The ability of quantum dots to confine single charges at discrete energy levels makes them a promising platform for novel electronic and optoelectronic devices. Self-assembled quantum dots are of considerable interest because their size, shape, and material can be controlled during growth. These properties influence the confinement potential, thereby controlling the energy levels of the dot. However, the method of growth does not allow for positioning of the quantum dots which end up randomly distributed over the sample surface, making it difficult for lithographic techniques to access the quantum dots to perform either charge transport or charge sensing measurements so that single dot properties can be measured. An atomic force microscope (AFM) can be used to spatially access individual dots, and by applying a voltage between cantilever tip and back-electrode, the energy levels of individual dots can be measured as electrons are added to the dot one-by-one in the Coulomb blockade regime. The oscillating cantilever in these experiments is responsible for both loading the dots through electrical gating and also detecting tunneling events through a change in cantilever resonance frequency and/or cantilever dissipation. We use an AFM to measure the energy levels in few electron self-assembled InAs quantum dots. The charging energy, level spacing, and shell structure of single dots are extracted experimentally. We compare our results to a theoretical model that describes in detail the mechanism behind the dissipative electrostatic interaction due to the tunneling single-electrons.Examples of the electrostatic influence of the environment on the dots are also presented, and a method for using an AFM for characterizing electrostatic noise is demonstrated. Charge fluctuations are known to compromise the operation of electronic devices, especially for electrical components which are built in the micron and nano regime. Super bandgap irradiation leads to generation-recombination noise over the sample surface but not over the self-assembled quantum dots. We measure the generation-recombination noise with an AFM and compare the noise on and off the dot to show sub-20~nm spatial resolution, demonstrating the ability of AFM for characterizing noise arising from charge fluctuations within the sample with high spatial resolution. / La propriété qu'ont les points quantiques de confiner des charges élémentaires à des niveaux discrets d'énergie en font une plate-forme prometteuse pour la conception de nouveaux appareils électroniques et opto-électroniques. Les points quantiques auto-assemblés sont d'autant plus intéressants puisque leur taille, forme et matériau peuvent être contrôlés lors de leur croissance. Ces propriétés influencent le potentiel de confinement modifiant ainsi les niveaux d'énergies du point quantique. Toutefois, cette méthode de croissance ne permet pas de positionner les points quantiques et ceux-ci se retrouvent distribués aléatoirement sur la surface de l'échantillon. Cela rend difficile l'accès aux points quantiques par des techniques lithographiques pour effectuer des mesures de transport ou de détection de charge permettant d'en déterminer les propriétés.Un microscope à force atomique (AFM) permet d'accéder spatialement à des points quantiques individuels et en appliquant une tension électrique entre la pointe du cantilever et une électrode arrière, leurs niveaux d'énergies peuvent être mesurés au fur et à mesure que des électrons sont ajoutés dans un régime de blocage de Coulomb. Dans ces expériences, le cantilever oscillant est responsable simultanément du chargement des points par l'application d'une tension de grille et de la détection du passage d'électron par « effet tunnel » par un changement de fréquence de résonance et/ou de dissipation du cantilever.Nous utilisons un AFM pour mesurer les niveaux d'énergie dans des points quantiques à quelques électrons d'InAs auto-assemblés. L'énergie de chargement, l'espacement des niveaux et la configuration électronique de points individuels sont obtenus expérimentalement. Nous comparons nos résultats à un modèle théorique qui décrit en détail le mécanisme derrière l'interaction électrostatique dissipative due au passage d'électrons par « effet tunnel ».Des exemples de l'influence électrostatique de l'environnement sur les points quantiques sont aussi présentés, ainsi qu'une méthode pour utiliser l'AFM pour caractériser le bruit électrostatique. Les fluctuations de charge sont connues pour compromettre le bon fonctionnement des appareils électroniques et particulièrement des composants micro et nanométriques. L'irradiation de larges bandes d'énergie interdites produit un bruit de génération et de recombinaison à la surface de l'échantillon, mais pas sur les points quantiques auto-assemblés. Nous mesurons ce bruit avec un AFM et comparons les résultats obtenus sur la surface du point quantique et en dehors en démontrant qu'une résolution spatiale inférieure à 20 nm est réalisée. Nous démontrons ainsi qu'un AFM permet de caractériser le bruit provenant des fluctuations de charge d'un échantillon avec une haute résolution spatiale.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.96933 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Godbout, Lynda |
| Contributors | Peter H Grutter (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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