Totalmente electrónico resuelto nanosegundo túnel microscopía: Facilitar la investigación de Dopant solo carga dinámica

Exploración (STM) la microscopia el hacer un túnel se ha convertido en la principal herramienta en Nanociencia por su capacidad para resolver escala atómica topografía y estructura electrónica. Una limitación de STM convencional, sin embargo, es que su resolución temporal está restringida a la escala de tiempo de milisegundos debido al ancho de banda limitado de la corriente de preamplificador¹. Durante mucho tiempo ha sido una meta para ampliar la resolución temporal de STM a las escalas que ocurren comúnmente procesos atómicos. Pionera en el trabajo tiempo resuelto microscopía de efecto túnel (STM-TR) por Freeman et. al. ¹ utilizar interruptores fotoconductora y líneas de transmisión de Microcinta con dibujos en la muestra para transmitir impulsos de tensión del picosegundo para el cruce de túnel. Esta técnica mezcla de cruce se ha utilizado para lograr la resolución simultánea de 1 nm y 20 ps², pero nunca ha sido adoptado ampliamente debido a la exigencia del uso de las estructuras especializadas de la muestra. Afortunadamente, la idea fundamental de estas obras se puede generalizar a muchas técnicas de tiempo resuelto; Aunque el ancho de banda de circuitos de STM se limita a varios kilohercios, la respuesta no lineal de la detección en STM permite dinámica más rápido a ser sondeado por el túnel promedio actual obtenido durante muchos ciclos de bomba-sonda de medición. En los años transcurridos, se han explorado diversos enfoques, el más popular de la que se repasa brevemente a continuación.

STM (SPPX) sacudido-pulso-par-excitada aprovecha de los avances en tecnologías láser de pulsos ultrarrápidos para lograr la resolución sub-picosegundo por iluminar directamente la salida del túnel y emocionante portadores en la muestra³. La luz láser incidente crea portadores libres que mejoran transitoriamente la conducción, y modulación de la demora entre la bomba y sonda (t_d) permite d/dt_d a medirse con un amplificador lock-in. Porque la demora entre la bomba y sonda es modulada en lugar de la intensidad del láser, como en muchos otros enfoques ópticos, STM SPPX evita dilatación térmica inducida por la iluminación de foto de la punta³. Las extensiones más recientes de este enfoque han ampliado los plazos que SPPX STM se puede utilizar para investigar la dinámica mediante la utilización de técnicas de recolección de pulso para aumentar la gama de bomba sonda retardo veces⁴. Lo importante, este reciente desarrollo también proporciona la capacidad a medida (t_d) curvas directamente en lugar de mediante la integración numérica. Aplicaciones recientes de STM SPPX han incluido el estudio de la recombinación del portador en solo-(Mn, Fe)/GaAs(110) estructuras dinámicas⁵ y donantes en GaAs⁶. Aplicaciones de STM SPPX enfrentan algunas restricciones. La señal QUE STM SPPX medidas depende de portadores libres excitados por los pulsos ópticos y se adapta mejor a los semiconductores. Además, aunque el túnel actual se localiza en la punta, porque un área es excitado por los pulsos ópticos, la señal es una circunvolución de las propiedades locales y transporte de material. Por último, el sesgo en el cruce se fija en la escala de tiempo de medición para que la dinámica bajo estudio debe ser fotoinducida.

Una técnica óptica más reciente, terahertz (THz-STM), de STM parejas pulsos de THz de espacio libre se centró en el cruce a la punta STM. A diferencia de en SPPX-STM, los impulsos acoplados se comportan como pulsos de voltaje rápida que permite la investigación de excitaciones conducidas electrónicamente con el picosegundo resolución⁷. Curiosamente, la corriente rectificada había generado de los pulsos de THz resultados en densidades de corriente de pico extrema no accesibles por convencional STM^8,9. La técnica se ha utilizado recientemente para estudiar electrones calientes en Si(111)-(7×7)⁹ y la vibración de una molécula de pentaceno solo¹⁰de la imagen. THz-pulsos par naturalmente a la punta, sin embargo, la necesidad de integrar una fuente de THz a un experimento STM es probable que sea difícil para muchos experimentadores. Esto motiva el desarrollo de otras técnicas ampliamente aplicables y fácilmente implementables.

En 2010, Loth et al. ¹¹ desarrolló una técnica totalmente electrónico donde nanosegundo pulsos de voltaje aplicados en la parte superior un offset DC electrónicamente bombean y sonda system¹¹. La introducción de esta técnica ofrece una demostración crítica de aplicaciones prácticas sin ambigüedades de tiempo resuelto STM para medir física previamente inadvertido. Aunque no es tan rápido como ensambladura del STM, que lo precedieron, de mezcla aplicación de pulsos de microondas hasta la punta STM permite muestras arbitrarias a investigarse. Esta técnica no requiere complicados métodos ópticos ni acceso óptico a la ensambladura del STM. Esto hace que la técnica más fácil para adaptarse a la baja temperatura STMs. La primera manifestación de estas técnicas se aplicó al estudio de la dinámica de la vuelta donde un STM polarizada vuelta fue utilizado para medir la dinámica de relajación de spin-estados excitados por los pulsos de la bomba¹¹. Hasta hace poco, su uso seguía siendo limitado a adatom magnética sistemas^12,13,14 pero tiene puesto que se ha extendido al estudio de la velocidad de captura de portador de un discreto mediados de-boquete¹⁵ del estado y carga dinámica de dopantes solo arsénico en silicio^15,16. Este último estudio es el foco de este trabajo.

Estudios sobre las propiedades de solo dopantes en semiconductores recientemente han atraído considerable atención debido a semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) entrando en el régimen donde solo dopantes pueden afectar propiedades del dispositivo¹⁷ . Además, varios estudios han demostrado que los dopantes solo pueden servir como el componente fundamental de los futuros dispositivos, por ejemplo como qubits para quantum computación¹⁸ y quantum memoria¹⁹y como solo átomo transistores^{20 , 15}. dispositivos de futuro pueden incorporar también otros defectos de la escala atómica, como el silicio colgando de bonos (DB) que pueden ser modelado con precisión atómica con STM litografía²¹. Para ello, DBs se han propuesto como charge qubits²², puntos cuánticos para quantum autómatas celulares arquitecturas^23,24y de^25,cables atómica²⁶ y ha sido modelada para crear cuántica lógica hamiltoniano puertas²⁷ y moléculas artificiales^28,29. Avanzando, los dispositivos pueden incorporar dopantes solo y DBs. Esto es una estrategia atractiva porque DBs son defectos superficiales que fácilmente pueden ser caracterizados con STM y utilizados como asa para caracterizar dispositivos de dopant solo. Como ejemplo de esta estrategia, DBs se utilizan en este trabajo como sensores de carga para deducir la carga dinámica de dopantes cerca de la superficie. Estas dinámicas son capturadas con el uso de un enfoque totalmente electrónico TR-STM que es una adaptación de las técnicas desarrolladas por Loth et al. ¹¹

Las mediciones se realizan en las DBs en una superficie de Si(100)-(2×1) de hidrógeno terminado. Una región de agotamiento de dopante que se extiende aproximadamente 60 nm debajo de la superficie, creado a través del tratamiento térmico del cristal³⁰, desvincula, el DB y el pocos restantes dopantes de cerca de la superficie de las bandas a granel. Estudios STM de DBs han encontrado que su conductancia depende de parámetros de la muestra global, como la concentración de dopantes y la temperatura, pero DBs individuales también muestran fuertes variaciones dependiendo de su entorno local¹⁶. Durante una medición de STM sobre una única DB, el flujo actual se rige por la tasa en la cual electrones pueden túnel del bulto a la DB (Γ_grueso) y de la DB a la punta (_puntadeΓ) (figura 1). Sin embargo, porque la conducción de la DB es sensible a su entorno local, del estado de carga de dopantes cercanas influencias Γ_{a granel} (figura 1B), que puede inferirse mediante el control de la conductancia de la DB. Como resultado, la conductancia de una DB puede utilizarse para detectar los Estados de carga de dopantes cercana y puede utilizarse para determinar las tarifas que los dopantes son suministran electrones de la mayor parte (Γ_LH) y perder la punta del STM (Γ_{HL ). Para resolver estas dinámicas, TR-STS se realiza alrededor de los voltajes de umbral (Vthr) en la que la punta induce la ionización de dopantes cerca de la superficie. El papel de los impulsos de la bomba y la sonda es la misma en las técnicas experimentales tiempo resuelto tres presentadas aquí. La bomba transitoriamente trae el nivel diagonal de abajo a arriba Vthr, que induce la ionización dopante. Esto aumenta la conductancia de la DB, que es muestreada por el pulso de la punta de prueba que sigue a un menor sesgo.}

Las técnicas descritas en este trabajo beneficiará a aquellos que desean caracterizar dinámica que ocurre en los milisegundos a nanosegundos calendario con STM. Mientras que estas técnicas no se limitan al estudio de carga dinámica, es crucial que la dinámica se manifiesta a través de cambios transitorios en la conductancia de Estados que puede ser sondeado por STM (es decir, Estados en o cerca de la superficie). Si la conductancia de los Estados transitorios no difieren significativamente al estado de equilibrio tal que la diferencia entre las corrientes transitorios y equilibrio multiplicado por el ciclo de trabajo del pulso sonda suele ser más pequeño que el ruido de los sistemas ( 1 pA), la señal se perderá en el ruido y no será detectable por esta técnica. Porque las modificaciones experimentales de sistemas STM comercialmente disponibles necesarios para realizar las técnicas descritas en este documento son modestas, se prevé que estas técnicas sea ampliamente accesibles a la comunidad.