-Sonda de varredura único elétron Espectroscopia de capacitância

Acumulação de imagem de carga subsuperfície (SCA) é um método de baixa temperatura capaz de resolver os eventos de carga de um único elétron. Quando aplicada ao estudo de átomos dopantes em semicondutores, o método pode detectar electrões individuais entram átomos doadores ou aceitador, o que permite a caracterização da estrutura quântica destes sistemas minutos. Na sua essência, SCA de imagem é um local de medição de capacitância ⁶ adequado para operação criogênica. Porque capacitância é baseado no campo elétrico, é um efeito de longo alcance que pode resolver o carregamento sob isolamento superfícies ^6. Operação criogênica permite a investigação de movimento de um único elétron e espaçamento nível quântico que seria insolúvel à temperatura ambiente ^1,2. A técnica pode ser aplicada a qualquer sistema em que o movimento de electrões a seguir uma superfície de isolamento é importante, incluindo as dinâmicas de carga em sistemas de electrões bidimensionais nas interfaces enterrados ^7, por brevidade, o foco aqui será em estudos de dopantes semicondutores.

No nível mais esquemática, esta técnica trata a ponta digitalizada como uma placa de um condensador de placas paralelas, embora a análise realista requer uma descrição mais detalhada para a conta para a curvatura da ponta ^8,9. A outra placa neste modelo é uma região nanoescala da camada condutora subjacente, conforme mostrado na Figura 1. Essencialmente, tal como uma carga de entrada de um contaminante em resposta a uma tensão de excitação periódica, que fica mais perto da ponta, o que induz o movimento da imagem mais carga na ponta, que é detectada com um circuito de sensor ^5. Da mesma forma, como a carga sai do dopante, a carga na ponta da imagem é reduzida. Assim, o sinal periódico de carga em resposta à tensão de excitação é o sinal detectado – essencialmente é a capacitância, assim esta medição é frequentemente referida como a determinação das características do sistema de CV.

tenda "> Durante a medição de capacitância, o túnel só net é entre a camada condutora subjacente ea camada dopante -. taxa nunca túneis diretamente na ponta A falta de tunelamento ou da ponta direta durante a medição é uma importante diferença entre esta técnica e da microscopia de tunelamento mais familiar, embora a maior parte do hardware para este sistema é essencialmente idêntico ao de um microscópio de varredura por tunelamento. Também é importante notar que a SCA de imagem não é diretamente sensível a cargas estáticas. Para investigações de carga estática distribuições, Kelvin sonda de microscopia ou microscopia de força eletrostática digitalização é apropriado métodos criogênicos adicionais para examinar o comportamento eletrônico locais existem que também têm boa resolução eletrônica e espacial;., por exemplo, microscopia transistor único eletrônica de varredura é um outro método de varredura por sonda capaz de detectar minutos de carga efeitos ^4,10. SCA imagem foi originalmentedesenvolvido no MIT por Tessmer, Glicofridis, Ashoori, e co-trabalhadores ^7, além disso, o método descrito aqui pode ser considerado como uma versão do método de espectroscopia de capacitância Single-Electron desenvolvido por Ashoori e colaboradores ¹¹ sonda de varredura. Um elemento-chave da medição é um circuito de detecção de carga extremamente sensível ^5,12 usando transistores de elétrons de alta mobilidade (HEMT), que pode atingir um nível de ruído tão baixo quanto 0,01 elétrons / Hz ^½ de 0,3 K, a temperatura da base do criostato em 5 de Referência. Essa alta sensibilidade permite a observação de carga de um único elétron em sistemas subsuperficiais. Este método é adequado para o estudo da dinâmica de elétrons ou de buracos individuais ou pequenos grupos de dopantes em semicondutores, com densidades de área dopantes típicos da ordem de 10 ¹⁵ m ^-2 em uma geometria plana ^2. Um exemplo de uma configuração de exemplo típico para este tipo de experiência é apresentado na Figura 1 </strong>. A camada de contaminante é geralmente posicionada de algumas dezenas de nanómetros abaixo da superfície, é importante conhecer as distâncias exactas entre a camada condutora subjacente e a camada de contaminante, e entre a camada de contaminante e a superfície da amostra. Em contraste com a construção de túneis, capacitância não cair exponencialmente, mas sim essencialmente diminui na proporção inversa da distância. Assim, a profundidade de contaminante pode, em princípio, ser ainda mais profundo do que dezenas de nanómetros de baixo da superfície, enquanto alguns fracção razoável de terras de campo eléctrico na ponta. Para todos os testes acima referidos locais criogénicos de comportamento electrónico, incluindo a técnica aqui descrita, a resolução espacial é limitado pelo tamanho geométrico da ponta e pela distância entre a característica de interesse do subsolo e a ponta da sonda de varredura.