超快太赫茲掃描隧道顯微鏡（THz-STM）——調(diào)控單原子隧道電流

導讀 

    原子級上電流的超快控制對納米電子未來的創(chuàng)新至關重要。之前相關研究表明，將皮秒級太赫茲脈沖耦合到金屬納米結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)納米尺度上極度局部的瞬態(tài)電場。

正文

    近期，加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta）Frank A. Hegmann教授研究組在美國RHK Technology公司生產(chǎn)的商用超高真空掃描隧道顯微鏡（RHK-UHV-SPM 3000）系統(tǒng)上自主研發(fā)了太赫茲-掃描隧道顯微鏡（THz-STM），首次在超高真空中對Si(111)-(7×7)樣品表面執(zhí)行原子分辨率THz-STM測量，展示了超高真空中的THz-STM探索原子精度的超快非平衡隧道動力學的超強能力。

圖1：利用THz-STM在超高真空中控制極端隧道電流

    在圖1(a)中可以看到，超快太赫茲（THz）脈沖通過反向視窗上的透鏡（左側(cè)）聚焦到超高真空（中間）的STM探針上，在隧道結(jié)（插圖）處產(chǎn)生隧道電流。圖1(c)中展示了耦合到STM針尖的太赫茲脈沖引發(fā)隨時間變化的偏壓（VTHz（t），紅色實線），驅(qū)動超快太赫茲感應電流（ITHz（t），藍色實線），從而產(chǎn)生整流的平均隧道電流。太赫茲脈沖極性（0°, 90°, 180°）可用于控制太赫茲脈沖引起的整流隧道電流，如圖1(e)所示。電子從樣品向尖端流動，產(chǎn)生負的太赫茲極性，從尖端到樣品具有正的太赫茲極性。

圖2：Si(111)- (7×7)上的單個原子非平衡隧穿的超快控制

    極限太赫茲脈沖驅(qū)動的隧道電流高達常規(guī)STM中穩(wěn)態(tài)電流的107倍，實現(xiàn)了以0.3nm的空間分辨率對硅表面上的單個原子成像，由此確定在高電流水平下的超快太赫茲脈沖驅(qū)動隧道確實可以局域化為單一原子。此外，測試結(jié)果表明解釋Si(111)-(7×7)上的太赫茲驅(qū)動的STM（TD-STM）圖像的原子波紋（其中數(shù)百個電子在亞皮秒時間尺度內(nèi)隧穿），需要理解非平衡充電動力學由硅表面的太赫茲脈沖引起。同時，單個原子的太赫茲驅(qū)動隧道電流的方向可以通過太赫茲脈沖電場的極性來控制。在太赫茲頻率下，類金屬Si(111)-(7×7)表面不能從體電子屏蔽電場，導致太赫茲隧道電導與穩(wěn)態(tài)隧道電導基本機制的不同。很顯然，這樣一個極端的瞬態(tài)電流密度并不會影響所研究的單原子STM針尖或樣品表面原子，如同在傳統(tǒng)STM測試中具有如此大小隧道電流的Si(111)-(7×7)一樣。

圖3：太赫茲感應電流中的熱電子

    在高太赫茲場中觀察到了來自熱電子的隧道電流的額外貢獻。超快太赫茲誘導的帶狀彎曲和表面狀態(tài)的非平衡充電打開了新的傳導通路，使極端瞬態(tài)隧道電流在尖端和樣品之間流動。半導體表面的THz-STM為原子尺度上的超快隧穿動力學提供了新的見解，這對于開發(fā)新型硅納米電子學和以太赫茲頻率工作的原子級器件至關重要。

    美國RHK公司商用超高真空掃描隧道顯微鏡（RHK-UHV-SPM 3000）為THz-STM的研發(fā)提供了穩(wěn)定可靠的基礎，期待Frank A. Hegmann教授研究組利用這個強大的科研武器取得更多卓越的成果，同時希望更多的科研工作者能在THz-STM實驗平臺上開展富有成效的學術研究。

參考文獻：
1. Tyler L. Cocker, Frank A. Hegmann et al. An ultrafast terahertz scanning tunneling microscope. Nature Photonics, 151(2013).
2. Vedran Jelic, Frank A. Hegmann et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nature Physics, 4047(2017).