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May 29, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 818(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

나노구조의 광유도 캐리어 역학은 첨단 소재의 새로운 기능을 개발하는 데 중요한 역할을 합니다. 광학 펌프-프로브 스캐닝 터널링 현미경(OPP-STM)은 나노규모 공간 분해능을 갖춘 캐리어 역학의 실제 공간 이미징의 독특한 기능을 나타냅니다. 그러나 안정적인 시간 분해 측정을 위해 초고속 펄스 레이저의 첨단 기술과 STM을 결합하는 것은 여전히 어려운 일입니다. 레이저 펄스 타이밍이 외부 트리거에 의해 전기적으로 제어되는 최근 OPP-STM 시스템은 이 조합을 크게 단순화했지만 나노초 시간 분해능으로 인해 적용이 제한되었습니다. 여기에서는 수십 피코초 범위의 시간적 분해능을 갖춘 외부 트리거 가능 OPP-STM 시스템을 보고합니다. 또한 압전 액츄에이터에 의해 구동되는 위치 이동 가능한 비구면 렌즈를 STM 스테이지에 직접 배치하고 광학 빔 안정화 시스템을 사용하여 팁-샘플 접합의 안정적인 레이저 조명을 실현합니다. 우리는 GaAs(110) 표면에 대한 OPP-STM 측정을 시연하여 \(\sim 170\) ps의 붕괴 시간으로 캐리어 역학을 관찰하고 스텝 에지 및 나노 크기 결함을 포함한 기능에서 로컬 캐리어 역학을 드러냅니다. 레이저 펄스의 전기 제어에 의한 수십 피코초 분해능의 안정적인 OPP-STM 측정은 광범위한 기능성 물질의 나노크기 캐리어 역학을 조사하기 위한 이 시스템의 잠재적인 기능을 강조합니다.

나노크기 물질 및 장치의 캐리어 역학을 측정하는 능력은 높은 공간적 분해능과 높은 시간적 분해능을 모두 갖춘 실험 기술이 필요한 중요한 기능입니다. 이를 위해 전자현미경2,3,4, 광전자현미경5,6 및 X선 회절7과 같은 방법과 결합된 많은 시간 분해 기술이 보고되었습니다. 주사형 터널링 현미경/분광학(STM/STS)은 높은 공간 및 에너지 분해능으로 다양한 재료 표면의 지형학적 및 분광학적 특성을 조사하는 강력한 기술입니다. 그러나 기존 STM의 시간적 분해능은 프리앰프 대역폭(\(\sim 1\) kHz)에 의해 밀리초 미만 범위로 제한됩니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 발명 이후 상당한 노력이 이루어졌습니다8,9,10,11. 이 중에서 STM에 OPP(광 펌프 프로브) 기술을 적용하면 회로 대역폭의 한계를 우회하여 더 높은 시간 분해능을 달성할 수 있습니다.

OPP에 의해 유도된 터널링 전류는 일반적으로 감지하기가 약하므로 잠금 증폭기를 사용하는 변조 기술을 사용해야 합니다. 그러나 광 강도의 변조는 STM 팁과 샘플의 열팽창과 같은 심각한 문제를 야기합니다. 팁-샘플 거리의 변화는 터널링 전류에서 기하급수적으로 증가하므로 이러한 기존 OPP 방법은 STM과 직접 결합될 수 없습니다. 2004년에는 열 팽창 효과를 억제하기 위한 정교한 지연 시간 변조 기술이 발명되었습니다17. 후속 잡음 수준 및 지연 시간 개선18,19을 통해 OPP-STM은 이제 GaAs(110) 표면의 단일 불순물 주변의 원자 규모 캐리어 역학과 같은 시스템의 비평형 역학을 조사할 수 있습니다. GaAs-PIN 접합의 초고속 캐리어 역학 및 금홍석 TiO\(_2\)(110) 표면의 산소 결손에 결합된 폴라론의 이완 역학. 또한 최근 연구에서는 STM 팁과 샘플 사이의 바이어스 전압으로 하위 사이클 전기장을 활용하는 또 다른 시간 분해 STM(전기장 구동 STM)이 실현되었습니다. 서브 사이클 전기장에 의해 유도된 순간 터널링 전류를 측정함으로써 초고속 시간 분해 측정을 수행할 수 있습니다. 전기장 구동 STM은 테라헤르츠(THz) 및 중적외선 펄스를 사용하여 STM의 공간 분해능을 유지하면서 1ps 및 30fs보다 빠른 시간 분해능을 가능하게 합니다. 이러한 노력으로 시간 해결 STM의 가능성이 크게 확대되었습니다. 그러나 하위 사이클 펄스 전기장을 사용하려면 여전히 전기장 생성 및 제어를 포함한 다양한 전문 지식이 필요합니다.

\) 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>

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