Внешне - Чжучжоу Hair-Machine Co., Ltd.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 818 (2023) Цитировать эту статью

2218 Доступов

2 цитаты

43 Альтметрика

Подробности о метриках

Фотоиндуцированная динамика носителей наноструктур играет решающую роль в разработке новых функциональных возможностей современных материалов. Оптическая сканирующая туннельная микроскопия с накачкой-зондом (OPP-STM) представляет собой уникальные возможности визуализации динамики таких носителей в реальном пространстве с наномасштабным пространственным разрешением. Однако сочетание передовой технологии сверхбыстрых импульсных лазеров с СТМ для стабильных измерений с временным разрешением остается сложной задачей. Недавняя система OPP-STM, в которой время лазерного импульса электрически контролируется внешними триггерами, значительно упростила эту комбинацию, но ограничила ее применение из-за наносекундного временного разрешения. Здесь мы сообщаем о системе OPP-STM с внешним запуском и временным разрешением в диапазоне десятков пикосекунд. Мы также реализуем стабильное лазерное освещение перехода зонд-образец, разместив подвижную асферическую линзу, приводимую в действие пьезоактюаторами, непосредственно на столике СТМ и применив систему оптической стабилизации луча. Мы демонстрируем измерения OPP-STM на поверхностях GaAs(110), наблюдая динамику носителей с временем затухания \(\sim 170\) пс и выявляя локальную динамику носителей на таких особенностях, как край ступеньки и наноразмерный дефект. Стабильные измерения OPP-STM с разрешением в десятки пикосекунд за счет электрического управления лазерными импульсами подчеркивают потенциальные возможности этой системы для исследования динамики наноразмерных носителей широкого спектра функциональных материалов.

Способность измерять динамику носителей в наноразмерных материалах и устройствах является важной возможностью, требующей экспериментальных методов как с высоким пространственным, так и с высоким временным разрешением1. С этой целью сообщалось о многих методах с временным разрешением в сочетании с такими методами, как электронная микроскопия2,3,4, фотоэмиссионная электронная микроскопия5,6 и дифракция рентгеновских лучей7. Сканирующая туннельная микроскопия/спектроскопия (СТМ/СТС) — мощный метод исследования топографических и спектроскопических свойств различных поверхностей материалов с высоким пространственным и энергетическим разрешением. Однако временное разрешение обычного STM ограничено субмиллисекундным диапазоном полосы пропускания предусилителя (\(\sim 1\) кГц). Чтобы преодолеть это ограничение, с момента его изобретения были предприняты значительные усилия8,9,10,11. Среди них применение методов оптической накачки-зонда (OPP) к СТМ может обойти ограничения полосы пропускания схемы, достигая более высокого временного разрешения12,13,14,15,16.

Туннельный ток, индуцированный ОПП, как правило, слаб для обнаружения, поэтому нам необходимо использовать метод модуляции с использованием синхронного усилителя. Однако модуляция оптической интенсивности вызывает серьезные проблемы, такие как тепловое расширение иглы СТМ и образца. Поскольку изменения расстояния между зондом и образцом экспоненциально умножаются на туннельный ток, такие традиционные методы ОПП не могут быть напрямую объединены с СТМ. В 2004 году был изобретен изысканный метод модуляции времени задержки для подавления эффекта теплового расширения17. С последующим улучшением уровня шума и времени задержки18,19 OPP-STM теперь способен исследовать неравновесную динамику систем, таких как динамика носителей атомного масштаба вокруг одиночной примеси на поверхности GaAs(110)20,21, визуализация динамика сверхбыстрых носителей заряда в контакте GaAs-PIN22 и динамика релаксации поляронов, связанных с кислородными вакансиями на поверхности рутила TiO\(_2\)(110)23. Кроме того, в недавних исследованиях был реализован еще один СТМ с временным разрешением, использующий субпериодическое электрическое поле в качестве напряжения смещения между зондом СТМ и образцом, называемый СТМ, управляемый электрическим полем. Измеряя мгновенный туннельный ток, индуцированный субцикловым электрическим полем, можно выполнять сверхбыстрые измерения с временным разрешением. СТМ, управляемый электрическим полем, обеспечивает временное разрешение быстрее, чем 1 пс и 30 фс, сохраняя при этом пространственное разрешение СТМ с использованием терагерцовых (ТГц) и средних инфракрасных импульсов24,25,26,27,28,29,30,31. Эти усилия существенно расширили возможности СТМ с временным разрешением. Однако использование субпериодных импульсных электрических полей по-прежнему требует различных знаний, включая создание и управление электрическими полями.

\) is shown for each case. (b) \(\) as a function of \(t_{\textrm{d}}\). The time-averaged \(\) corresponding to each case in (a) is plotted with corresponding number. (c) Schematic of the delay-time modulation technique. The delay time between the pump and probe pulses is modulated between \(t_{\textrm{D}}\) and \(t_{\textrm{max}}\) at \(\sim 1\) kHz. Consequently, \(\) is also modulated between \(\) and \(\) at \(\sim 1\) kHz, and the lock-in amplifier detects \(\Delta I(t_{\textrm{D}})=-\)./p>\) is detected as a function of \(t_{\textrm{d}}\) (Fig. 4b)./p>- \) using the lock-in amplifier (Fig. 4c, bottom). By sweeping \(t_{\textrm{D}}\) slowly along with the lock-in detection, we obtain \(\Delta I\) as a function of \(t_{\textrm{D}}\), called an OPP tunneling current–delay time curve hereafter. This technique enables us to keep the thermal load at the tunnel junction constant, suppressing the thermal expansion effect substantially33./p> 0\) without (top) and with laser illumination (bottom)./p> 0\) is attributed to a depletion layer formed at the surface due to the tip-induced band bending effect39. In the case of an n-type semiconductor surface, the conduction band of the sample is bent upward near the surface when \(V > 0\) (Fig. 5c, top), preventing electrons tunneling from the tip. This results in a small tunneling current at \(V > 0\), as observed in Fig. 5b./p> 0\) greatly increases under illumination (red in Fig. 5b), and the SPV is estimated to be about 1.1 V at \(V=+3\) V. This behavior is in good agreement with previous results20, and is evidence that the sample surface under the tip is sufficiently illuminated by the laser pulses./p> 0\). The decay processes of the photocarriers in the bulk (top) and the surface (bottom) are shown./p> 55\) ps, we obtain the decay time of \(\sim 170\) ps, which could be originated from surface defect levels. The detail is beyond the scope of this work and will not be discussed here. This result clearly shows that the OPP-STM system developed in this study enables the detection of carrier dynamics in the tens-picosecond range significantly faster than the previous externally-triggerable OPP-STM systems23,32,33./p> 55\) ps are fitted with an exponential function./p>