ВС электронные решена НС сканирующий туннельный микроскопии: Содействие исследования динамики одного легирующего заряда

Сканирование, туннелирование микроскопии (СТМ) стал премьер инструментом в нанотехнологий для его способности решать атомного масштаба топографии и электронной структуры. Одно ограничение обычных STM, однако, является его временное разрешение ограничивается миллисекунды сроки из-за ограниченной пропускной способности текущего предусилитель¹. Он уже давно цель расширить STM в временное разрешение на весы, на которых часто происходят атомные процессы. Пионерские работы в раз решается сканирующей микроскопии туннелирования (TR-STM) Фримен et. al. ¹ использовать светопроводящих переключатели и микрополосковые линии электропередачи узором на образце для передачи пикосекундных импульсов напряжения до перекрестка туннеля. Эта Джанкшн смешивание техника использовалась для достижения одновременного резолюций 1 Нм и 20 ps², но он никогда не был широко принят из-за требования об использовании специализированных образец структуры. К счастью основные опыт из этих работ может быть обобщена на много времени решены методов; даже несмотря на то, что пропускная способность STM схемы ограничивается несколько килогерц, нелинейных ответ I(V) в STM позволяет быстрее динамика быть исследован путем измерения среднего туннеля текущего получено над много циклов насоса зонд. В последующие годы были изучены многие подходы, наиболее популярными из которых кратко рассматриваются ниже.

Потрясенный пульс пара возбужденных STM (SPPX) использует достижений в сверхбыстрого импульсных лазерных технологий для достижения резолюции Подкомиссии пикосекундной непосредственно светящиеся перекрестка туннеля и захватывающие перевозчиков в в образца³. Инцидент лазерный свет создает свободных носителей, которые временно повысить теплопроводности, и модуляции задержки между насосом и зонд (t_d) позволяет d,я/dt_d измеряется с усилителем блокировки. Потому что задержка между насосом и зонд модулируется вместо интенсивности лазера, как и многие другие оптические подходы, SPPX-STM избегает фото освещение индуцированной теплового расширения отзыв³. Более поздние расширения этого подхода продлили сроки, над которой SPPX-STM может использоваться для изучения динамики, используя пульс рудоразборка методы для увеличения диапазона насоса зонд задержки раза⁴. Важно отметить, что это недавнее развитие также обеспечивает возможность измерения, я(t_d) кривых непосредственно, а не посредством численного интегрирования. Последние приложения SPPX-СТМ включают исследование несущей рекомбинации в одно-(Mn, Fe)/GaAs(110) структуры⁵ и доноров динамика в GaAs⁶. Применение SPPX-STM сталкиваются некоторые ограничения. Сигнал, который SPPX-STM мер зависит от свободных носителей возбуждается оптических импульсов и лучше всего подходит для полупроводников. Кроме того хотя туннелирование текущего локализован к кончику, потому что большой площади возбужденные оптических импульсов, сигнал является свертки свойств локальной и перевозки материалов. Наконец уклон на стыке фиксируется на шкалу измерений так, что динамика исследуемых должны быть фотоиндуцированной.

Более поздние оптической техники, терагерцевого STM (ТГц-STM), пары свободного пространства ТГц импульсов сосредоточена на стыке до кончика STM. В отличие от в SPPX-STM, спаренных импульсов ведут себя как импульсов напряжения быстро, позволяя для расследования электронно управляемые возбуждений с суб пикосекундной резолюции⁷. Интересно, что выпрямленный ток порожденных от импульсов ТГц результаты в экстремальных пик плотностях тока не доступны обычные STM^8,9. Техника недавно использовался для изучения горячих электронов в Si(111)-(7×7)⁹ и изображения вибрации молекул одного Пентацен¹⁰. ТГц импульсы естественно пара на кончике, однако, необходимость интеграции ТГц источник STM эксперимент может быть сложным для многих экспериментаторов. Это мотивирует развитие других широко применяемых и легко осуществимых методов.

В 2010 году лот и др. ¹¹ разработал все электронная техника, где наносекундных импульсов напряжения применяется поверх DC смещение электронным насоса и датчика системы¹¹. Введение этой техники предложил критический демонстрация недвусмысленные и практических приложений времени решены STM для измерения ранее ненаблюдаемых физики. Хотя это не так быстро, как перекрестка смешивания STM, которые ей предшествовали, применяя микроволновые импульсы к кончику STM позволяет произвольным образцы должны расследоваться. Этот метод не требует каких-либо сложных оптических методологий или оптический доступ к перекрестка STM. Это делает простой метод адаптироваться к низкой температуре STM. Первая демонстрация этих методов был применен к изучению динамики спин-где вращательно поляризованный STM был использован для измерения динамики релаксации спина-государств возбуждается импульсами насоса¹¹. До недавнего времени, его применение, остался только для магнитных adatom систем^12,13,14 , но имеет с расширен к изучению скоростью захвата перевозчика от дискретных середины разрыва государства¹⁵ и заряд динамика из одного мышьяка активаторов в Силиконовой^15,16. Последние исследования находится в центре внимания этой работы.

Исследования свойств одного активаторов в полупроводниках недавно привлекли большое внимание, потому что комплементарный металло-оксидный полупроводник (CMOS) устройства теперь вступаем режима где один активаторов может повлиять на свойства устройства¹⁷ . Кроме того несколько исследований показали, что один активаторов могут служить как основных компонентов будущих устройств, например кубитов для квантовых вычислений¹⁸ и квантовой памяти¹⁹, а также один атом транзисторов^{20 , 15}. будущее устройства может также включать другие атомного масштаба дефектов, таких как кремний, оборванных Бонд (DB), который может быть рисунком с атомной точностью с STM литографии²¹. С этой целью были предложены как заряд кубитов²², квантовых точек для квантовой клеточных автоматов архитектуры^23,24и атомной провода^25,26 DBs и был рисунком для создания Квантовая логика Гамильтониан ворота,²⁷ и^28,искусственные молекулы²⁹. Продвигаясь вперед, устройства могут включать одного активаторов и DBs. Это привлекательный стратегия, потому что DBs дефекты поверхности, которые легко могут быть охарактеризованы с STM и используется как ручка для характеристики одного легирующего устройств. В качестве примера этой стратегии DBs используются в этой работе как заряда датчики для выведения зарядки динамика активаторов вблизи поверхности. Эти динамики регистрируются с использованием ВС электронные подход к TR-STM, который заимствован из методики, разработанные Loth et al. ¹¹

Измерения выполняются на выбранных DBs на поверхности Si(100)-(2×1) водорода прекращено. Примеси обедненной области расширения примерно 60 Нм ниже поверхности, созданные с помощью термической обработки кристалл³⁰, отделяет DB и немногих оставшихся вблизи поверхности активаторов от основной полосы. STM исследования DBs показали, что их проводимости зависит от глобальной выборки параметров, как концентрация активаторов и температуры, но отдельные DBs также показывают сильные вариации в зависимости от их местных условий¹⁶. Во время измерения STM над одной БД, текущий поток регулируется скорость, на которой электроны может проложить туннель от основную БД (_{Массовая}Γ) и DB на кончике (_{наконечник}Γ) (рис. 1). Однако потому что проводимости DB чувствителен к местной окружающей среды, состояние заряда рядом активаторов влияет Γ_{сыпучих} (рис. 1B), который может быть выведен путем мониторинга DB проводимости. В результате, проводимость БД может использоваться для смысл государства заряда рядом активаторов и может использоваться для определения ставки, на которых являются активаторов поставляется электроны из массовых (_LHΓ) и потерять их до кончика STM (Γ_{HL ). Чтобы устранить эти динамики, TR-STS выполняется вокруг порог напряжения (ЧетV), на которых кончик индуцирует ионизации активаторов вблизи поверхности. Роль насоса и датчика импульсов является то же самое в трех время решена экспериментальные методы, представленные здесь. Насос временно приносит уровень смещения снизу выше Vthr, который индуцирует примеси ионизации. Это повышает проводимость дБ, что пробы от датчика пульса, который следует на нижней уклоном.}

Методы, описанные в настоящем документе выиграют желающих характеризовать динамику происходящих на миллисекунду для наносекундных шкалы с STM. Хотя эти методы не ограничены для изучения динамики заряда, важно, что динамики проявляются через временные изменения в проводимости государств, которые могут быть исследован STM (т.е. государства, на территории или вблизи поверхности). Если проводимость переходных состояний существенно не отличается от состояния равновесия, таким образом, что разница между равновесие и переходных токов умножается Скважность импульсов зонд меньше, чем слово шум систем (обычно 1 ПА), сигнал будет потеряно в шум и не будет обнаружить по этой методике. Потому что экспериментальные изменения коммерчески доступных STM систем, необходимых для выполнения методов, описанных в данном документе являются скромными, предполагается, что эти методы будут широко доступными для сообщества.