扫描探针单电子电容谱

地下电荷积聚（SCA）的成像是一种低温的方法，能够解决单电子充电事件。当应用到半导体中的掺杂原子的研究，该方法可以检测单个电子进入施主或受主原子，允许这些分钟系统的量子结构表征。在它的心脏中，SCA成像是当地的电容测量⁶非常适合低温操作。因为电容电场的基础上，它是一种远距离的效果，可以解决充电下方的绝缘表面^6。低温操作允许将无法解决的常温^1,2单电子运动和量子水平间距调查。这项技术可以被应用到任何系统，在该系统中，在绝缘表面以下的电子的运动是很重要的，包括充电动态埋接口⁷中的二维电子系统;为简洁起见，这里的重点将是半导体掺杂剂的研究。

上面的最示意图的水平，这种技术将扫描的小费作为一个平行板电容器的一个极板，虽然现实的分析的尖端的曲率^8,9考虑到需要更详细的描述。在这个模型中的另一块板是纳米级的区域的底层的导电层，在图1中所示。从本质上讲，作为电荷输入响应一个周期性的激励电压的掺杂剂，它越接近到顶端，这个运动诱导的尖端上的电荷，这是与传感器电路⁵检测到的更多的图像。同样，作为电荷离开掺杂剂，降低尖上的图像电荷。因此充电周期响应激励电压信号是所检测到的信号 – 它本质上是电容，因此该测定是通常被称为作为确定的CV特性的系统。

帐篷“>在电容测量期间，净隧道底层导电层和掺杂剂层 – 电荷不会隧道直接到尖端之间。直接穿隧在测量过程中，或从前端的缺乏是一个重要的区别技术和更熟悉的扫描隧道显微镜的，尽管这样，但此系统的硬件本质上是相同的扫描隧道显微镜，同样重要的是要注意的，，SCA成像是不直接敏感的静电的静电荷。调查分布，扫描开尔文探针显微镜或静电力显微镜的适当的附加的低温方法，用于检查本地电子行为存在，也有良好的电子和空间分辨率，例如，扫描单电子晶体管显微镜的是另一种扫描探针的方法，能够检测分钟，充电SCA成像效果^4,10原是由Glicofridis Tessmer，Ashoori和同工⁷在麻省理工学院开发，而且，这里描述的方法可以被认为是开发的Ashoori和同事¹¹单电子电容光谱法扫描型探针版本。的一个关键要素的测量是一个十分敏感的电荷检测电路^5,12使用高电子迁移率晶体管（HEMT），它可以实现0.01电子/ Hz的低噪声水平^½在0.3 K低温恒温器的温度，基地在参考文献5中。这样的高灵敏度允许在地下系统中观察单电子充电。此方法适合于个人或小群体的掺杂剂在半导体的电子或空穴的动力学研究中，与典型的掺杂剂的面密度10 ¹⁵在一个平面上的几何形状²米^-2的顺序。 图1所示的一个例子，一个典型的这种类型的实验的示例配置</strong>。掺杂层通常位于几十纳米的表面之下，重要的是要知道底层的导电层和掺杂剂层之间的掺杂层和样品表面之间的精确距离。隧道相反，电容不脱落成倍而是本质上的距离成反比减小。因此，掺杂剂的深度原则上可以更深地大于几十纳米的表面之下，只要一些合理的小部分的尖端电场的土地上。对于所有上述低温本地探针的电子的行为，包括这里描述的技术中，空间分辨率是有限的针尖大小的几何和地下特征，利益和扫描探针针尖之间的距离。