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

Vorremmo ringraziare Martin Cloutier e Mark Salomons per la loro competenza tecnica. Ringraziamo anche NRC, NSERC e AITF sostegno finanziario.

1. il primo Setup di microscopio e gli esperimenti
<ol><li>Iniziare con un'altissima STM criogenico capace di vuoto e software di controllo associato. Raffreddare la STM a temperature criogeniche. Nota: In questo rapporto, vuoto ultraelevato si riferisce a sistemi che raggiungere < 10 x 10-10 Torr. La STM deve essere raffreddato a temperature criogeniche; Ciò è particolarmente importante quando studia le dinamiche di carica di droganti, che sono attivati termicamente a temperature modeste. Altre camere ...

<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>

La variante del TR-STS in cui non viene applicato l'impulso di pompa è paragonabile a STS convenzionale, ad eccezione del fatto che il sistema viene campionato ad alta frequenza, piuttosto che continuamente. Se le durate degli impulsi di sonda sono appropriate (>ΓLH), il TR-STS segnale acquisito senza l'impulso di pompa può essere moltiplicato per una costante proporzionale al ciclo di dovere dell'esperimento in modo da coincidere esattamente con un convenzionale STS unità di misura. Questo è pos...

Scansione a effetto tunnel (STM) la microscopia è diventato lo strumento premier in nanoscience per la sua capacità di risolvere su scala atomica topografia e struttura elettronica. Una limitazione di STM convenzionale, tuttavia, è che la risoluzione temporale è limitata alla scala cronologica millisecondo a causa della limitata larghezza di banda del preamplificatore attuale1. E ' stato a lungo un obiettivo di estendere la risoluzione temporale di STM per le scale su cui comunemente si verificano processi atomici. Il pionieristico lavoro in microscopia a scansione (TR-STM) risolto tempo da Freeman et al. 1 utilizzato fotoconduttivi interruttori e linee di trasmissione microstrip modellati sull'esempio di trasmettere impulsi di tensione di picosecondi fino allo svincolo di tunnel. Questa tecnica di giunzione di miscelazione è stata utilizzata per raggiungere risoluzioni simultanee di 1 nm e 20 ps2, ma mai è stato ampiamente adottato a causa della necessità di utilizzare strutture specializzate del campione. Fortunatamente, l'intuizione fondamentale che ha guadagnato da queste opere può essere generalizzata a molte tecniche risolta nel tempo; anche se la larghezza di banda di circuiteria di STM è limitato a parecchi kilohertz, la risposta non-lineare perpendicolarmente in STM permette dinamiche più veloce per essere sondata misurando la corrente di tunnelling medio ottenuto sopra molti cicli di pompa-sonda. Negli anni successivi, molti approcci sono stati esplorati, il più popolare dei quali brevemente sono esaminato qui di seguito.
Scosso-impulso-coppia-eccitato STM (SPPX) sfrutta i progressi nelle tecnologie laser pulsato ultraveloce per ottenere risoluzione sub-picosecondi di illuminare direttamente la giunzione tunnel ed emozionante vettori in esempio3. Luce laser incidente crea elementi portanti liberi che migliorano transitoriamente la conduzione, e modulazione del ritardo tra la pompa e la sonda (td) permette dho/dtd essere misurato con un lock-in amplifier. Poiché il ritardo tra la pompa e la sonda è modulato piuttosto che di intensità del laser, come in molti altri approcci ottici, SPPX-STM evita foto illuminazione-indotta espansione termica della punta3. Le estensioni più recenti di questo approccio hanno esteso le tempistiche sopra cui SPPX-STM può essere utilizzato per studiare la dinamica utilizzando tecniche di impulso-picking per aumentare la portata della pompa-sonda ritardo volte4. D'importanza, questo recente sviluppo fornisce anche la possibilità di misurare le curve ho(td) direttamente anziché tramite integrazione numerica. Recenti applicazioni di SPPX-STM hanno incluso lo studio di ricombinazione di vettore in singolo-(Mn, Fe)/GaAs(110) strutture dinamiche5 e donatore in GaAs6. Applicazioni di SPPX-STM alcune restrizioni. Il segnale CHE SPPX-STM misura dipende da elementi portanti liberi eccitati da impulsi ottici ed è più adatto ai semiconduttori. Inoltre, anche se la corrente di tunneling è localizzato alla punta, perché una grande area è eccitata da impulsi ottici, il segnale è una convoluzione di proprietà locale e trasporto materiale. Infine, il bias al bivio è fissato presso la scala di misurazione cronologica affinché la dinamica in fase di studio deve essere fotoindotti.
Una tecnica più recente ottica, terahertz (THz-STM), STM coppie impulsi THz spazio incentrati sulla diramazione per la punta STM. A differenza di SPPX-STM, gli impulsi accoppiati si comportano come impulsi di tensione veloce che consente per l'indagine di eccitazioni elettronicamente guidati con Sub-picosecondi risoluzione7. È interessante notare che, la corrente raddrizzata generata dagli impulsi THz risultati in densità di corrente di picco estreme non accessibile da convenzionale STM8,9. La tecnica è stata utilizzata recentemente per studiare gli elettroni caldi in Si(111)-(7x7)9 e la vibrazione di una molecola di pentacene singolo10di immagine. THz-impulsi coppia naturalmente alla punta, tuttavia, la necessità di integrare una fonte THz per un esperimento STM è probabile che sia difficile da molti sperimentatori. Questo motiva lo sviluppo di altre tecniche ampiamente applicabile e facilmente attuabile.
Nel 2010, restio et al. 11 sviluppato una tecnica tutto-elettronico cui impulsi di tensione di nanosecondo applicati sopra un offset DC elettronicamente pompa e il sistema11della sonda. L'introduzione di questa tecnica offerto una dimostrazione critica delle applicazioni inequivocabili e pratiche di STM risolta nel tempo per misurare fisica precedentemente inosservata. Anche se non è veloce come giunzione miscelazione STM, che ha preceduto, l'applicazione di impulsi a microonde fino alla punta STM permette arbitrari campioni per essere studiato. Questa tecnica non richiede alcun complicati metodologie ottici o accesso ottico fino al bivio STM. Questo rende la tecnica più semplice adattarsi a bassa temperatura STMs. La prima dimostrazione di queste tecniche è stata applicata allo studio della dinamica di spin dove un STM polarizzata in spin è stato utilizzato per misurare la dinamica di rilassamento degli spin-stati eccitati da impulsi pompa11. Fino a poco tempo, la sua applicazione è rimasta limitata al magnetico tengono sistemi12,13,14 , ma ha poiché stato esteso allo studio della velocità di cattura di vettore da un discreto gap metà stato15 e carica dinamica di droganti singolo arsenico in silicio15,16. Lo studio di quest'ultimo è il focus di questo lavoro.
Studi sulle proprietà delle singole droganti nei semiconduttori recentemente hanno attirato l'attenzione significativa perché dispositivi a semiconduttore (CMOS) ossido di metallo complementare entrano ora il regime cui singole droganti possono influenzare Proprietà dispositivo17 . Inoltre, parecchi studi hanno dimostrato che singole droganti possono servire come componente fondamentale dei futuri dispositivi, ad esempio come qubits per quantum calcolo18 e quantum memoria19e come singolo atomo transistor20 , 15. dispositivi di futuro possono anche includere altri difetti su scala atomica, quali il silicio penzoloni bond (DB) che può essere modellato con precisione atomica con STM Litografia21. A tal fine, DBs sono stati proposti come carica qubits22, punti quantici per quantum automi cellulari architetture23,24e fili atomici25,26 e sono state modellate per creare 27 e28,di molecole artificiali29cancelli logica Hamiltoniana quantistica. Andando avanti, dispositivi possono incorporare sia singole droganti e DBs. Si tratta di un'attraente strategia perché DBs sono difetti superficiali che facilmente possono essere caratterizzati con STM e utilizzati come un handle per la caratterizzazione di dispositivi drogante singolo. Come esempio di questa strategia, DBs sono utilizzati in questo lavoro come sensori di carica per dedurre la carica dinamica di droganti vicino alla superficie. Queste dinamiche vengono acquisite con l'uso di un approccio tutto-elettronico al TR-STM che è adattato dalle tecniche sviluppate da Loth et al. 11
Misurazioni eseguite su DBs selezionato su una superficie di Si(100)-(2x1) di idrogeno è terminato. Una regione di svuotamento di drogante che si estende circa 60 nm sotto la superficie, creato tramite trattamento termico del cristallo30, disaccoppia il DB e i pochi restanti vicino alla superficie droganti dalle bande di massa. Gli studi STM di DBs hanno trovato che loro conduttanza è dipendente da parametri del campione globale, quali la concentrazione di droganti e la temperatura, ma singoli DBs mostrano anche forti variazioni a seconda del loro ambiente locale16. Durante una misurazione di STM nel corso di un singolo DB, il flusso di corrente è regolato dal tasso a cui gli elettroni possono tunnel dalla maggior parte al DB (Γalla rinfusa) e dal DB fino alla punta (puntaΓ) (Figura 1). Tuttavia, poiché la conduzione del DB è sensibile al suo ambiente locale, lo stato di carica della vicinanze droganti influenze Γmassa (Figura 1B), che possono essere dedotte mediante monitoraggio conduttanza del DB. Di conseguenza, la conduttanza di un DB può essere utilizzata per rilevare gli Stati di carica di droganti nelle vicinanze e può essere utilizzata per determinare le tariffe a cui i droganti sono forniti gli elettroni dalla massa (ΓLH) e li perdono fino alla punta STM (ΓHL < / c13 >). Per risolvere queste dinamiche, TR-STS viene eseguita intorno le tensioni di soglia (Vthr) in cui la punta induce la ionizzazione di droganti vicino alla superficie. Il ruolo degli impulsi di pompa e sonda è lo stesso nelle tre tecniche sperimentali risolta in tempo qui presentate. La pompa transitoriamente porta il livello di polarizzazione da sotto a sopra Vthr, che induce la ionizzazione di drogante. Questo aumenta la conduttanza del DB, che è campionata dall'impulso di sonda che segue a una distorsione inferiore.
Le tecniche descritte in questo documento saranno particolarmente coloro che desiderano caratterizzare le dinamiche che si verificano su al millisecondo alla scala cronologica di nanosecondi con STM. Sebbene queste tecniche non sono limitate a studiare carica dinamica, è essenziale che le dinamiche sono manifesta attraverso cambiamenti transitori nella conduttanza degli Stati che possono essere sondati da STM (cioè, stati su o vicino alla superficie). Se la conduttanza degli stati transitori non differisce significativamente dallo stato di equilibrio, tale che moltiplicato per la differenza tra le correnti transitori ed equilibrio il ciclo di dovere di impulso sonda è minore il rumore di fondo di sistemi (in genere 1 pA), il segnale sarà perso nel rumore e non sarà rilevabile da questa tecnica. Perché le modifiche sperimentali dei sistemi STM commercialmente disponibili necessari per eseguire le tecniche descritte in questo documento sono modeste, si prevede che queste tecniche saranno ampiamente accessibili alla comunità.

<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

La miniaturizzazione dei dispositivi a semiconduttore alle scale dove un piccolo numero di droganti possa controllare le proprietà della periferica richiede lo sviluppo di nuove tecniche in grado di caratterizzare la loro dinamica. Indagando su singole droganti richiede risoluzione spaziale sub-nanometrica, che motiva l'uso di microscopia a scansione (STM). Tuttavia, STM convenzionale è limitata alla risoluzione temporale di millisecondo. Diversi metodi sono stati sviluppati per superare questa carenza, tra cui tutto-elettronico STM risolta in tempo, che viene utilizzato in questo studio per esaminare la dinamica di drogante nel silicio con risoluzione nanosecondo. I metodi presentati qui sono ampiamente accessibili e permettono per misura locale di una vasta gamma di dinamica su scala atomica. Un romanzo tempo-risolta scanning tunneling tecnica di spettroscopia è presentato e utilizzato per cercare in modo efficace per dynamics.

I risultati presentati in questa sezione del testo sono stati precedentemente pubblicati15,16. Nella figura 3 viene illustrato il comportamento di un esempio selezionato DB con STM convenzionali. Una misurazione perpendicolarmente convenzionale (Figura 3A) rappresenta chiaramente un brusco cambiamento nella conduttanza del DB a Vthr = -2,0 V. Questo co...

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

Dimostriamo un metodo tutto-elettronico per osservare le dinamiche di nanosecondo-risolto carica degli atomi di drogante nel silicio con un microscopio a effetto tunnel.

Tutto-elettronico nanosecondo-risolto scansione microscopio a effetto tunnel: Agevolare le indagini di drogante singola carica dinamica

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

Raccolta di energia solare per mezzo di separatori di carica-nanocristalli e loro Solidi

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

Ricerca

Ingegneria

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

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

Fabbricazione di gate-sintonizzabili dispositivi di grafene per effetto tunnel studi di microscopia con Coulomb impurità

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

Emissione spettroscopica Boundary Investigation strato durante ablativo Material Testing in 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)

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In analisi di profondità di LED da una combinazione di raggi X Tomografia Computerizzata (TC) e microscopia ottica (LM) correlata con microscopia elettronica a scansione (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

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probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -Embedded Si sottofondo mediante scansione di sonda e microscopia dinamica molecolare

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

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

Precisione fresatura di Nanotubi di carbonio delle foreste Utilizzando bassa pressione 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

Misure del carbonio nel suolo di neutroni-Gamma analisi statica e modalità di scansione

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

Cifra nanometri Litografia di fascio di elettroni con un microscopio elettronico di aberrazione-corretta scansione trasmissione

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