超快太赫兹扫描隧道显微镜（THz-STM）——调控单原子隧道电流

导读 

    原子级上电流的超快控制对纳米电子未来的创新至关重要。之前相关研究表明，将皮秒级太赫兹脉冲耦合到金属纳米结构可以实现纳米尺度上极度局部的瞬态电场。

正文

    近期，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）Frank A. Hegmann教授研究组在美国RHK Technology公司生产的商用超高真空扫描隧道显微镜（RHK-UHV-SPM 3000）系统上自主研发了太赫兹-扫描隧道显微镜（THz-STM），在超高真空中对Si(111)-(7×7)样品表面执行原子分辨率THz-STM测量，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动力学的*能力。

图1：利用THz-STM在超高真空中控制隧道电流

    在图1(a)中可以看到，超快太赫兹（THz）脉冲通过反向视窗上的透镜（左侧）聚焦到超高真空（中间）的STM探针上，在隧道结（插图）处产生隧道电流。图1(c)中展示了耦合到STM针尖的太赫兹脉冲引发随时间变化的偏压（VTHz（t），红色实线），驱动超快太赫兹感应电流（ITHz（t），蓝色实线），从而产生整流的平均隧道电流。太赫兹脉冲极性（0°, 90°, 180°）可用于控制太赫兹脉冲引起的整流隧道电流，如图1(e)所示。电子从样品向流动，产生负的太赫兹极性，从到样品具有正的太赫兹极性。

图2：Si(111)- (7×7)上的单个原子非平衡隧穿的超快控制

    极限太赫兹脉冲驱动的隧道电流高达常规STM中稳态电流的107倍，实现了以0.3nm的空间分辨率对硅表面上的单个原子成像，由此确定在高电流水平下的超快太赫兹脉冲驱动隧道确实可以局域化为单一原子。此外，测试结果表明解释Si(111)-(7×7)上的太赫兹驱动的STM（TD-STM）图像的原子波纹（其中数百个电子在亚皮秒时间尺度内隧穿），需要理解非平衡充电动力学由硅表面的太赫兹脉冲引起。同时，单个原子的太赫兹驱动隧道电流的方向可以通过太赫兹脉冲电场的极性来控制。在太赫兹频率下，类金属Si(111)-(7×7)表面不能从体电子屏蔽电场，导致太赫兹隧道电导与稳态隧道电导基本机制的不同。很显然，这样一个的瞬态电流密度并不会影响所研究的单原子STM针尖或样品表面原子，如同在传统STM测试中具有如此大小隧道电流的Si(111)-(7×7)一样。

图3：太赫兹感应电流中的热电子

    在高太赫兹场中观察到了来自热电子的隧道电流的额外贡献。超快太赫兹诱导的带状弯曲和表面状态的非平衡充电打开了新的传导通路，使瞬态隧道电流在和样品之间流动。半导体表面的THz-STM为原子尺度上的超快隧穿动力学提供了新的见解，这对于开发新型硅纳米电子学和以太赫兹频率工作的原子级器件至关重要。

    美国RHK公司商用超高真空扫描隧道显微镜（RHK-UHV-SPM 3000）为THz-STM的研发提供了稳定可靠的基础，期待Frank A. Hegmann教授研究组利用这个*的科研武器取得更多的成果，同时希望更多的科研工作者能在THz-STM实验平台上开展富有成效的学术研究。

参考文献：
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).