Todo-eletrônico nanossegundo-resolvido encapsulamento microscopia: Facilitar a investigação do Dopant única carga dinâmica

Varredura de tunelamento (STM) a microscopia, tornou-se a principal ferramenta em Nanociência por sua capacidade de resolver topografia escala atômica e estrutura eletrônica. Uma limitação do STM convencional, no entanto, é que sua resolução temporal é restrita para a escala de tempo de milissegundos por causa da largura de banda limitada do pré-amplificador atual¹. Ele tem sido um objetivo de estender a resolução temporal do STM para as escalas em que comumente ocorrem processos atômicos. O pioneiro trabalho tempo-resolvido microscopia de tunelamento (TR-STM) por Freeman et. al. ¹ utilizados switches fotocondutoras e linhas de transmissão de microstrip estampadas na amostra para transmitir impulsos de tensão picosegundo para a junção de túnel. Esta junção-mistura técnica tem sido usada para alcançar resoluções simultâneas de 1 nm e 20 ps², mas nunca foi amplamente adotada devido a necessidade do uso de estruturas especializadas de amostra. Felizmente, o insight fundamental adquirido com estes trabalhos pode ser generalizado para muitas técnicas de tempo-resolvido; mesmo que a largura de banda do circuito do STM é limitada a vários kHz, a resposta não-linear de I(V) no STM permite a ser sondado pelo túnel médio atual obtido ao longo de muitos ciclos de bomba-sonda de medição dinâmica mais rápida. Nos anos seguintes, muitas abordagens têm sido exploradas, o mais popular dos quais é revistos brevemente abaixo.

Abalada-par-excitação por impulsos (SPPX) STM tira proveito dos avanços em tecnologias de laser pulsado ultra rápida para atingir resolução sub picosegundo por diretamente iluminando a junção de túnel e emocionante transportadoras na amostra³. Luz laser incidente cria enciclopédia transportadoras que transitoriamente melhoram a condução e permite a modulação do atraso entre a bomba e a ponta de prova (t_d) deu/dt_d a ser medida com um amplificador de fechamento-em. Porque o atraso entre a bomba e a sonda é modulado em vez de intensidade do laser, como em muitas outras abordagens ópticas, SPPX-STM evita expansão térmica induzida por iluminação foto do ponta³. Extensões mais recentes desta abordagem estendemos as escalas de tempo durante o qual SPPX-STM pode ser usado para investigar a dinâmica, utilizando técnicas de pulso-colheita para aumentar o alcance da bomba-sonda atraso vezes⁴. Importante, esta evolução recente também fornece a capacidade de medir o (t_d) curvas diretamente, em vez de através de integração numérica. Recentes aplicações de SPPX-STM tem incluído o estudo de recombinação de transportadora em single-(Mn, Fe)/GaAs(110) estruturas dinâmicas⁵ e doador em GaAs⁶. Aplicações de SPPX-STM enfrentam algumas restrições. O sinal QUE SPPX-STM medidas depende de livre transportadoras excitadas pelos pulsos ópticos e é o mais adequado para semicondutores. Além disso, embora a corrente de tunelamento é localizada na ponta, porque uma grande área estava entusiasmada com os pulsos ópticos, o sinal é uma convolução das propriedades locais e transporte de material. Finalmente, o viés na junção é fixo na escala de medição de tempo para que a dinâmica em estudo deve ser a participação.

Uma técnica mais recente ótica, terahertz STM (THz-STM), casais pulsos de espaço livre THz focados na junção com a ponta do STM. Ao contrário de em SPPX-STM, os pulsos de acoplamento se comportam como pulsos de tensão rápido permitindo para a investigação de excitações eletronicamente conduzidas com sub picosegundo resolução⁷. Curiosamente, a corrente retificada gerado a partir os pulsos THz resultados em densidades de corrente de pico extremo não acessíveis por convencional STM^8,9. A técnica tem sido usada recentemente para estudar elétrons quentes em Si(111)-(7×7)⁹ e a vibração de uma molécula de Pentaceno único¹⁰de imagem. THz-pulsos casal naturalmente para a ponta, no entanto, a necessidade de integrar uma fonte THz para um experimento STM é susceptível de ser um desafio para muitos experimentadores. Isso motiva o desenvolvimento de outras técnicas amplamente aplicáveis e facilmente implementáveis.

Em 2010, Carlos et al . ¹¹ desenvolveu uma técnica todo-eletrônico onde pulsos de tensão de nanossegundos aplicados em cima de um deslocamento de DC eletronicamente bomba e sondar o sistema¹¹. A introdução desta técnica ofereceu uma demonstração crítica de inequívocas e práticas aplicações de tempo-resolvido STM para medir previamente despercebida física. Embora não seja tão rápido como junção mistura STM, que o precedeu, aplicação de pulsos de microondas para a ponta do STM permite amostras arbitrárias para ser investigado. Esta técnica não requer qualquer complicadas metodologias ópticas ou acesso óptico até a junção do STM. Isso torna a técnica mais fácil para se adaptar à baixa temperatura STMs. A primeira demonstração destas técnicas foi aplicada ao estudo da rotação-dinâmica onde um spin-polarizada STM foi usado para medir a dinâmica de relaxamento da rotação-estados excitados pelo bomba pulsos¹¹. Até recentemente, seu requerimento permaneceu limitada a adatom magnética sistemas^12,13,14 , mas tem desde que foi estendido para o estudo da taxa de captura do portador de uma discreta abertura mid¹⁵ e carga dinâmica de dopantes único arsênico em silicone^15,16. O último estudo é o foco deste trabalho.

Estudos sobre as propriedades de dopantes único em semicondutores recentemente tem atraído a atenção significativa, porque dispositivos de semicondutor (CMOS) de óxido metálico complementar estão entrando o regime onde único dopantes podem afetar Propriedades do dispositivo¹⁷ . Além disso, diversos estudos têm demonstrado que os dopantes único podem servir como o componente fundamental de futuros dispositivos, por exemplo como qubits de computação quântica¹⁸ e quântica memória¹⁹e como único átomo transistores^{20 , 15}. dispositivos de futuro também podem incorporar outros defeitos de escala atômica, tais como o silício balançando o vínculo (DB), que pode ser modelado com precisão atômica com STM litografia de²¹. Para este fim, DBs têm sido propostos como carga qubits²², pontos quânticos para quântica autômatos celulares arquiteturas^23,24e^25,de fios atômico²⁶ e tem sido modelados para criar quântica lógica hamiltoniano gates²⁷ e moléculas artificiais^28,29. Avançando, dispositivos podem incorporar ambos os dopantes único e DBs. Esta é uma estratégia atraente, porque DBs são defeitos na superfície que podem ser facilmente caracterizados com STM e usados como um identificador para caracterizar dispositivos dopant único. Como um exemplo dessa estratégia, DBs são usados neste trabalho como sensores de carga para inferir a carga dinâmica de dopantes perto da superfície. Estas dinâmicas são capturadas com o uso de uma abordagem todo-eletrônico para TR-STM que é uma adaptação das técnicas desenvolvidas pela Loth et al ¹¹

Medições são feitas em DBs selecionados em uma superfície de Si(100)-(2×1) de hidrogênio finalizado. Uma região de depleção dopant estendendo aproximadamente 60 nm abaixo da superfície, criado através do tratamento térmico do cristal³⁰, dissocia o DB e os poucos restantes perto da superfície dopantes de bandas a granel. Estudos STM de DBs descobriram que sua condutância é dependente de parâmetros da amostra global, tais como a concentração de dopantes e a temperatura, mas DBs individuais também mostram fortes variações dependendo do seu ambiente local¹⁶. Durante uma medição do STM sobre um único DB, o fluxo de corrente é regulado pela taxa na qual elétrons podem cavar um túnel da maior parte do DB (Γ_{em massa}) e do DB da ponta (_dicadoΓ) (Figura 1). No entanto, porque a condução do DB é sensível ao seu ambiente local, o estado de carga de dopantes nas proximidades influencia Γa_granel (figura 1B), que podem ser inferidas pelo monitoramento da condutibilidade do DB. Como resultado, a condutância de um DB pode ser usada para sentir os Estados de carga de dopantes nas proximidades e pode ser usada para determinar as taxas em que os dopantes são fornecidos elétrons a granel (Γ_LH) e perdê-los para a ponta do STM (Γ_{HL ). Para resolver essas dinâmicas, TR-STS é realizada ao redor as tensões de limiar (Vthr) no qual a ponta induz a ionização de dopantes perto da superfície. O papel dos pulsos da bomba e a sonda é o mesmo das três técnicas experimentais tempo-resolvido aqui apresentados. A bomba transitoriamente traz o viés nível de abaixo acima Vthr, que induz a ionização dopant. Isto aumenta a condutância do DB, que é amostrado pelo pulso de sonda que segue em um viés de baixo.}

As técnicas descritas neste artigo beneficiará aqueles que desejam caracterizar a dinâmica ocorrendo o milissegundo para nanossegundos calendário com STM. Embora estas técnicas não estão limitadas a estudar a dinâmica de carga, é crucial que a dinâmica se manifestam através de alterações transientes na condutância de Estados que podem ser analisados pelo STM (i.e., os Estados ou perto da superfície). Se a condutância dos Estados transitórios não difere significativamente o estado de equilíbrio, tal que a diferença entre as correntes transientes e equilíbrio multiplicado pelo ciclo de pulso de sonda (normalmente é menor do que o piso de ruído de sistemas 1 pA), o sinal será perdido no meio do ruído e não será detectável por esta técnica. Porque as modificações experimentais de sistemas STM comercialmente disponíveis necessários para executar as técnicas descritas neste artigo são modestas, prevê-se que estas técnicas serão amplamente acessíveis para a Comunidade.