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

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 (t_d) permette dho/dt_d 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(t_d) 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 STM^8,9. La tecnica è stata utilizzata recentemente per studiare gli elettroni caldi in Si(111)-(7×7)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 sistemi^12,13,14 , 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 silicio^15,16. 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 transistor^{20 , 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 architetture^23,24e fili atomici^25,26 e sono state modellate per creare ²⁷ e^28,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)-(2×1) 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 (Γ_{alla 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 Γ_massa (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 (Γ_LH) e li perdono fino alla punta STM (Γ_{HL ). 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.