כל-אלקטרונית ננו-נפתרה סריקה מינהור מיקרוסקופיה: הקלת החקירה של דינמיקה תשלום יחיד Dopant
Summary
נדגים שיטה כל-אלקטרונית להתבונן תשלום ננו-נפתרה הדינמיקה של dopant אטומי סיליקון עם מיקרוסקופ מינהור סריקה.
Abstract
המזעור של התקני מוליכים למחצה כדי קני המידה שבה מספר קטן של dopants יכול לשלוט מאפייני התקן דורש פיתוח טכניקות חדשות מסוגל אפיון הדינמיקה שלהם. חוקרים dopants יחיד מחייב רזולוציה מרחבית תת ננומטר, המפעילה את השימוש מינהור מיקרוסקופ מנהור סורק. עם זאת, קונבנציונאלי STM מוגבל רזולוציה טמפורלית אלפיות השנייה. פותחו מספר שיטות להתגבר על זה חסרון, כולל STM זמן לפתור כל-אלקטרונית, אשר משמש במחקר זה לבחון את הדינמיקה dopant של סיליקון עם רזולוציה ננו. השיטות המובאות כאן נגישים נרחב ולאפשר מקומי מידה של מגוון רחב של דינמיקה את המשקל האטומי. רומן זמן לפתור סריקה שיטה ספקטרוסקופית מנהור הציג ואין להשתמש בו כדי לחפש ביעילות דינמיקה.
Introduction
מיקרוסקופ מנהור סורק הפך הכלי בהננו את יכולתו לפתור אטומי בקנה מידה טופוגרפיה ומבנה אלקטרונית. מגבלה אחת של STM קונבנציונאלי, עם זאת, הוא שלה ברזולוציה הטמפורלית הוא מוגבל ציר הזמן של מילי-שניות בגלל רוחב פס מוגבל של מגבר קדם הנוכחי1. עבר זמן רב מאז מטרה להרחיב רזולוציה טמפורלית של STM הכף שעליו בתהליכים אטומיים להתרחש בדרך כלל. חלוצי לעבוד זמן לפתור סריקה מינהור מיקרוסקופית TR-מאת פרימן. et. al. 1 מנוצל קווי תמסורת microstrip בדוגמת על הדגימה להעברת פולסים מתח בעשירית לצומת המנהרה ובוררים photoconductive. טכניקה זו ללישת צומת שימש כדי להשיג החלטות סימולטני של 1 ננומטר ו 20 ps2, אבל זה אף פעם לא אומצה באופן נרחב עקב הדרישה של שימוש מבנים מיוחדים דגימה. למרבה המזל, התובנה הבסיסית צבר מעבודות אלה ניתן להכליל על טכניקות זמן לפתור רבות; אף-על-פי רוחב הפס של המעגלים של ה-STM מוגבל במספר קילוהרץ, תגובת I(V) שאינו ליניארי ב- STM מאפשר דינמיקה מהירה יותר פתור על ידי מדידת הנוכחי המנהרה הממוצע על מחזורים משאבת-בדיקה רבים. לאחר שנים אלו גישות רבות נחקרו, הפופולרי ביותר אשר נבדקות בקצרה להלן.
STM (SPPX) מנוער-דופק-זוג-מתרגש מנצל החידושים בטכנולוגיות לייזר פעמו מרביים החלטה בעשירית משנה על ידי מאיר ישירות לצומת המנהרה ומעניינים נשאים של מדגם3. אור לייזר האירוע יוצר לחברות חינם transiently לשפר הולכה, ומאפשר אפנון של עיכוב בין המשאבה בדיקה (td) dאני/dtd למדוד עם מגבר הנעילה. בגלל העיכוב בין המשאבה בדיקה הוא מווסת במקום האינטנסיביות של הלייזר, כמו גישות אופטי רבות אחרות, SPPX-STM מונע צילום תאורה-induced הרחבה תרמי של עצה3. הרחבות יותר של גישה זו הרחיבו את צירי הזמן שבו SPPX-STM יכול לשמש כדי לחקור dynamics באמצעות חיטוט הדופק טכניקות כדי להגדיל את הטווח של משאבת-בדיקה עיכוב כפול4. חשוב, זו התפתחות מספק גם את היכולת למדוד עקומות אני(td) ישירות ולא דרך שיטות נומריות. היישומים האחרונים של SPPX-STM כללו את חקר נושא רקומבינציה יחיד-(Mn, Fe)/GaAs(110) מבנים dynamics5 ו התורם GaAs6. יישומים של SPPX-STM להתמודד עם הגבלות מסוימות. האות ש-SPPX-STM מודד תלוי נרגש הפולסים אופטי חינם נשאים, והוא מותאם מוליכים למחצה. בנוסף, למרות מינהור הנוכחי הוא מקומי עד הקצה, כי שטח גדול נרגש הפולסים אופטי, האות היא קונבולוציה של מאפיינים מקומיים, תחבורה גשמי. לבסוף, הטיה בצומת קבוע על ציר הזמן מדידה כך הדינמיקה שנבחנה חייב להיות photoinduced.
טכניקה אופטי עדכני יותר, טרה-הרץ STM (THz-STM), זוגות מקום פנוי THz פולסים התמקדו לצומת לקצה ה-STM. שלא כמו ב SPPX-STM, הפולסים בשילוב מתנהג כמו פולסים מתח מהיר המאפשר חקירת excitations מונחה אלקטרונית עם רזולוציה בעשירית משנה7. מעניין, הזרם לתקן להפיק של הפולסים THz תוצאות בצפיפויות קיצוניות השיא הנוכחי לא נגיש על ידי ה-STM קונבנציונאלי8,9. הטכניקה שימש לאחרונה ללמוד אלקטרונים חם Si(111)-(7×7)9 ואף תמונה את הרטט של מולקולה יחידה pentacene10. פולסים THz הזוג באופן טבעי עד הקצה, עם זאת, הצורך לשלב מקור THz לניסוי STM צפוי להיות מאתגר ניסויים רבים. זה מניע את התפתחות טכניקות אחרות החלים נרחב, implementable בקלות.
בשנת 2010 לנבול בסופו של דבר. et al. 11 פיתח טכניקה כל-אלקטרונית משאבה ואיפה לחקור את המערכת11הננו מתח פולסים מוחל על היסט DC באופן אלקטרוני. המבוא של טכניקה זו מוצעים הפגנה קריטי של יישומים ברורה וחד משמעית ומעשי של STM זמן לפתור כדי למדוד את הפיזיקה בעבר unobserved. למרות שהוא לא מהיר כמו צומת ערבוב STM, אשר שקדם לו, החלת מיקרוגל בפולסים עד הקצה ה-STM היתרי דגימות שרירותי להיחקר. טכניקה זו אינה דורשת כל מסובך מתודולוגיות אופטי או גישה אופטי של הצומת STM. זה הופך את הטכניקה הכי קל להסתגל טמפרטורה נמוכה STMs. ההפגנה הראשונה של טכניקות אלה הוחל במחקר של ספין-דינמיקה איפה STM מקוטב-ספין שימש כדי למדוד את הדינמיקה הרפיה של ספין-הברית נרגש על-ידי פולסים משאבת ה11. עד לאחרונה, היישום שלה מוגבלת נשארו adatom מגנטי מערכות12,13,14 , אבל יש מאז הוארך במחקר של קצב הלכידה המוביל מפרצה אמצע דיסקרטית המדינה15 ולחייב דינמיקה של ארסן יחיד dopants סיליקון15,16. המחקר האחרון הוא המוקד של עבודה זו.
מחקרים על המאפיינים של dopants יחיד בתחום המוליכים למחצה לאחרונה משכו תשומת לב משמעותית בגלל משלימים תחמוצת מתכת מוליכים למחצה (CMOS) התקנים נכנסים למשטר שבו dopants יחיד יכול להשפיע על מאפייני התקן17 . בנוסף, מספר מחקרים הראו כי dopants יחיד יכול לשמש כרכיב מהותי של מכשירים עתידיים, למשל כמו qubits עבור חישוב קוונטי18 וקוונטית זיכרון19ו מאטום בודד טרנזיסטורים20 , 15. העתיד התקני רשאים לשלב גם פגמים אטומי בקנה מידה אחרים, כגון סיליקון משתלשלות בונד (DB) אשר יכול להיות בדוגמת עם דיוק אטומית עם ה-STM ליתוגרפיה21. לשם כך, DBs יש כבר הציע כמו qubits תשלום22, נקודות קוונטיות עבור קוונטית האוטומטים התאיים ארכיטקטורות23,24, ו אטומי חוטים25,26 , יש כבר בדוגמת כדי ליצור קוונטית המילטוניאן לוגיקה שערים27 ו28,מולקולות מלאכותי29. . להתקדם, התקני רשאים לשלב dopants יחיד והן DBs. הסיבה לכך היא אסטרטגיית אטרקטיבי DBs הם פגמים משטח זה יכול בקלות להיות מאופיין עם ה-STM ומשמש נקודת אחיזה לאפיון התקנים dopant יחיד. כדוגמה של אסטרטגיה זו, DBs משמשים בעבודה זו תשלום חיישנים להסיק את הדינמיקה טעינה של dopants ליד משטח. הדינמיקות האלה נלכדים עם השימוש של גישה כל-אלקטרונית TR-STM מותאם מן הטכניקות שפותחו על ידי לנבול בסופו של דבר. et al. 11
המדידות מבוצעות ב- DBs שנבחרו על משטח Si(100)-(2×1) מימן הסתיימה. אזור המחסור dopant הרחבת כ 60 ננומטר מתחת לפני השטח, שנוצרו באמצעות טיפול תרמי של קריסטל30, decouples את DB ואת dopants ליד-פני שנותרו כמה מן הלהקות בצובר. ה-STM מחקרים של DBs מצאו כי מוליכות שלהם תלויה פרמטרים מדגם הכללית, כגון הריכוז של dopants, הטמפרטורה, אבל DBs בודדים גם להראות וריאציות חזקה בהתאם שלהם הסביבה המקומית16. במהלך המדידה STM מעל DB יחיד, הזרם הנוכחי נשלטת על ידי הקצב שבו האלקטרונים יכולים מנהרה מן הנפח DB (Γבצובר) ומן את DB לקצה (Γעצה) (איור 1). עם זאת, כי הולכה של DB רגישה לסביבה המקומית שלה, המדינה תשלום של dopants הסמוך השפעות Γבתפזורת (איור 1B), אשר שניתן להסיק על-ידי ניטור מוליכות של DB. כתוצאה מכך, מוליכות של DB יכול לשמש כדי לחוש את מצבי הטעינה של dopants הסמוך, יכול לשמש כדי לקבוע שיעור שבו הן dopants סיפק אלקטרונים מן הנפח (ΓLH) ואת לאבד אותם לקצה ה-STM (ΓHL ). כדי לפתור הדינמיקות האלה, TR-STS מתבצע סביב החשמלי הסף (Vחמישי) שבו הטיפ המניע יינון של dopants ליד משטח. תפקידה של משאבת, בדיקה הפולסים הוא זהה בטכניקות שלושה זמן לפתור ניסיוני המוצג כאן. המשאבה transiently מביא את רמת הסטייה מלמטה מעל Vחמישי, אשר גורם dopant יינון. פעולה זו מגדילה את מוליכות של DB, אשר נדגמים על ידי דופק בדיקה העוקב-דעה קדומה נמוכה יותר.
השיטות המתוארות במאמר זה ייהנו אלה המעוניינים לאפיין את הדינמיקה המתרחשים מהפיצוץ לציר הננו עם ה-STM. טכניקות אלה אינם מוגבלים לומד תשלום dynamics, זה חיוני כי הדינמיקה באים לידי ביטוי דרך ארעי לשינויים מוליכות של מדינות שלא פתור על ידי ה-STM (קרי, הברית על או סמוך לפני השטח). אם מוליכות של הברית ארעי אינו שונה משמעותית ממצב של שיווי משקל, כך ההבדל בין הזרמים ארעי ואיזון מוכפל הדופק מחזור חיים בדיקה הוא קטן יותר מאשר הרצפה רעש מערכות (בדרך כלל 1 הרשות הפלסטינית), האות יאבדו על רעש, לא יהיה ניתן לגילוי על ידי שיטה זו. בגלל השינויים ניסיוני של מערכות ה-STM זמינים מסחרית נדרש לבצע את הטכניקות המתוארות במאמר זה צנוע, הוא צפוי שטכניקות אלו יהיו נגישים נרחב לקהילה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הווריאציה של TR-STS שבו אינו מוחל על הדופק משאבת משולה STS קונבנציונאלי, חוץ מזה להיות נדגמים המערכת בתדירות גבוהה יותר מאשר ללא הרף. אם משך הזמן של הפולסים בדיקה מתאימים (>ΓLH), ה-TR-STS אות רכשה ללא יכול להכפיל את הדופק משאבת קבוע פרופורציונליים למחזור חיים של הניסוי חופפים בדיוק STS קונב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות מרטין Cloutier, מארק Salomons. מומחיות טכנית שלהם. אנו מודים גם NRC, NSERC ו- AITF עבור תמיכה כספית.
Materials
| Low Temperature Scanning Tunneling Microscope | Scientaomicron | Custom-made with 500MHz bandwidth wiring | |
| Arbitarary Function Genorator | Tektronix | AFG3252C | |
| RF Power Splitter/ Combiner | Mini-Circuits | ZFRSC-42-S + | |
| RF Switch | Mini-Circuits | X80-DR230-S + | |
| Non-Contact Infrared Pyrometers | Micron Infrared | MI 140 |
References
- Nunes, G., Freeman, M. R. . Picosecond resolution in scanning tunneling microscopy. 262 (5136), 1029-1032 (1993).
- Khusnatdinov, N. N., Nagle, T. J., Nunes, G. Ultrafast scanning tunneling microscopy with 1 nm resolution. Appl. Phys. Lett. 77 (26), 4434-4436 (2000).
- Takeuchi, O., Morita, R., Yamashita, M., Shigekawa, H. Development of time-resolved scanning tunneling microscopy in femtosecond range. Jpn. J. Appl. Phys. 41 (7 B), 4994-4997 (2002).
- Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy. Nat. Photon. 4 (12), 869-874 (2010).
- Yoshida, S., Yokota, M., Takeuchi, O., Oigawa, H., Mera, Y., Shigekawa, H. Single-atomic-level probe of transient carrier dynamics by laser-combined scanning tunneling microscopy. Appl. Phys. Express. 6 (3), (2013).
- Kloth, P., Wenderoth, M. From time-resolved atomic-scale imaging of individual donors to their cooperative dynamics. Science Ad. 3, (2017).
- Cocker, T. L., et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 7 (8), 620-625 (2013).
- Yoshioka, K., et al. Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz electric fields. Nat. Photon. 10 (12), 762-765 (2016).
- Jelic, V., et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nat. Phys. 13, 591-598 (2017).
- Cocker, T. L., Peller, D., Yu, P., Repp, J., Huber, R. Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging. Nature. 539 (7628), 263-267 (2016).
- Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution. Science. 329 (5999), 1628-1630 (2010).
- Loth, S., Baumann, S., Lutz, C. P., Eigler, D. M., Heinrich, A. J. Bistability in Atomic-Scale Antiferromagnets. Science. 335 (6065), (2012).
- Baumann, S., Paul, W., Choi, T., Lutz, C. P., Ardavan, A., Heinrich, A. J. Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface. Science. 350 (6259), 417-420 (2015).
- Yan, S., Choi, D. -. J., Burgess, J. A. J., Rolf-Pissarczyk, S., Loth, S. Control of quantum magnets by atomic exchange bias. Nat. Nano. 10 (1), 40-45 (2014).
- Rashidi, M., et al. Time-Resolved Imaging of Negative Differential Resistance on the Atomic Scale. Phys. Rev. Lett. 117 (27), 276805 (2016).
- Rashidi, M., et al. Time-resolved single dopant charge dynamics in silicon. Nat. Comm. 7, 13258 (2016).
- Koenraad, P. M., Flatté, M. E. Single dopants in semiconductors. Nat. Mat. 10 (2), 91-100 (2011).
- Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature. 393 (6681), 133-137 (1998).
- Freer, S., et al. A single-atom quantum memory in silicon. Quantum Science and Technology. 2, 3-14 (2016).
- Fuechsle, M., et al. A single-atom transistor. Nat. Nano. 7 (4), 242-246 (2012).
- Lyding, J. W., Shen, T. -. c., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2×1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope. Appl. Phys. Lett. 64 (118), 2010-2012 (1994).
- Livadaru, L., et al. Dangling-bond charge qubit on a silicon surface. New J. Phys. 12 (8), 83018 (2010).
- Haider, M. B., Pitters, J. L., DiLabio, G. A., Livadaru, L., Mutus, J. Y., Wolkow, R. A. Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature. Phys. Rev. Lett. 102 (4), 46805 (2009).
- Taucer, M., et al. Single-Electron Dynamics of an Atomic Silicon Quantum Dot on the H – Si (100)-(2×1) Surface. Phys. Rev. Lett. 112 (25), 256801 (2014).
- Engelund, M., Papior, N., Brandimarte, P., Frederiksen, T., Garcia-Lekue, A., Sánchez-Portal, D. Search for a Metallic Dangling-Bond Wire on n -Doped H-Passivated Semiconductor Surfaces. J. Phys. Chem. C. 120 (36), 20303-20309 (2016).
- Bohloul, S., Shi, Q., Wolkow, R. A., Guo, H. Quantum Transport in Gated Dangling-Bond Atomic Wires. Nano Lett. 17, 322-327 (2017).
- Kolmer, M., Zuzak, R., Dridi, G., Godlewski, S., Joachim, C., Szymonski, M. Realization of a quantum Hamiltonian Boolean logic gate on the Si(001):H surface. Nanoscale. 7, 12325-12330 (2015).
- Schofield, S. R., et al. Quantum engineering at the silicon surface using dangling bonds. Nat. Comm. 4, 1649 (2013).
- Wood, J. A., Rashidi, M., Koleini, M., Pitters, J. L., Wolkow, R. A. Multiple Silicon Atom Artificial Molecules. https://arxiv.org/abs/1607.06050. , (2016).
- Pitters, J. L., Piva, P. G., Wolkow, R. A. Dopant depletion in the near surface region of thermally prepared silicon (100) in UHV. J. Vac. Sci. Technol. 30 (2), 21806 (2012).
- Grosse, C., Etzkorn, M., Kuhnke, K., Loth, S., Kern, K. Quantitative mapping of fast voltage pulses in tunnel junctions by plasmonic luminescence. Appl. Phys. Lett. 103 (18), (2013).
- Boland, J. J. Scanning tunnelling microscopy of the interaction of hydrogen with silicon surfaces. Adv. Phys. 42, 129-171 (1993).
- Rezeq, M., Pitters, J., Wolkow, R. Tungsten nanotip fabrication by spatially controlled field-assisted reaction with nitrogen. J. Chem. Phys. 124, 204716 (2006).
- Saunus, C., Raphael Bindel, J., Pratzer, M., Morgenstern, M. Versatile scanning tunneling microscopy with 120 ps time resolution. Appl. Phys. Lett. 102 (5), (2013).
