We present the design and implementation of a scanning probe microscope, which combines electrically detected magnetic resonance (EDMR) and (photo-)conductive atomic force microscopy ((p)cAFM). The integration of a 3-loop 2-gap X-band microwave resonator into an AFM allows the use of conductive AFM tips as a movable contact for EDMR experiments. The optical readout of the AFM cantilever is based on an infrared laser to avoid disturbances of current measurements by absorption of straylight of the detection laser. Using amorphous silicon thin film samples with varying defect densities, the capability to detect a spatial EDMR contrast is demonstrated. Resonant current changes as low as 20 fA can be detected, allowing the method to realize a spin sensitivity of |$8 \times 10^6{\rm spins}/\sqrt{\rm Hz}$| at room temperature.
REFERENCES
1.
J.
Schmidt
and I.
Solomon
, C. R. Acad. Sci., Ser. B
263
, 169
(1966
).2.
M.
Stutzmann
, M. S.
Brandt
, and M. W.
Bayerl
, J. Non-Cryst. Solids
266–269
, 1
(2000
).3.
K.
Lips
, P.
Kanschat
, and W.
Fuhs
, Sol. Energy Mater. Sol. Cells
78
, 513
(2003
).4.
R. N.
Pereira
, A. R.
Stegner
, T.
Andlauer
, K.
Klein
, H.
Wiggers
, M. S.
Brandt
, and M.
Stutzmann
, Phys. Rev. B
79
, 161304
(R) (2009
).5.
J.
Behrends
, A.
Schnegg
, K.
Lips
, E. A.
Thomsen
, A. K.
Pandey
, I. D. W.
Samuel
, and D. J.
Keeble
, Phys. Rev. Lett.
105
, 176601
(2010
).6.
W. J.
Baker
, D. R.
McCamey
, K. J.
van Schooten
, J. M.
Lupton
, and C.
Boehme
, Phys. Rev. B
84
, 165205
(2011
).7.
C. C.
Lo
, F. R.
Bradbury
, A. M.
Tyryshkin
, C. D.
Weis
, J.
Bokor
, T.
Schenkel
, and S. A.
Lyon
, Appl. Phys. Lett.
100
, 063510
(2012
).8.
D. R.
McCamey
, H.
Huebl
, M. S.
Brandt
, W. D.
Hutchison
, J. C.
McCallum
, R. G.
Clark
, and A. R.
Hamilton
, Appl. Phys. Lett.
89
, 182115
(2006
).9.
B.
Stich
, S.
Greulich-Weber
, and J.-M.
Spaeth
, J. Appl. Phys.
77
, 1546
(1995
).10.
C.
Boehme
and K.
Lips
, Phys. Rev. Lett.
91
, 246603
(2003
).11.
A. R.
Stegner
, C.
Boehme
, H.
Huebl
, M.
Stutzmann
, K.
Lips
, and M. S.
Brandt
, Nat. Phys.
2
, 835
(2006
).12.
T.
Sato
, H.
Yokoyama
, H.
Ohya
, and H.
Kamada
, Rev. Sci. Instrum.
71
, 486
(2000
).13.
T.
Sato
, H.
Yokoyama
, H.
Ohya
, and H.
Kamada
, J. Magn. Reson.
153
, 113
(2001
).14.
T.
Sato
, H.
Yokoyama
, and H.
Ohya
, Chem. Lett.
33
, 650
(2004
).15.
A.
Blank
, E.
Dikarov
, R.
Shklyar
, and Y.
Twig
, Phys. Lett. A
377
, 1937
(2013
).16.
D.
Rugar
, R.
Budakian
, H.
Mamin
, and B.
Chui
, Nature (London)
430
, 329
(2004
).17.
C. L.
Degen
, M.
Poggio
, H. J.
Mamin
, C. T.
Rettner
, and D.
Rugar
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
106
, 1313
(2009
).18.
M.
Poggio
and C. L.
Degen
, Nanotechnology
21
, 342001
(2010
).19.
A. V.
Balatsky
, M.
Nishijima
, and Y.
Manassen
, Adv. Phys.
61
, 117
(2012
).20.
J. R.
Maze
, P. L.
Stanwix
, J. S.
Hodges
, S.
Hong
, J. M.
Taylor
, P.
Cappellaro
, L.
Jiang
, M. V.
Gurudev Dutt
, E.
Togan
, A. S.
Zibrov
, A.
Yacoby
, R. L.
Walsworth
, and M. D.
Lukin
, Nature (London)
455
, 644
(2008
).21.
M. S.
Grinolds
, P.
Maletinsky
, S.
Hong
, M. D.
Lukin
, R. L.
Walsworth
, and A.
Yacoby
, Nat. Phys.
7
, 687
(2011
).22.
P.
Maletinsky
, S.
Hong
, M. S.
Grinolds
, B.
Hausmann
, M. D.
Lukin
, R. L.
Walsworth
, M.
Loncar
, and A.
Yacoby
, Nat. Nanotechnol.
7
, 320
(2012
).23.
M. S.
Grinolds
, S.
Hong
, P.
Maletinsky
, L.
Luan
, M. D.
Lukin
, R. L.
Walsworth
, and A.
Yacoby
, Nat. Phys.
9
, 215
(2013
).24.
J.
Elzerman
, R.
Hanson
, L.
van Beveren
, B.
Witkamp
, L.
Vandersypen
, and L.
Kouwenhoven
, Nature (London)
430
, 431
(2004
).25.
A.
Morello
, J. J.
Pla
, F. A.
Zwanenburg
, K. W.
Chan
, K. Y.
Tan
, H.
Huebl
, M.
Mottonen
, C. D.
Nugroho
, C.
Yang
, J. A.
van Donkelaar
, A. D. C.
Alves
, D. N.
Jamieson
, C. C.
Escott
, L. C. L.
Hollenberg
, R. G.
Clark
, and A. S.
Dzurak
, Nature (London)
467
, 687
(2010
).26.
J.
Köhler
, J. A. J. M.
Disselhorst
, M. C. J. M.
Donckers
, E. J. J.
Groenen
, J.
Schmidt
, and W. E.
Moerner
, Nature (London)
363
, 242
(1993
).27.
J.
Wrachtrup
, C.
von Borczyskowski
, J.
Bernard
, M.
Orrit
, and R.
Brown
, Nature (London)
363
, 244
(1993
).28.
T.
Koida
, M.
Kawasaki
, R.
Maruyama
, M.
Matsuse
, and H.
Koinuma
, Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
420
, 895
(1996
).29.
D.
Azulay
, I.
Balberg
, V.
Chu
, J. P.
Conde
, and O.
Millo
, Phys. Rev. B
71
, 113304
(2005
).30.
M.
Ledinský
, A.
Fejfar
, A.
Vetushka
, J.
Stuchlík
, B.
Rezek
, and J.
Kočka
, Phys. Status Solidi (RRL)
5
, 373
(2011
).31.
A.
Alexeev
, J.
Loos
, and M.
Koetse
, Ultramicroscopy
106
, 191
(2006
).32.
D. C.
Coffey
, O. G.
Reid
, D. B.
Rodovsky
, G. P.
Bartholomew
, and D. S.
Ginger
, Nano Lett.
7
, 738
(2007
).33.
X.
Ou
, P. D.
Kanungo
, R.
Kögler
, P.
Werner
, U.
Gösele
, W.
Skorupa
, and X.
Wang
, Nano Lett.
10
, 171
(2010
).34.
J.-S.
Hwang
, M.-C.
Kao
, J.-M.
Shiu
, C.-N.
Fan
, S.-C.
Ye
, W.-S.
Yu
, H.-M.
Lin
, T.-Y.
Lin
, S.
Chattopadhyay
, L.-C.
Chen
, and K.-H.
Chen
, J. Phys. Chem. C
115
, 21981
(2011
).35.
R. A.
Street
, Hydrogenated Amorphous Silicon
(Cambridge University Press
, Cambridge
, 1991
).36.
G.
Pake
and T.
Estle
, The Physical Principles of Electron Spin Resonance
(Benjamin
, New York
, 1973
).37.
J.-M.
Spaeth
and H.
Overhof
, Point Defects in Semiconductors and Insulators: Determination of Atomic and Electronic Structure from Paramagnetic Hyperfine Interactions
(Springer
, Berlin
, 2003
).38.
H.
Dersch
, L.
Schweitzer
, and J.
Stuke
, Phys. Rev. B
28
, 4678
(1983
).39.
D. L.
Staebler
and C. R.
Wronski
, Appl. Phys. Lett.
31
, 292
(1977
).40.
H.
Dersch
, J.
Stuke
, and J.
Beichler
, Appl. Phys. Lett.
38
, 456
(1981
).41.
I.
Hirabayashi
, K.
Morigaki
, and S.
Nitta
, Jpn. J. Appl. Phys.
19
, L357
(1980
).42.
R. A.
Street
, Philos. Mag. B
46
, 273
(1982
).43.
S.-Y.
Lee
, S.
Paik
, D. R.
McCamey
, and C.
Boehme
, Phys. Rev. B
86
, 115204
(2012
).44.
T.
Tiedje
, in Hydrogenated Amorphous Silicon
, Semiconductors and Semimetals
Vol. 21C
, edited by J. I.
Pankove
(Academic Press
, New York
, 1984
), p. 207
.45.
P. R.
Cullis
and J. R.
Marko
, Phys. Rev. B
11
, 4184
(1975
).46.
M.
Stutzmann
and D. K.
Biegelsen
, Phys. Rev. B
28
, 6256
(1983
).47.
See www.attocube.com for further details on the AFM head and the interferometric readout scheme.
48.
W.
Froncisz
and J. S.
Hyde
, J. Magn. Reson.
47
, 515
(1969
).49.
R. H.
Fritsch
, Ph.D. thesis, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
, 1989
.50.
H.
Brunner
, K. H.
Hausser
, and W.
Veith
, European patent EP0204104 (1990
).51.
J.
Löwenstein
, Diploma thesis, Freie Universität
Berlin, 2008
.52.
R. L.
Wood
, W.
Froncisz
, and J. S.
Hyde
, J. Magn. Reson.
58
, 243
(1969
).53.
C. P.
Poole
, Electron Spin Resonance: A Comprehensive Treatise on Experimental Techniques
, 2nd ed. (Dover Publications
, Mineola
, 1997
).54.
55.
M.
Ledinský
, A.
Fejfar
, A.
Vetushka
, J.
Stuchlík
, and J.
Kočka
, J. Non-Cryst. Solids
358
, 2082
(2012
).56.
O.
Astakhov
, R.
Carius
, F.
Finger
, Y.
Petrusenko
, V.
Borysenko
, and D.
Barankov
, Phys. Rev. B
79
, 104205
(2009
).57.
M. S.
Brandt
, M. W.
Bayerl
, M.
Stutzmann
, and C. F. O.
Graeff
, J. Non-Cryst. Solids
227–230
, 343
(1998
).58.
P. D.
Wolf
, T.
Clarysse
, W.
Vandervorst
, J.
Snauwaert
, and L.
Hellemans
, J. Vac. Sci. Technol. B
14
, 380
(1996
).59.
P. D.
Wolf
, M.
Geva
, T.
Hantschel
, W.
Vandervorst
, and R. B.
Bylsma
, Appl. Phys. Lett.
73
, 2155
(1998
).60.
T.
Trenkler
, T.
Hantschel
, R.
Stephenson
, P. D.
Wolf
, W.
Vandervorst
, L.
Hellemans
, A.
Malavé
, D.
Büchel
, E.
Oesterschulze
, W.
Kulisch
, P.
Niedermann
, T.
Sulzbach
, and O.
Ohlsson
, J. Vac. Sci. Technol. B
18
, 418
(2000
).61.
S. J.
O'Shea
, R. M.
Atta
, and M. E.
Welland
, Rev. Sci. Instrum.
66
, 2508
(1995
).62.
M. A.
Lantz
, S. J.
O'Shea
, and M. E.
Welland
, Phys. Rev. B
56
, 15345
(1997
).63.
M. A.
Lantz
, S. J.
O'Shea
, and M. E.
Welland
, Rev. Sci. Instrum.
69
, 1757
(1998
).64.
B.
Bhushan
and K. J.
Kwak
, J. Phys.: Condens. Matter
20
, 225013
(2008
).65.
K.
Lips
and W.
Fuhs
, J. Appl. Phys.
74
, 3993
(1993
).66.
K.
Lips
, M.
Block
, W.
Fuhs
, and C.
Lerner
, J. Non-Cryst. Solids
164–166
, 697
(1993
).67.
A. G.
Kazanskii
, A. S.
Korol
, E. P.
Milichevich
, and M. V.
Chukivech
, Sov. Phys. Semicond.
20
, 1000
(1986
).68.
U.
Schneider
, B.
Schröder
, and F.
Finger
, J. Non-Cryst. Solids
97–98
, 795
(1987
).69.
C. F. O.
Graeff
, R.
Buhleier
, and M.
Stutzmann
, Appl. Phys. Lett.
62
, 3001
(1993
).70.
F.
Nardi
, D.
Deleruyelle
, S.
Spiga
, C.
Muller
, B.
Bouteille
, and D.
Ielmini
, J. Appl. Phys.
112
, 064310
(2012
).71.
I.
Solomon
, D.
Biegelsen
, and J.
Knights
, Solid State Commun.
22
, 505
(1977
).72.
73.
A.
Bietsch
, M. A.
Schneider
, M. E.
Welland
, and B.
Michel
, J. Vac. Sci. Technol. B
18
, 1160
(2000
).74.
D.-Z.
Guo
, S.-M.
Hou
, G.-M.
Zhang
, and Z.-Q.
Xue
, Appl. Surf. Sci.
252
, 5149
(2006
).75.
G.
Boero
, M.
Bouterfas
, C.
Massin
, F.
Vincent
, P.-A.
Besse
, R. S.
Popovic
, and A.
Schweiger
, Rev. Sci. Instrum.
74
, 4794
(2003
).76.
D. C.
Maier
, Bruker Rep.
114
, 13
(1997
).77.
R.
Narkowicz
, D.
Suter
, and R.
Stonies
, J. Magn. Reson.
175
, 275
(2005
).78.
R.
Narkowicz
, D.
Suter
, and I.
Niemeyer
, Rev. Sci. Instrum.
79
, 084702
(2008
).79.
Y.
Twig
, E.
Dikarov
, and A.
Blank
, Mol. Phys.
111
, 2674
–2682
(2013
).80.
G.
Kawachi
, C. F. O.
Graeff
, M. S.
Brandt
, and M.
Stutzmann
, Phys. Rev. B
54
, 7957
(1996
).81.
G.
Kawachi
, C. F. O.
Graeff
, M. S.
Brandt
, and M.
Stutzmann
, Jpn. J. Appl. Phys.
36
, 121
(1997
).82.
H.
Huebl
, Ph.D. thesis, Walter Schottky Institut, Technische Universität München
, 2007
.83.
E.
Abe
, A. M.
Tyryshkin
, S.
Tojo
, J. J. L.
Morton
, W. M.
Witzel
, A.
Fujimoto
, J. W.
Ager
, E. E.
Haller
, J.
Isoya
, S. A.
Lyon
, M. L. W.
Thewalt
, and K. M.
Itoh
, Phys. Rev. B
82
, 121201
(R) (2010
).84.
85.
A. M.
Tyryshkin
, S. A.
Lyon
, A. V.
Astashkin
, and A. M.
Raitsimring
, Phys. Rev. B
68
, 193207
(2003
).86.
A.
Albrecht
, A.
Retzker
, F.
Jelezko
, and M. B.
Plenio
, New J. Phys.
15
, 083014
(2013
).87.
S. D.
Bennett
, N. Y.
Yao
, J.
Otterbach
, P.
Zoller
, P.
Rabl
, and M. D.
Lukin
, Phys. Rev. Lett.
110
, 156402
(2013
).88.
R.
Meckenstock
, Rev. Sci. Instrum.
79
, 041101
(2008
).© 2013 AIP Publishing LLC.
2013
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.