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红外物理国家重点实验室在纳米结构中电子非平衡特性检测方面取得突破
日期:2018年05月06日     

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    电子被发现一个多世纪以来,人类社会对它的依赖程度越来越大,如今,它已成为微电子和光电子技术的物理基石。随着微电子器件尺度按摩尔定律不断向纳米尺度减小,对于电子运动规律的认识将面临着从平衡态理论向非平衡态理论的发展。正如美国基础能源科学顾问委员会报告中指出,当前科学上面临的5大挑战之一就是对非平衡态尤其是远离平衡态的表征和操控。
    按平衡态理论,人们预测在微电子器件中电流最大的位置往往会是电子温度最高的地方。中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室陆卫研究员和复旦大学安正华研究员的科研团队共同合作,利用非平衡输运热电子的实验检测在技术,通过散粒噪声对非局域热电子能量耗散进行空间成像研究,发现在纳米尺度结构中,电子温度最高之处并非局域在电流最大位置,而是明显地向电流的流动方向偏离了,而且电子的温度高于晶格温度很多倍。从理论和实验两方面证实了这种奇异特性就来自热电子的非平衡态特征。
    该研究工作的最大挑战来自于非平衡输运热电子的实验检测技术上。实验室采用了自主研发的超高灵敏甚长波量子阱红外探测器的扫描噪声显微镜(SNoiM)技术,称为扫描噪声显微镜技术。其基本机理是非平衡态电子的电流强烈涨落形成的散粒噪声会直接导致近场甚长波红外辐射,通过高灵敏的红外近场检测可实现仅测量到非平衡态电子特性,从而为直接观察在纳米结构中电子的非平衡态乃至远离平衡态的特性提供了独特的方法。
    相关研究成果“Imaging of nonlocal hot-electron energy dissipation via shot noise”(DOI: 10.1126/science.aam9991)已于2018年3月29日获得《Science》杂志在线发表,将对认识和操控非平衡热电子进而增强器件功能发挥重要作用。
    这项研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委重大项目、中国科学院海外科学家计划等资助。

    应用扫描噪声显微镜(SNoiM)进行的超高频率(~21.3THz)噪声的纳尺度成像,(A)扫描噪声显微镜的实验装置示意图。(B) GaAs/AlGaAs量子阱纳米器件的电子受限区域的SEM图。(C和D)相反偏置电压(6V)下二维实空间的近场噪声强度信号成像,近场信号由针尖高度调制模式获得,其中彩色表达了电子的等效温度。(E) 近场信号与针尖高度关系,近场信号是由电压调制模式获得。

    噪声强度随偏置电压增大的演变。(A-F)由针尖高度调制模式获得的二维成像图。(G)y方向(平行于[100])一维近场信号随位置变化图。(H)近?。ㄔ埠腿切蔚惚泶铮┖驮冻。ǚ叫蔚惚泶铮┨讲獾降脑肷慷人孀牌玫缪沟谋浠媛?。