Многозональная сканирующая туннельная микроскопия

Схематическое изображение измерения СТМ с несколькими наконечниками, при котором красный и зеленый наконечники вводят и отводят боковой ток в исследуемый образец. Желтый и левый зеленый наконечники измеряют напряжение в соответствующих положениях, которое накапливается из-за подаваемого тока.

Многоконтактная сканирующая туннельная микроскопия ( Multi-tip STM ) расширяет возможности сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) от визуализации до специальных электрических измерений на наноуровне, например, «мультиметра на наноуровне». В материаловедении, нанонауке и нанотехнологиях желательно измерять электрические свойства в определенном положении образца. Для этой цели были разработаны многозондовые СТМ, в которых несколько игл работают независимо. Помимо визуализации образца, наконечники многоконтактного СТМ используются для формирования контактов с образцом в нужных местах и для выполнения локальных электрических измерений.

Введение

Поскольку микроэлектроника развивается в наноэлектронику , крайне важно проводить измерения электронного транспорта на наноуровне. Стандартный подход заключается в использовании литографических методов для контакта с наноструктурами, поскольку он также используется в конечном наноэлектронном устройстве. Однако на стадиях исследований и разработок могут оказаться более подходящими другие методы контакта с наноэлектронными устройствами или вообще с наноструктурами. Альтернативный подход к контакту с наноструктурами использует наконечники многозонального сканирующего туннельного микроскопа — по аналогии с измерительными выводами мультиметра, используемого на макроуровне. Преимущества этого подхода заключаются в следующем: (а) контактирование in situ «выращенных» наноструктур, все еще находящихся в вакууме, помогает защитить тонкие наноструктуры от загрязнений, вызванных этапами литографии, выполняемыми для контактирования. (б) Легко реализовать гибкое позиционирование контактных наконечников и различные конфигурации контактов, в то время как литографические контакты фиксированы. (c) Зондирование острыми наконечниками может быть неинвазивным (высокоомное), тогда как литографические контакты обычно являются инвазивными (низкоомное). ^{[ 1 ]} Чтобы использовать сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для измерения электрического транспорта на наноструктурах или на поверхностях, требуется более одного наконечника. Это мотивирует использование многозональных сканирующих туннельных микроскопов, которые дают доступ к вышеизложенным преимуществам нанозондирования. Несколько обзорных статей о многоканальной STM можно найти в разделе «Дополнительная литература» ниже.

Принцип работы

Многозональные сканирующие туннельные микроскопы обычно состоят из четырех модулей СТМ, которые индивидуально позиционируют каждый из наконечников в желаемое положение на образце. Чтобы уменьшить температурный дрейф наконечников, четыре блока СТМ должны быть как можно меньше и компактнее. Важно, чтобы за движением кончиков можно было наблюдать либо с помощью оптического микроскопа , либо с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Это позволяет сблизить наконечники и расположить их в нужных местах измерения. Наконечники в многонаконечном СТМ обычно устанавливаются под углом 45° относительно вертикального направления, чтобы облегчить позиционирование всех насадок в одном участке образца.

После того, как был представлен первый многоканальный СТМ, ^{[ 2 ]} Было разработано несколько самодельных инструментов, и сегодня доступно также несколько коммерческих инструментов.

Расширением метода многозональной СТМ является модернизация до атомно-силовой микроскопии (АСМ). Для применения в наноэлектронике большинство образцов состоят из проводящих «мишеней» областей на поверхности, разделенных непроводящими областями. Для направления наконечника к проводящим областям может быть очень полезным использование АСМ-изображений вместо или в дополнение к оптическому микроскопу или позиционированию наконечников под контролем СЭМ. ^{[ 3 ]}

При двухточечном измерении измеряется сумма сопротивления образца и сопротивления контактов. При четырехточечном измерении сопротивление образца измеряется без влияния контактного сопротивления.

При выполнении электрических измерений в наномасштабе следует подчеркнуть, что контактное сопротивление часто очень велико при контакте наконечника СТМ с образцом, поскольку площадь контакта очень мала, поэтому измерения в четырех точках необходимы при измерениях сопротивления с помощью мутиметра. -наконечник СТМ. Это еще более важно при измерении наноразмерных объектов, поскольку контакты с этими объектами неизбежно имеют наноразмерный характер. При двухточечном измерении сопротивления два токоподводящих наконечника также используются для измерения напряжения. Следовательно, измеренное сопротивление R = V/I также включает вклад двух контактных сопротивлений R _C . При четырехточечном измерении цепь подачи тока отделена от цепи измерения напряжения. Если измерение напряжения производится при большом внутреннем сопротивлении R _V , влиянием контактных сопротивлений можно пренебречь. Это главное преимущество четырехточечного измерения.

Схема электрических измерений, выполненных с помощью многозондового СТМ. Каждый наконечник можно настроить как датчик тока или как датчик напряжения. Простейшим примером электрического измерения является классическое измерение сопротивления в четырех точках.

Для проведения электрических измерений с помощью многоконтактного СТМ требуется более четырех наконечников и возможность расположить их по мере необходимости. Должны быть выполнены согласованные измерения токов и напряжений со всеми четырьмя наконечниками. Электроника позволяет использовать каждый наконечник либо как (смещенный) пробник тока, либо как пробник напряжения. Между разными наконечниками (и/или образцом) применяются разные рампы IV. В простейшем случае между двумя внешними наконечниками подается ток, а между внутренними наконечниками измеряется разность потенциалов (классическое четырехточечное измерение), также как функция температуры. ^{[ 4 ]} Однако можно выполнять и другие виды измерений, например, зонд или образец можно использовать в качестве затворного электрода.

Применение многоканальной СТМ

Графеновые наноленты и графеновые наноструктуры

локальные транспортные свойства графеновых С помощью многозонального СТМ исследованы нанолент шириной 40 нм, выращенных на подложках из карбида кремния (SiC). Графеновые наноленты обладают исключительными транспортными свойствами, такими как баллистическая проводимость даже при комнатной температуре со средней длиной свободного пробега до нескольких мкм. ^{[ 5 ]} Такие эпитаксиальные графеновые наноленты важны не только для фундаментальной науки, но и потому, что их можно легко производить тысячами в современной наноэлектронике, которая может использовать их баллистические транспортные свойства при комнатной температуре.

СЭМ-изображение четырех зондов, контактирующих с графеновой нанолентой

Профилирование сопротивления вдоль отдельно стоящих нанопроволок GaAs

Многоконтактный СТМ можно использовать для картирования сопротивления вдоль отдельно стоящих нанопроволок GaAs диаметром около 100 нм. Нанопроволоки все еще «выросли» вертикально и прикреплены к подложке, поэтому невозможно контактировать с нанопроволоками с помощью литографических методов. В конфигурации измерения, показанной на рисунке, образец наклонен на 45 °, чтобы обеспечить оптимальное изображение нанопроволок с помощью СЭМ. Три наконечника, контактирующие с нанопроволокой, позволяют измерить сопротивление в четырех точках (с образцом в качестве четвертого контакта). Наконечник 1 подает ток в нанопроволоку, при этом образец действует как сток тока, а наконечники 2 и 3 действуют как датчики напряжения. Хотя структуру этих нанопроволок относительно легко изучить, например, с помощью электронной микроскопии высокого разрешения , трудно получить доступ к электрическим свойствам, определяемым профилем легирования вдоль нанопроволоки. Из измеренного четырехточечного сопротивления вдоль нанопроволоки можно получить профиль легирования вдоль нанопроволоки. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Слева: Схема четырехточечного измерения нанопроволоки с тремя кончиками, контактирующими с нанопроволокой. Справа: СЭМ-изображение отдельно стоящей нанопроволоки, с которой контактируют три кончика. Наконечники СТМ действуют как измерительные выводы мультиметра, однако контактируют с такими объектами, как нанопроволока, на наноуровне.

Многоконтактная потенциометрия

Методом, дающим ценную информацию о свойствах переноса заряда наноструктур, является сканирующая туннельная потенциометрия (СТП). ^{[ 9 ]} СТП может выполняться с помощью СТМ с несколькими наконечниками и позволяет составить карту потенциального ландшафта, пока ток течет через пленку, наноструктуру или исследуемую поверхность. Карты потенциометрии дают представление о фундаментальных транспортных свойствах, таких как влияние дефектов на локальный электрический транспорт. Реализация показана на рисунке: внешние наконечники подают ток в изучаемую наноструктуру или поверхность, а затем Центральный наконечник одновременно измеряет топографию, а также записывает электрический потенциал в каждой точке изображения, индуцированный протекающим током. Таким образом, можно получить карту потенциалов, измеренную, например, на поверхности кремния, с потенциальным разрешением в пару мкВ. Карта потенциала на рисунке показывает, что наибольшее падение потенциала происходит на краях атомных ступенек. Из этих данных можно получить сопротивление отдельной атомной ступеньки или доменной границы. Более того, если ток течет вокруг наноразмерного дефекта, например. например. В пустоте можно измерить карту потенциалов, возникающую из-за протекающего тока. ^{[ 10 ]}

Слева: Схема установки сканирующей туннельной потенциометрии, реализованной в многозональном сканирующем туннельном микроскопе. Два наконечника подают ток на поверхность образца, а третий наконечник отображает результирующее распределение потенциала. Область сканирования обозначается черным квадратом. Справа: Карта потенциалов, измеренная на поверхности Si, при этом основное падение потенциала происходит на краях атомных ступенек. На этом изображении ток течет сверху вниз.

Слева: топографическое изображение СТМ пустоты размером 5 нм в топологической изоляционной пленке. Справа: потенциальный диполь, развивающийся вокруг наноразмерной пустоты из-за протекания тока.

Отделение поверхностной проводимости от объемной проводимости

Измерение четырехточечного сопротивления на образце Si(111)-7×7, зависящее от расстояния, позволяет отделить поверхностную проводимость от объемной проводимости.

По мере того как наноустройства становятся все меньше и меньше, отношение поверхности к объему (т.е. доля атомов, расположенных на поверхности) постоянно увеличивается. Возрастающая важность поверхностной проводимости по сравнению с проводимостью через объем в современных наноэлектронных устройствах требует надежного определения поверхностной проводимости, чтобы минимизировать влияние нежелательных токов утечки на производительность устройства или использовать поверхности в качестве функциональных единиц. Модельной системой для соответствующих исследований является поверхность Si(111)-7×7. Задача состоит в том, чтобы отделить вклад поверхностной проводимости от объемной проводимости. Используя многоканальный СТМ, исследователи разработали метод, который использует измерения с четырьмя датчиками в линейной конфигурации, зависящие от расстояния, для определения поверхностной проводимости. ^{[ 4 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Спиновый ток в квантовых материалах

Спиновое напряжение генерируется спиновым током электрона. (Фото: Сабан Хус и Ан-Пин Ли/Национальная лаборатория Ок-Ридж, Министерство энергетики США).

Многоконтактный СТМ используется как метод обнаружения спинового напряжения в топологических изоляторах с помощью спин-поляризованной четырехзондовой сканирующей туннельной микроскопии на поверхностях Bi ₂ Te ₂ Se. Зависимый от спина электрохимический потенциал отделен от омического вклада. Этот компонент идентифицирован как спин-химический потенциал, возникающий в результате двумерного зарядового тока через топологические поверхностные состояния с блокировкой спинового импульса (TSS). В новом методе используется магнитный наконечник для наблюдения за спиновым поведением электронов на поверхности материала. ^{[ 13 ]}

См. также

Ссылки

^ Фойгтлендер, Б; Черепанов В; Корте, С; Лейс, А; Кума, Д; Просто, С и Люпке, Ф (2018). «Приглашенная обзорная статья: Многозональная сканирующая туннельная микроскопия: Экспериментальные методы и анализ данных» . Обзор научных инструментов . 89 (10): 101101. дои : 10.1063/1.5042346 . ПМИД 30399776 .
^ Шираки, я; Танабэ, Ф; Хобара, Р; Нагао, Т. и Хасэгава, С. (2001). «Четырехконтактные зонды с независимым приводом для измерения проводимости в сверхвысоком вакууме». Серфинг. Наука . 493 (1–3): 633–643. дои : 10.1016/S0039-6028(01)01276-6 .
^ Хигучи, С; Кубо, О; Курамочи, Х; Аоно, М. и Накаяма, Т. (2011). «Силовой микроскоп с четверным сканирующим зондом для измерения электрических свойств микроскопических материалов». Нанотехнологии . 22 (28): 285205. doi : 10.1088/0957-4484/22/28/285205 . ПМИД 21659691 .
^ Jump up to: ^а ^б Герасименко Ю.; Васьковский И; Лискевич М; Равник, Дж; Водеб, Дж; Диего, М; Кабанов В. и Михайлович Д. (2019). «Квантовый помеховый переход в коррелированное электронное стекло в 1T-TaS2». Природные материалы . 317 : 505. arXiv : 1803.00255 . дои : 10.1038/s41563-019-0423-3 .
^ Бэрингхаус, Дж.; Руан, М; Эдлер, Ф; Техеда, А; Сикот, М; Талеб-Ибрагими, А; Ли, АП; Цзян, З; Конрад, Э.Х.; Бергер, К; Тегенкамп, К. и де Хир, Вашингтон (2014). «Исключительный баллистический транспорт в эпитаксиальных графеновых нанолентах». Природа 506 (7488): 349–354. arXiv : 1301.5354 . дои : 10.1038/nature12952 . ПМИД 24499819 . S2CID 4445858 .
^ Корте, С; Стейдл, М; Прост, Вт; Черепанов В; Фойгтлендер, Б; Чжао, Вт; Кляйншмидт, П. и Ханнаппель, Т. (2013). «Сопротивление и профилирование легирующих примесей вдоль отдельно стоящих нанопроволок GaAs». Письма по прикладной физике . 103 (14): 143104. дои : 10.1063/1.4823547 .
^ Нэгелейн, А; Либориус, Л; Стейдл, М; Блумберг, К; Кляйншмидт, П; Полочек А. и Ханнаппель Т. (2017). «Сравнительный анализ профиля сопротивления вдоль конических полупроводниковых нанопроводов: многоконтактный метод в сравнении с методом линии передачи». Физический журнал: конденсированное вещество . 29 (39): 394007. doi : 10.1088/1361-648X/aa801e . ПМИД 28714857 .
^ Нагелейн, А; Стейдл, М; Корте, С; Фойгтландер, Б; Ура, В; Кляйншмидт, П. и Ханнаппель, Т. (2018). «Исследование истощения носителей заряда в отдельно стоящих нанопроволоках с помощью многозондового сканирующего туннельного микроскопа». Наноисследования . 11 (11): 5924–5934. дои : 10.1007/s12274-018-2105-x . S2CID 139202364 .
^ Люпке, Ф; Корте, С; Черепанов В. и Фойгтлендер Б. (2015). «Сканирующая туннельная потенциометрия, реализованная в установке с несколькими наконечниками с помощью программного обеспечения» . Обзор научных инструментов . 86 (12): 123701. arXiv : 1508.07717 . дои : 10.1063/1.4936079 . ПМИД 26724036 . S2CID 2239279 .
^ Люпке, Ф; Эшбах, М; Хайдер, Т; Ланиус, М; Шюффельген, П; Розенбах, Д; фон ден Дриш, Н.; Черепанов В; Масслер, Дж; Плучинский, Л; Грюцмахер, Д; Шнайдер, КМ, и Фойгтлендер, Б (2017). «Электрическое сопротивление отдельных дефектов на поверхности топологического изолятора» . Природные коммуникации . 8 : 15704. arXiv : 1704.06580 . дои : 10.1038/ncomms15704 . ПМЦ 5472778 . ПМИД 28604672 .
^ Просто, С; Блаб, М; Корте, С; Черепанов В; Солтнер, Х. и Фойгтлендер, Б. (2015). «Поверхностная и ступенчатая проводимость на поверхностях Si (111)» . Письма о физических отзывах . 115 (6): 066801. arXiv : 1505.01288 . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.066801 . ПМИД 26296126 .
^ Просто, С; Солтнер, Х; Корте, С; Черепанов В. и Фойгтлендер Б. (2017). «Поверхностная проводимость поверхностей Si (100) и Ge (100), определенная на основе четырехточечных транспортных измерений с использованием аналитической модели проводимости N-слоя». Физический обзор B . 95 (7): 075310. arXiv : 1610.02239 . дои : 10.1103/PhysRevB.95.075310 . S2CID 118383531 .
^ Гус, С.М.; Чжан, XG; Нгуен, Грузия; Ко, Вт; Баддорф, AP; Чен, Ю. П. и Ли, AP (2017). «Обнаружение спин-химического потенциала в топологических изоляторах с использованием спин-поляризованного четырехзондового СТМ» . Письма о физических отзывах . 119 (13): 137202. doi : 10.1103/PhysRevLett.119.137202 . ПМИД 29341679 .

Дальнейшее чтение

Хофманн, П. и Уэллс, Дж.В. (2009). «Поверхностно-чувствительные измерения проводимости». Дж. Физ. Конденсируется. Иметь значение . 21 (1): 013003. doi : 10.1088/0953-8984/21/1/013003 . ПМИД 21817212 .
Накаяма, Т; Кубо, О; Шингая, Ю; Хигучи, С; Хасэгава, Т; Цзян, К; Окуда, Т; Кувахара, Ю; Таками, К. и Аоно, М. (2012). «Разработка и применение многозондовых сканирующих зондовых микроскопов». Адв. Матер 24 (13): 1675–1692. дои : 10.1002/adma.201200257 . ПМИД 22378596 .
Ли, АП; Кларк, К.В.; Чжан, X и Баддорф, AP (2013). «Транспорт электронов в нанометровом масштабе, пространственно обнаруженный с помощью четырехзондовой сканирующей туннельной микроскопии». Адв. Функц. Мэтр . 23 (20): 2509–2524. дои : 10.1002/adfm.201203423 .
Сюй Т. и Грандидье Б. (2015). Электрические характеристики полупроводниковых нанопроволок с помощью сканирующей зондовой микроскопии, в: Полупроводниковые нанопроволоки - материалы, синтез, характеристики и приложения, под ред.: Дж. Арбиол и К. Сюн, Elsevier . п. 277. ИСБН 978-1-78242-253-2 .
Накаяма, Т; Шингая, Ю и Аоно, М (2016). «Многозондовые сканирующие зондовые микроскопы для наноархитектонического материаловедения» . Япония. Дж. Прил. Физ . 55 (11): 1102А7. дои : 10.7567/JJAP.55.1102A7 .

[1] Фойгтлендер, Б; Черепанов В; Корте, С; Лейс, А; Кума, Д; Просто, С и Люпке, Ф (2018). «Приглашенная обзорная статья: Многозональная сканирующая туннельная микроскопия: Экспериментальные методы и анализ данных» . Обзор научных инструментов . 89 (10): 101101. дои : 10.1063/1.5042346 . ПМИД 30399776 .

[2] Шираки, я; Танабэ, Ф; Хобара, Р; Нагао, Т. и Хасэгава, С. (2001). «Четырехконтактные зонды с независимым приводом для измерения проводимости в сверхвысоком вакууме». Серфинг. Наука . 493 (1–3): 633–643. дои : 10.1016/S0039-6028(01)01276-6 .

[3] Хигучи, С; Кубо, О; Курамочи, Х; Аоно, М. и Накаяма, Т. (2011). «Силовой микроскоп с четверным сканирующим зондом для измерения электрических свойств микроскопических материалов». Нанотехнологии . 22 (28): 285205. doi : 10.1088/0957-4484/22/28/285205 . ПМИД 21659691 .

[Geras-4] Jump up to: ^а ^б Герасименко Ю.; Васьковский И; Лискевич М; Равник, Дж; Водеб, Дж; Диего, М; Кабанов В. и Михайлович Д. (2019). «Квантовый помеховый переход в коррелированное электронное стекло в 1T-TaS2». Природные материалы . 317 : 505. arXiv : 1803.00255 . дои : 10.1038/s41563-019-0423-3 .

[5] Бэрингхаус, Дж.; Руан, М; Эдлер, Ф; Техеда, А; Сикот, М; Талеб-Ибрагими, А; Ли, АП; Цзян, З; Конрад, Э.Х.; Бергер, К; Тегенкамп, К. и де Хир, Вашингтон (2014). «Исключительный баллистический транспорт в эпитаксиальных графеновых нанолентах». Природа 506 (7488): 349–354. arXiv : 1301.5354 . дои : 10.1038/nature12952 . ПМИД 24499819 . S2CID 4445858 .

[6] Корте, С; Стейдл, М; Прост, Вт; Черепанов В; Фойгтлендер, Б; Чжао, Вт; Кляйншмидт, П. и Ханнаппель, Т. (2013). «Сопротивление и профилирование легирующих примесей вдоль отдельно стоящих нанопроволок GaAs». Письма по прикладной физике . 103 (14): 143104. дои : 10.1063/1.4823547 .

[7] Нэгелейн, А; Либориус, Л; Стейдл, М; Блумберг, К; Кляйншмидт, П; Полочек А. и Ханнаппель Т. (2017). «Сравнительный анализ профиля сопротивления вдоль конических полупроводниковых нанопроводов: многоконтактный метод в сравнении с методом линии передачи». Физический журнал: конденсированное вещество . 29 (39): 394007. doi : 10.1088/1361-648X/aa801e . ПМИД 28714857 .

[8] Нагелейн, А; Стейдл, М; Корте, С; Фойгтландер, Б; Ура, В; Кляйншмидт, П. и Ханнаппель, Т. (2018). «Исследование истощения носителей заряда в отдельно стоящих нанопроволоках с помощью многозондового сканирующего туннельного микроскопа». Наноисследования . 11 (11): 5924–5934. дои : 10.1007/s12274-018-2105-x . S2CID 139202364 .

[9] Люпке, Ф; Корте, С; Черепанов В. и Фойгтлендер Б. (2015). «Сканирующая туннельная потенциометрия, реализованная в установке с несколькими наконечниками с помощью программного обеспечения» . Обзор научных инструментов . 86 (12): 123701. arXiv : 1508.07717 . дои : 10.1063/1.4936079 . ПМИД 26724036 . S2CID 2239279 .

[10] Люпке, Ф; Эшбах, М; Хайдер, Т; Ланиус, М; Шюффельген, П; Розенбах, Д; фон ден Дриш, Н.; Черепанов В; Масслер, Дж; Плучинский, Л; Грюцмахер, Д; Шнайдер, КМ, и Фойгтлендер, Б (2017). «Электрическое сопротивление отдельных дефектов на поверхности топологического изолятора» . Природные коммуникации . 8 : 15704. arXiv : 1704.06580 . дои : 10.1038/ncomms15704 . ПМЦ 5472778 . ПМИД 28604672 .

[11] Просто, С; Блаб, М; Корте, С; Черепанов В; Солтнер, Х. и Фойгтлендер, Б. (2015). «Поверхностная и ступенчатая проводимость на поверхностях Si (111)» . Письма о физических отзывах . 115 (6): 066801. arXiv : 1505.01288 . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.066801 . ПМИД 26296126 .

[12] Просто, С; Солтнер, Х; Корте, С; Черепанов В. и Фойгтлендер Б. (2017). «Поверхностная проводимость поверхностей Si (100) и Ge (100), определенная на основе четырехточечных транспортных измерений с использованием аналитической модели проводимости N-слоя». Физический обзор B . 95 (7): 075310. arXiv : 1610.02239 . дои : 10.1103/PhysRevB.95.075310 . S2CID 118383531 .

[13] Гус, С.М.; Чжан, XG; Нгуен, Грузия; Ко, Вт; Баддорф, AP; Чен, Ю. П. и Ли, AP (2017). «Обнаружение спин-химического потенциала в топологических изоляторах с использованием спин-поляризованного четырехзондового СТМ» . Письма о физических отзывах . 119 (13): 137202. doi : 10.1103/PhysRevLett.119.137202 . ПМИД 29341679 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]