også NRC, NSERC og AITF for økonomisk støtte.

1. indledende opsætning af mikroskop og eksperimenter
<ol><li>Begynd med en ultrahigh vakuum kryogene-habil STM og tilhørende software kontrol. Cool STM til kryogene temperaturer. Bemærk: I hele denne betænkning, ultrahigh vakuum henviser til systemer, der opnår < 10 x 10-10 Torr. STM bør nedkøles til kryogene temperaturer; Dette er især vigtigt, når efterforskning opladning dynamikken i energiniveauerne, der termisk aktiveres ved beskedne temperaturer. Andre kamre kan være ved stuetemperatur.</...

<ol>
	<li>Nunes, G., Freeman, 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=.">.</a> Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), 1029-1032 (1993).</li><li>Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+scanning+tunneling+microscopy+with+1+nm+resolution.">Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution.</a> Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).</li><li>Takeuchi, O., Morita, R., Yamashita, M., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+time-resolved+scanning+tunneling+microscopy+in+femtosecond+range.">Development of time-resolved scanning tunneling microscopy in femtosecond range.</a> Jpn. J. Appl. Phys. 41 (7 B), 4994-4997 (2002).</li><li>Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-space+imaging+of+transient+carrier+dynamics+by+nanoscale+pump-probe+microscopy.">Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy.</a> Nat. Photon. 4 (12), 869-874 (2010).</li><li>Yoshida, S., Yokota, M., Takeuchi, O., Oigawa, H., Mera, Y., Shigekawa, 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-atomic-level+probe+of+transient+carrier+dynamics+by+laser-combined+scanning+tunneling+microscopy.">Single-atomic-level probe of transient carrier dynamics by laser-combined scanning tunneling microscopy.</a> Appl. Phys. Express. 6 (3), (2013).</li><li>Kloth, P., Wenderoth, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+time-resolved+atomic-scale+imaging+of+individual+donors+to+their+cooperative+dynamics.">From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics.</a> Science Ad. 3, (2017).</li><li>Cocker, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+ultrafast+terahertz+scanning+tunnelling+microscope.">An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope.</a> Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).</li><li>Yoshioka, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-space+coherent+manipulation+of+electrons+in+a+single+tunnel+junction+by+single-cycle+terahertz+electric+fields.">Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz electric fields.</a> Nat. Photon. 10 (12), 762-765 (2016).</li><li>Jelic, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+terahertz+control+of+extreme+tunnel+currents+through+single+atoms+on+a+silicon+surface.">Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface.</a> Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).</li><li>Cocker, T. L., Peller, D., Yu, P., Repp, J., Huber, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tracking+the+ultrafast+motion+of+a+single+molecule+by+femtosecond+orbital+imaging.">Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging.</a> Nature. 539 (7628), 263-267 (2016).</li><li>Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+Fast+Electron+Spin+Relaxation+Times+with+Atomic+Resolution.">Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution.</a> Science. 329 (5999), 1628-1630 (2010).</li><li>Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bistability+in+Atomic-Scale+Antiferromagnets.">Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets.</a> Science. 335 (6065), (2012).</li><li>Baumann, S., Paul, W., Choi, T., Lutz, C. P., Ardavan, A., Heinrich, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+paramagnetic+resonance+of+individual+atoms+on+a+surface.">Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface.</a> Science. 350 (6259), 417-420 (2015).</li><li>Yan, S., Choi, D. -. J., Burgess, J. A. J., Rolf-Pissarczyk, S., Loth, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+quantum+magnets+by+atomic+exchange+bias.">Control of quantum magnets by atomic exchange bias.</a> Nat. Nano. 10 (1), 40-45 (2014).</li><li>Rashidi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-Resolved+Imaging+of+Negative+Differential+Resistance+on+the+Atomic+Scale.">Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale.</a> Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805 (2016).</li><li>Rashidi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+single+dopant+charge+dynamics+in+silicon.">Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon.</a> Nat. Comm. 7, 13258 (2016).</li><li>Koenraad, P. M., Flatt&#233;, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+dopants+in+semiconductors.">Single dopants in semiconductors.</a> Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).</li><li>Kane, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+silicon-based+nuclear+spin+quantum+computer.">A silicon-based nuclear spin quantum computer.</a> Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).</li><li>Freer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+single-atom+quantum+memory+in+silicon.">A single-atom quantum memory in silicon.</a> Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).</li><li>Fuechsle, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+single-atom+transistor.">A single-atom transistor.</a> Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. c., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+oxidation+of+H-passivated+Si(100)-2&#215;1+surfaces+with+an+ultrahigh+vacuum+scanning+tunneling+microscope.">Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2&#215;1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope.</a> Appl. Phys. Lett. 64 (118), 2010-2012 (1994).</li><li>Livadaru, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dangling-bond+charge+qubit+on+a+silicon+surface.">Dangling-bond charge qubit on a silicon surface.</a> New J. Phys. 12 (8), 83018 (2010).</li><li>Haider, M. B., Pitters, J. L., DiLabio, G. A., Livadaru, L., Mutus, J. Y., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Coupling+and+Occupation+of+Silicon+Atomic+Quantum+Dots+at+Room+Temperature.">Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature.</a> Phys. Rev. Lett. 102 (4), 46805 (2009).</li><li>Taucer, M., et al. <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+Dynamics+of+an+Atomic+Silicon+Quantum+Dot+on+the+H+-+Si+(100)-(2x1)+Surface.">Single-Electron Dynamics of an Atomic Silicon Quantum Dot on the H - Si (100)-(2x1) Surface.</a> Phys. Rev. Lett. 112 (25), 256801 (2014).</li><li>Engelund, M., Papior, N., Brandimarte, P., Frederiksen, T., Garcia-Lekue, A., S&#225;nchez-Portal, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Search+for+a+Metallic+Dangling-Bond+Wire+on+n+-Doped+H-Passivated+Semiconductor+Surfaces.">Search for a Metallic Dangling-Bond Wire on n -Doped H-Passivated Semiconductor Surfaces.</a> J. Phys. Chem. C. 120 (36), 20303-20309 (2016).</li><li>Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+Transport+in+Gated+Dangling-Bond+Atomic+Wires.">Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires.</a> Nano Lett. 17, 322-327 (2017).</li><li>Kolmer, M., Zuzak, R., Dridi, G., Godlewski, S., Joachim, C., Szymonski, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+a+quantum+Hamiltonian+Boolean+logic+gate+on+the+Si(001):H+surface.">Realization of a quantum Hamiltonian Boolean logic gate on the Si(001):H surface.</a> Nanoscale. 7, 12325-12330 (2015).</li><li>Schofield, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+engineering+at+the+silicon+surface+using+dangling+bonds.">Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds.</a> Nat. Comm. 4, 1649 (2013).</li><li>Wood, J. A., Rashidi, M., Koleini, M., Pitters, J. L., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+Silicon+Atom+Artificial+Molecules.">Multiple Silicon Atom Artificial Molecules.</a> https://arxiv.org/abs/1607.06050. , (2016).</li><li>Pitters, J. L., Piva, P. G., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dopant+depletion+in+the+near+surface+region+of+thermally+prepared+silicon+(100)+in+UHV.">Dopant depletion in the near surface region of thermally prepared silicon (100) in UHV.</a> J. Vac. Sci. Technol. 30 (2), 21806 (2012).</li><li>Grosse, C., Etzkorn, M., Kuhnke, K., Loth, S., Kern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+mapping+of+fast+voltage+pulses+in+tunnel+junctions+by+plasmonic+luminescence.">Quantitative mapping of fast voltage pulses in tunnel junctions by plasmonic luminescence.</a> Appl. Phys. Lett. 103 (18), (2013).</li><li>Boland, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+tunnelling+microscopy+of+the+interaction+of+hydrogen+with+silicon+surfaces.">Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces.</a> Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).</li><li>Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tungsten+nanotip+fabrication+by+spatially+controlled+field-assisted+reaction+with+nitrogen.">Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen.</a> J. Chem. Phys. 124, 204716 (2006).</li><li>Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Versatile+scanning+tunneling+microscopy+with+120+ps+time+resolution.">Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).</li></ol>

Varianten af TR-STS, pumpe puls ikke gælder er sammenlignelig med konventionelle STS, bortset fra at systemet er at være udtaget på en høj frekvens i stedet for løbende. Hvis varigheden af sonden bælgfrugter er hensigtsmæssige (>ΓLH), TR-STS signal erhvervet uden pumpe pulsen kan multipliceres med en konstant proportional med det eksperiment normeret maksimalydelse præcis med en konventionel STS måling. Dette er kun muligt, fordi målingerne er lavet uden brug af en lock-in forstærker, som ...

Scanning tunneling mikroskopi (STM) er blevet det førende værktøj i nanoscience for sin evne til at løse atomic-scale topografi og elektroniske struktur. En begrænsning af konventionelle STM, er imidlertid, at dens tidsmæssige opløsning er begrænset til millisekund tidsskalaen på grund af den begrænsede båndbredde på den nuværende forforstærker1. Det har længe været et mål at udvide STMS tidsmæssige opløsning til skalaer som atomare processer almindeligt forekommende. Den banebrydende arbejde tidsopløst scanning tunneling mikroskopi (TR-STM) af Freeman et. al. 1 udnyttede photoconductive switche og mikrostrip transmissionsledninger mønstret på prøve at overføre Pico spænding pulser til tunnel junction. Denne blanding af krydset teknik er blevet brugt til at opnå samtidige beslutninger fra 1 nm og 20 ps2, men det er aldrig blevet bredt vedtaget på grund af kravet om ved hjælp af specialiseret prøve strukturer. Heldigvis, den grundlæggende indsigt fra disse værker kan generaliseres til mange tidsopløst teknikker; selv om båndbredde af STMS kredsløb er begrænset til flere kilohertz, den ikke-lineære opdrætternes svar i STM giver mulighed for hurtigere dynamics til at blive aftestede ved at måle den gennemsnitlige tunnel nuværende opnået over mange pumpe-sonde cyklusser. I de mellemliggende år, mange tilgange har været undersøgt, de mest populære som er kort gennemgået nedenfor.
Rystet-pulse-par-ophidset (SPPX) STM udnytter fremskridt i ultrahurtig pulserende laser teknologier til at opnå sub Pico opløsning ved direkte lysende tunnel junction og spændende luftfartsselskaber i eksempel3. Hændelse laserlys skaber gratis luftfartsselskaber, der forbigående forbedrer overledning, og graduering af forsinkelse mellem pumpen og sonde (td) tillader djeg/dtd skal måles med en lock-in forstærker. Fordi forsinkelse mellem pumpen og sonde er moduleret snarere end laser intensitet, som i mange andre optiske tilgange, undgår SPPX-STM foto belysning-induceret termisk udvidelse af spidsen3. Nyere udvidelser af denne tilgang har udvidet de tidsfrister, som SPPX-STM kan bruges til at undersøge dynamik ved at udnytte pulse-picking teknikker til at øge vifte af pumpe-sonde forsinkelse gange4. Vigtigst, giver denne seneste udvikling også mulighed for at måle, jeg(td) kurver direkte snarere end via numerisk integration. Seneste programmer af SPPX-STM har inkluderet studiet af carrier rekombination i enkelt-(Mn, Fe)/GaAs(110) strukturer5 og donor dynamik i GaAs6. Anvendelser af SPPX-STM står over for nogle begrænsninger. Signalet SPPX-STM foranstaltninger afhænger af gratis luftfartsselskaber ophidset af de optiske pulser og er bedst egnet til halvledere. Desuden, selv om den tunneling nuværende er lokaliseret på spidsen, fordi et stort område er begejstrede for de optiske pulser, er signalet en foldning af den lokale egenskaber og materiale transport. Endelig, bias ved krydset er fast på måling tidsskalaen således at dynamics under undersøgelse skal være lysinducerede.
En nyere optisk teknik, terahertz STM (THz-STM), par gratis plads THz pulser fokuseret på krydset STM-tip. I modsætning til i SPPX-STM, de koblede pulser opfører sig som fast spænding pulser giver mulighed for undersøgelse af elektronisk drevet excitationer med sub Pico opløsning7. Interessant nok, genereret den rektificeret aktuelle fra THz pulser resultater i ekstreme peak strømtætheder ikke tilgængelig af konventionelle STM8,9. Teknikken er blevet brugt for nylig at studere hot elektroner i Si(111)-(7x7)9 og image vibrationer i en enkelt pentacene molekyle10. THz-pulser naturligvis par på spidsen, men nødvendigheden af at integrere en THz kilde til et STM eksperiment er tilbøjelige til at være en udfordring at mange eksperimentatorer. Dette motiverer udviklingen af andre almindeligt gældende og let gennemførlige teknikker.
I 2010, siger et al. 11 udviklet en all-elektroniske teknik hvor nanosekund spænding pulser anvendes på toppen af en DC offset elektronisk pumpe og sonde systemet11. Indførelsen af denne teknik tilbydes en kritisk demonstration af entydige og praktiske anvendelser af tidsopløst STM at måle tidligere ubemærket fysik. Selv om det ikke er så hurtigt som krydset blanding STM, der gik forud, tillader anvende mikrobølgeovn pulser på STM-tip vilkårlige prøver skal undersøges. Denne teknik kræver ikke nogen kompliceret optiske metoder eller optisk adgang til STM krydset. Dette gør det den nemmeste teknik til at tilpasse sig til lav temperatur STM'er. Den første demonstration af disse teknikker blev anvendt til undersøgelse af spin-dynamics hvor en spin-polariseret STM blev brugt til at måle afslapning dynamikken i spin-stater ophidset af pumpe pulser11. Indtil for nylig, dens anvendelse forblev begrænset til magnetiske adatom systemer12,13,14 , men har siden blevet udvidet til studiet af carrier capture sats fra et diskret midten hul tilstand15 og opkræve dynamics af enkelt arsen energiniveauerne i silicon15,16. Den sidstnævnte studie er fokus for dette arbejde.
Undersøgelser af enkelt energiniveauerne i halvledere egenskaber har for nylig sig stor opmærksomhed, fordi komplementær metal oxide semiconductor (CMOS) enheder nu indtaster regimet hvor enkelt energiniveauerne kan påvirke enhedsegenskaber17 . Derudover har flere undersøgelser vist at enkelt energiniveauerne kan tjene som den grundlæggende komponent i fremtidige enheder, for eksempel som qubits for kvante beregning18 og quantum hukommelse19, og som enkelt atom transistorer20 , 15. fremtidige enheder kan også omfatte andre atomic-scale defekter, såsom silicium dinglende bond (DB), som kan være mønstrede med atomic præcision med STM litografi21. Med henblik herpå, DBs er blevet foreslået som afgift qubits22, quantum dots for quantum cellulære automata arkitekturer23,24, og atomic ledninger25,26 og har været mønstrede for at oprette Quantum Hamiltonske logik gates27 og kunstige molekyler28,29. Bevæger sig fremad, kan enheder omfatte både enkelt energiniveauerne og DBs. Dette er en attraktiv strategi, fordi DBs overfladefejl, der let kan karakteriseres med STM og bruges som et håndtag til at karakterisere enkelt dopant enheder. Som et eksempel på denne strategi, er DBs bruges i dette arbejde som afgift sensorer til at udlede nær overfladen energiniveauerne opladning dynamik. Disse dynamikker er fanget med brug af en all-elektronisk tilgang til TR-STM, der er tilpasset fra teknikker udviklet af nødig et al. 11
Målingerne udføres på udvalgte DBs på en hydrogen opsagt Si(100)-(2x1) overflade. En dopant nedbrydning region udvider ca 60 nm under overfladen, oprettet via termisk behandling af krystal30, decouples DB og de få resterende nær overfladen energiniveauerne fra bulk bands. STM undersøgelser af DBs har fundet, at deres ledningsevne er afhængig af globale prøve parametre, såsom koncentrationen af energiniveauerne og temperatur, men enkelte DBs viser også stærk variationer afhængigt af deres lokale miljø16. Under en STM måling over en enkelt DB, den nuværende flow er styret af den hastighed, hvormed elektroner kan tunnel fra bulk til DB (Γbulk) og fra DB til spids (Γtip) (figur 1). Men fordi overledning af DB er følsomme over for sin lokale miljø, afgift tilstand af nærliggende energiniveauerne påvirker Γbulk (figur 1B), som kan udledes af overvågningen DBS ledningsevne. Som et resultat, ledningsevne i en DB kan bruges til at fornemme charge staterne af nærliggende energiniveauerne, og kan bruges til at bestemme de satser, hvormed energiniveauerne er leveret elektroner fra bulk (ΓLH) og miste dem til STM-tip (ΓHL < / c13 >). Du kan løse disse dynamikker, er TR-STS udført omkring tærskel spænding (Vthr) hvor spidsen inducerer ionisering af nær overfladen energiniveauerne. Rollen som de pumpe og sonde pulser er den samme i de tre tidsopløst eksperimentelle teknikker præsenteret her. Pumpen bringer forbigående bias niveauet fra neden ovenfor Vthr, som inducerer dopant ionisering. Dette øger konduktans af DB, som er udtaget af sonden pulsen, der følger på en lavere bias.
De teknikker, der er beskrevet i denne hvidbog vil gavne dem, der ønsker at karakterisere dynamics forekommer på millisekund til nanosekund tidsskalaen med STM. Mens disse teknikker ikke er begrænset til at studere afgift dynamics, er det afgørende, at dynamikken er manifesteret via forbigående ændringer i ledningsevne af stater, der kan blive aftestede af STM (dvs. stater på eller nær overfladen). Hvis ledningsevne af de forbigående stater ikke afviger væsentligt fra tilstanden balance således, at forskellen mellem de forbigående og ligevægt strømninger ganges med er sonden puls normeret maksimalydelse mindre end systemer støj gulv (typisk 1 pA), signalet vil gå tabt i støj og vil ikke kunne påvises ved denne teknik. Fordi de eksperimentelle ændringer af kommercielt tilgængelige STM systemer kræves for at udføre de teknikker, der er beskrevet i denne hvidbog er beskedne, forventes disse teknikker vil være bredt tilgængelige for Fællesskabet.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1051">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">Low Temperature Scanning Tunneling Microscope</td>
			<td style="width:133px;">Scientaomicron</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:359px;">Custom-made with 500MHz bandwidth wiring&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">Arbitarary Function Genorator</td>
			<td>Tektronix&#160;</td>
			<td style="width:119px;">AFG3252C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">RF Power Splitter/ Combiner</td>
			<td style="width:133px;">Mini-Circuits</td>
			<td style="width:119px;">ZFRSC-42-S +</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">RF Switch</td>
			<td style="width:133px;">Mini-Circuits</td>
			<td>X80-DR230-S +</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:440px;">Non-Contact Infrared Pyrometers</td>
			<td style="width:133px;">Micron Infrared</td>
			<td>MI 140</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

all-electronic nanosecond-resolved scanning tunneling microscopy: facilitating the investigation of single dopant charge dynamics

Miniaturisering af halvlederkomponenter til skalaer hvor lille antal energiniveauerne kan styre enhedsegenskaber kræver udvikling af nye teknikker i stand til at karakterisere deres dynamics. Undersøge enkelt energiniveauerne kræver sub nanometer rumlige opløsning, som motiverer brugen af scanning tunneling mikroskopi (STM). Konventionelle STM er dog begrænset til millisekund tidsmæssige opløsning. Flere metoder er blevet udviklet for at overvinde denne mangel, herunder alle-elektroniske tidsopløst STM, som anvendes i denne undersøgelse for at undersøge dopant dynamics silicium med nanosekund opløsning. De metoder, der præsenteres her er bredt tilgængelige og giver mulighed for lokal måling af en bred vifte af dynamik på atomar skala. En roman tidsopløst scanning tunneling spektroskopi teknik er præsenteret og brugt effektivt søge efter dynamics.

Resultaterne præsenteres i dette afsnit af teksten har været tidligere udgivne15,16. Figur 3 illustrerer funktionsmåden for eksempel valgt DB med konventionelle STM. En konventionel opdrætternes måling (figur 3A) tydeligt skildrer en skarp ændring i ledningsevne af DB ved Vthr =-2.0 V. Denne funktionsmåde er også observeret i STM billeder taget...

Watch this Scientific Journal Video about All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics at JoVE.com

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

Vi demonstrere en all-elektroniske metode til at observere nanosekund-løst afgift dynamikken i dopant atomer silicium med en scanning tunneling mikroskop.

All-elektroniske nanosekund-løst Scanning Tunneling Mikroskopi: At lette undersøgelsen af enkelt Dopant afgift Dynamics

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Høst Solar energi ved hjælp af Charge-separerende nanokrystaller og deres Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-sonde Single-elektron Capacitance spektroskopi

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

Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Fremstilling af Gate-afstemmelige Graphene Devices for Scanning Tunneling Mikroskopi Undersøgelser med Coulomb urenheder

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Spektroskopisk Boundary Layer Undersøgelse under ablative Material Testing i PlasmaTron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography (CT) and Light Microscopy (LM) Correlated with Scanning Electron Microscopy (SEM)

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography CT and Light Microscopy LM Correlated with Scanning Electron Microscopy SEM

I Dybde Analyser af lysdioder ved en kombination af X-ray Computed Tomography (CT) og Light Microscopy (LM) korreleret med Scanning Electron Microscopy (SEM)

In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of ...

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

sondering C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si Underlag Brug Scanning Probe Microscopy 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 ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studere dynamiske processer af Nano-størrelse Objekter i Liquid hjælp Scanning Transmission Electron Microscopy

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

Precision Milling af kulstof nanorør skove Brug Low Pressure Scanning Electron Microscopy

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning ...

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

Målinger af kulstof i jorden af Neutron-Gamma analyse i statisk og Scanning tilstande

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

Encifrede Nanometer Electron-Beam litografi med en Aberration-korrigeret Scanning transmissions elektron mikroskop

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...