扫描探针单电子电容谱学

以下实验的总体目标是观察并实现对位于非导电表面下方的纳米级导电系统中单个电子充放电过程的空间分辨。通过将样品装载到低温扫描探针显微镜上，以实现低温和低噪声环境，从而能够观测单电子行为。第二步，将显微镜设置为扫描隧道显微镜模式，使探针尖端接近样品表面顶部约一纳米处，从而将尖端定位在适合进行电容测量的位置。

接下来，使用电容模式下的显微镜，利用极其灵敏的电荷检测电路，探测由亚表面系统中电子运动在探针上感应出的像电荷。该方法可确定亚表面量子系统的电子结构。实验结果展示了单个电子隧穿至纳米尺度亚表面系统内部及从其中隧穿出来的过程。

峰和电容-电压曲线标记了电子的添加能。在量子体系中，半导体器件正变得越来越小。最小的可能器件是单个施主原子或杂质原子。

许多提出的器件涉及少量相互作用的量子点。我们的方法能够解析这些微小系统的基本电子结构。该方法从根本上可揭示埋藏界面、掺杂剂以及半导体样品的电子结构信息。

这是一种电容测量方法，可扩展应用于多种低温局域测量，如表面介电特性与功函数成像。这些实验在具备低温能力的扫描探针显微镜及其配套电子设备上进行。除偏压、电压和隧道电流所需的同轴线外，还需确保至少两条额外的同轴线和一条接地线从电子设备机架连接至显微镜的探针区域。

这些将用于传输低温放大器的信号。接下来，根据高电子迁移率晶体管hemp组装低温放大器电路。使用划片机从砷化镓晶圆上切割出一块约一厘米乘一厘米的芯片。

然后通过沉积法在表面制备数个尺寸约为一毫米乘一毫米的金电极。接下来，从贵金属丝上制备一个尖锐的探针。使用剪线钳在低温兼容环氧树脂中剪切80/20铂铱合金丝以形成尖端。

将金线连接到砷化镓芯片上的每个金焊盘。该芯片上已额外添加了一些导线。如果目前不需要这些导线，可将其轻松移除，但需注意避免引入杂散电荷。

在处理大麻环氧树脂时，将偏置电阻器、探针以及大麻材料安装到砷化镓熔融芯片上。待环氧树脂充分固化后，使用装载金线的引线键合机将大麻的源极、漏极和栅极元件分别键合至芯片键合区的独立金焊盘上。通过临时导线连接栅极与源极或漏极焊盘，以确保栅极相对于源极-漏极沟道不会产生电荷积累。

首先将芯片上的导线与显微镜上的同轴导线接地，然后将安装芯片固定在扫描压电管顶部。使用铟焊料将芯片上的金线与相应的同轴导线连接。

测试后，将大麻样品固定在样品台上。该样品安装在类似巴卡风格的斜坡上，可通过向支撑的压电管施加电压，使样品进出移动。在显微镜和扫描隧道显微镜（STM）模式下，移动样品至合适位置，以确保样品与探针能够成功接近。

测试成功后，将样品移至远离探针的位置，以在显微镜操作过程中保护探针。为准备低温工作，将显微镜从实验台转移至低温恒温器中。该低温恒温器应能够使显微镜达到所需的基底温度，即 4.2 开尔文或更低。

将显微镜抽真空至几微托后，将显微镜下降一到两英寸进入恒温器，并等待温度达到平衡。此过程可能需要数十分钟。重复每次下降一到两英寸的操作，直至显微镜到达指定位置。

完全浸入过程可能需要近一天的时间。然后应让显微镜静置以达到热平衡。最后，将冷冻切片机和显微镜组件与振动隔离。

本实验中使用连接到恒温器的弹力绳悬挂系统。利用该悬挂系统将组件抬离地面几英寸，并保持在此高度。监测其高度，以判断恒温器是否下沉并需要重新提升悬挂。

完成STM扫描后，将STM控制器中的反馈回路关闭并收回探针，开始进行电容模式测量。将探针从其STM位置横向偏移数十余纳米，移至样品上近期未扫描过的区域。为切换至电容模式的接线配置，首先通过将所有同轴电缆接地来保护HEMPS。

使用T型连接器连接导线，可在进行其他连接时保持导线接地。接下来，将同轴导线连接至相应的电压源和电阻、锁相放大器以及函数发生器。将所有电压源设置为零，然后打开电源。

解除同轴电缆的接地，注意先解除栅极导线的接地。最后为保护大麻，将电压源调整至所需水平。调节大麻并锁定放大器以获得最佳性能。

然后等待大麻材料稳定。此时可以进行扫描、电荷累积成像以及电容-电压谱学测量。这是一个电荷累积成像的示例。

样品为掺有硼受主的硅材料，在表面以下15纳米处形成δ掺杂层，受主面密度为每平方米1.7×10¹⁵，在4.2开尔文温度下测得。根据色标，较亮的颜色表示更高的电荷信号。亮斑被解释为标记了单个亚表面硼原子的位置。

蓝色圆点表示执行点 C 随 V 变化谱学测量的特定亮点位置。C 随 V 变化数据中的最大峰被解释为来自紧邻针尖正下方的掺杂区域的电荷注入。附近的其他峰源于邻近的量子点，这些峰的中心位置发生偏移，且相对于主峰其幅度降低。

由于DO引脚间距增加，电压轴上的峰因模型中已考虑的效应而展宽，模型曲线与实验数据的一致性证实了这一点。此处所示的电容-电压谱数据针对砷化镓δ掺杂样品，其表面下方60纳米处有一层硅施主，面密度为1.25 × 10¹⁶ 每平方米，测量温度为300毫开尔文。

它还显示出一系列充电峰，其中大多数与多个电子进入和离开量子点的行为一致，而单个电子峰由红色箭头标出。右侧的数据来自对左侧图中红色箭头所指峰的重复测量。对数据进行平均后，得到拟合结果，并以绿色显示。

该拟合曲线与实验条件下单电子峰的预期形状一致。观看本视频后，您应能够充分理解进行扫描单电子电容测量实验的实际操作要点。在尝试该实验步骤时，需特别注意采取预防措施，避免栅极与源漏通道之间产生静电积累，从而导致敏感的异质结构被破坏。