Entièrement électronique résolue en nanosecondes Tunneling microscope à balayage : Faciliter l’Investigation de la dynamique de Charge unique de Dopant

Scanning tunneling microscope (STM) est devenu le premier outil en nanoscience pour sa capacité à résoudre la topographie de l’échelle atomique et de la structure électronique. Une des limitations des STM classique, cependant, sont que sa résolution temporelle est restreinte à l’échelle de temps de milliseconde à cause de la largeur de bande limitée du préamplificateur actuel¹. Il a longtemps été un but de prolonger la résolution temporelle de la STM à l’échelle sur laquelle se produisent généralement des processus atomiques. Le pionnier de travailler résolution temporelle microscopie à effet tunnel (STM-TR) par Freeman et al. ¹ utilisé photoconducteurs commutateurs et lignes de transmission microruban calquées sur l’échantillon pour transmettre des impulsions de tension picoseconde à la jonction du tunnel. Cette technique de jonction-mélange a été utilisée pour atteindre la résolution simultanée de 1 nm et 20 ps², mais elle n’a jamais été largement adoptée en raison de l’exigence de l’utilisation de structures spécialisées d’échantillon. Heureusement, l’intuition fondamentale tirée de ces œuvres peut être généralisée aux nombreuses techniques de résolution temporelle ; même si la bande passante du circuit de la STM est limitée à plusieurs kilohertz, la réponse non linéaire d’embouche dans STM permet une dynamique plus rapide à être sondé par le tunnel d’actuel moyens obtenu au cours de plusieurs cycles de pompe-sonde de mesure. Dans l’intervalle, plusieurs approches ont été explorées, dont les plus populaires sont brièvement examinés ci-dessous.

Secoué-paire-pompés par impulsion (SPPX) STM profite des avancées dans les technologies de laser pulsé ultrarapide de parvenir à picoseconde par éclairant directement la jonction tunnel et excitant des transporteurs dans l’ exemple³. Lumière laser incident crée des porteurs libres qui augmentent transitoirement conduction et modulation du délai entre la pompe et la sonde (t_d) permet dI/dt_d à mesurer avec un amplificateur à verrouillage. Parce que le délai entre la pompe et la sonde est modulé plutôt que l’intensité du laser, comme dans nombreuses autres approches optiques, SPPX-STM évite photo induite par l’illumination dilatation thermique de l’ extrémité³. Les extensions plus récentes de cette approche ont prolongé les délais sur lesquels SPPX-STM peut être utilisé pour étudier la dynamique en utilisant des techniques de cueillette des impulsions pour augmenter la gamme de pompe-sonde retard fois⁴. Ce qui est important, cette évolution récente fournit également la possibilité de mesurer les courbes j’ai(t_d) directement plutôt que par l’intermédiaire de l’intégration numérique. Les applications récentes de SPPX-STM ont inclus l’étude de la recombinaison de transporteur en single-(Mn, Fe)/GaAs(110) structures dynamiques⁵ et donateurs GaAs⁶. Demandes de SPPX-STM face à certaines restrictions. Le signal QUE SPPX-STM mesures dépend des porteurs libres excités par les impulsions optiques et est mieux adapté aux semi-conducteurs. En outre, bien que le tunnel actuel est localisé à la pointe, parce qu’une grande surface est excitée par les impulsions optiques, le signal est une convolution des propriétés locales et transport des matériaux. Finalement, le biais à la jonction est fixé à l’échelle de temps de mesure afin que la dynamique à l’étude doit être photoinduit.

Une technique plus récente optique, térahertz (THz-STM), de STM couples impulsions THz d’espace libre centrées sur la jonction à la pointe de la STM. Contrairement à dans SPPX-STM, les impulsions couplées se comportent comme des impulsions de tension rapide permettant à l’enquête d’excitations pilotées électroniquement avec picoseconde résolution⁷. Fait intéressant, le courant redressé générée à partir des impulsions THz résultats dans les densités de courant de pointe extrême n’est pas accessibles par conventionnel STM^8,9. La technique a été utilisée récemment pour étudier les électrons chauds en Si(111)-(7×7)⁹ et l’image de la vibration d’une molécule de pentacène unique¹⁰. THz-impulsions couple naturellement à la pointe, cependant, la nécessité d’intégrer une source THz à une expérience de la STM est susceptible d’être difficile de nombreux expérimentateurs. Ce qui motive l’élaboration d’autres techniques largement applicables et facilement réalisables.

En 2010, Loth et al. ¹¹ a développé une technique entièrement électronique où nanoseconde de tension appliquée sur le dessus un offset DC électroniquement pompe et sonde le système¹¹. L’introduction de cette technique a offert une démonstration critique d’applications sans ambiguïté et pratiques de résolution temporelle STM pour mesurer auparavant non prise en charge physique. Bien qu’il n’est pas aussi rapide que la jonction mélange STM, qui l’a précédée, appliquant des impulsions de micro-ondes à la pointe de la STM permet les échantillons arbitraires à être l’objet d’une enquête. Cette technique ne nécessite pas des méthodes optiques compliquées ou accès optique à la jonction de la STM. Ce qui rend la technique plus facile de s’adapter à basse température STMs. La première de la démonstration de ces techniques a été appliqué à l’étude de spin-dynamique où un spin polarisé STM a été utilisé pour mesurer la dynamique de relaxation de spin-états excités par les impulsions de pompe¹¹. Jusqu’à tout récemment, son application est restée limité à atome adsorbé magnétique systèmes^12,13,14 , mais a depuis été étendu à l’étude des taux de capture de porteurs d’un écart moyen discret d’état¹⁵ et charge dynamique des dopants unique de l’arsenic dans le silicium^15,16. Cette étude fait l’objet de ce travail.

Études sur les propriétés des dopants unique dans les semi-conducteurs ont récemment attiré beaucoup d’attention parce que les dispositifs à semiconducteurs (CMOS) oxyde de métal complémentaire entrent maintenant dans le régime où seul dopants peuvent affecter les propriétés du périphérique¹⁷ . En outre, plusieurs études ont démontré que les dopants unique peuvent servir la composante fondamentale des futurs appareils, par exemple comme qubits pour quantum computation¹⁸ et quantique mémoire¹⁹, ainsi que seul atome transistors^{20 , 15}. dispositifs d’avenir peuvent également incorporer des autres défauts de l’échelle atomique, tels que le silicium balançant bond (DB) qui peut être modelé avec une précision atomique avec STM Lithographie²¹. À cette fin, DBs ont été proposés comme frais qubits²², boîtes quantiques pour quantum automates cellulaires architectures^23,24et fils atomique^25,26 et ont été modelés pour créer quantique logique hamiltonien portes²⁷ et molécules artificielles^28,29. Aller de l’avant, dispositifs peuvent incorporer des dopants unique et DBs. Il s’agit d’une stratégie séduisante car DBs sont des défauts de surface qui peuvent facilement être caractérisées avec la STM et utilisées comme poignée pour caractériser les dispositifs dopant unique. Comme exemple de cette stratégie, DBs sont utilisés dans ce travail comme capteurs de charge pour déduire la charge dynamique des dopants près de la surface. Ces dynamiques sont capturés à l’aide d’une approche entièrement électronique de TR-STM qui est une adaptation des techniques développées par Loth et al. ¹¹

Des mesures sont effectuées sur DBs sélectionnés sur une surface de Si(100)-(2×1) d’hydrogène résilié. Une région de déplétion de dopant s’étendant approximativement de 60 nm sous la surface, créé par traitement thermique du cristal³⁰, dissocie la DB et les quelques dopants restants de près de la surface des bandes en vrac. Études de la STM de DBs ont constaté que leur conductance dépend des paramètres de l’échantillon global, tel que la concentration des dopants et la température, mais DBs individuels montrent également de fortes variations selon leur environnement local¹⁶. Au cours d’une mesure de la STM sur une base de données unique, le flux de courant est régi par le taux auquel peuvent passer les électrons de la majeure partie de la DB (Γ_{en vrac}) et de la DB à l’extrémité (_AstuceΓ) (Figure 1). Cependant, parce que la conduction de la DB est sensible à son environnement local, l’état de charge des dopants à proximité des influences Γ_{en vrac} (Figure 1 b), qui peuvent être déduites en surveillant la conductance de la DB. En conséquence, la conductance d’une DB peut être utilisée pour détecter les États de charge des dopants à proximité et peut être utilisée pour déterminer le taux auquel les dopants sont fournis des électrons de la masse (Γ_LH) et les perdre à la pointe de la STM (Γ_{HL ). Pour résoudre ces dynamiques, TR-STS s’effectue autour de la tension de seuil (Vthr) au cours de laquelle la pointe induit d’ionisation des dopants près de la surface. Le rôle d’impulsions de la pompe et la sonde est identique dans les trois techniques expérimentales temporelle présentées ici. La pompe transitoirement amène le biais niveau par-dessous à au-dessus de Vthr, qui induit une ionisation de dopant. Cela augmente la conductance de la DB, ce qui est échantillonné par l’impulsion de la sonde qui fait suite à un biais plus bas.}

Les techniques décrites dans cet article permet aux gens souhaitant caractériser la dynamique qui se produisent sur la milliseconde à nanoseconde calendrier avec la STM. Bien que ces techniques ne se limitent pas à l’étude dynamique de la charge, il est crucial que la dynamique se manifestent par des modifications passagères de la conductance des États qui peuvent être sondé par STM (c’est-à-dire les États sur ou près de la surface). Si la conductance des États transitoires ne diffère pas significativement de l’état d’équilibre, tel que la différence entre les courants transitoires et équilibre multipliée par le cycle d’utilisation de pulsation sonde est plus petit que le bruit de fond des systèmes (en général 1 pA), le signal se perdra dans le bruit et ne sera pas détectable par cette technique. Parce que les modifications expérimentales des systèmes STM commercialement disponibles requis pour effectuer les techniques décrites dans cet article sont modestes, il est prévu que ces techniques seront également accessibles à la communauté.