非局域熱電子能量耗散空間成像研究取得重要進展

中國科學院上海技術物理研究所研究員陸衛和復旦大學研究員安正華的科研團隊共同合作，通過散粒雜訊對非局域熱電子能量耗散進行空間成像研究，相關研究成果Imaging of nonlocal hot-electron energy dissipation via shot noise（DOI: 10.1126/science.aam9991）已於3月29日在《科學》（Science）預印版上線。獲得該成果的關鍵手段是基於團隊自主研發的超高靈敏甚長波量子阱紅外探測器的掃描雜訊顯微鏡（SNoiM）技術。

電子被發現一個多世紀以來，人類社會對它的依賴程度越來越大，如今它已成為微電子和光電子技術的物理基石。隨著微電子器件尺度按摩爾定律不斷向納米尺度減小，對於電子運動規律的認識將面臨著從平衡態理論向非平衡態理論的發展。然而，如美國基礎能源科學顧問委員會報告中指出，當前科學上面臨的5大挑戰之一就是對非平衡態尤其是遠離平衡態的表徵和操控，對於電子的非平衡態特徵下運動行為，特別是將電子運動行為從其所依附的晶格背景干擾下提取出來，對於認識和操控非平衡熱電子進而增強器件功能有著重要作用。

按平衡態理論，人們預測在微電子器件中電流最大的位置往往會是電子溫度最高的地方。但該新研究發現，在納米尺度結構中，電子溫度最高之處並非局域在電流最大位置，而是明顯地向電流的流動方向偏離，而且電子的溫度高於晶格溫度很多倍。文章從理論和實驗兩方面證實了這種奇異特性就來自熱電子的非平衡態特徵。電子的這種新奇運動行為可以與常見的水流特性作一種近似的形象比對。在平坦的小河中，水流處於平衡態，緩慢流動的水與地貌相依相存，平穩的水流沒有明顯水珠四射的雜訊特徵；然而，一旦通過河床地貌跳崖式下降處，水流會經歷在重力作用下被加速的過程，水流衝擊到河床低谷處就出現了水珠四射的巨大雜訊特徵，此時的水流已經不再完全依附於地貌之上，如同水被高溫加溫後沸騰一般。如果一定要用一種等效溫度來描述此處的水溫，那麼只有很高的水溫才能形成如此沸騰的非平衡態。如果將納米尺度中的電流比作水流，通過在器件源和漏二端加電壓，納米尺度下的強電場形成對電子很大的加速度，可以想像會有類似「湍急的水流」在漏的那端，電子會出現類似沸騰的狀態，如同有非常高的等效電子溫度，遠比其所依附的晶格溫度高得多。

非平衡輸運熱電子的實驗檢測在技術上具有極大的挑戰。該研究採用的SNoiM技術是一種可以檢測熱電子散粒雜訊的紅外近場顯微鏡技術。其基本機理是非平衡態電子的電流強烈漲落形成的散粒雜訊會直接導致近場甚長波紅外輻射，通過高靈敏的紅外近場檢測可實現僅測量到非平衡態電子特性，而不反映出與晶格溫度達到平衡的平衡態電子特性，從而為直接觀察在納米結構中電子的非平衡態乃至遠離平衡態的特性提供了獨特方法。

該研究工作得到了國家自然科學基金委項目、科技部國家重點研究計劃專項、上海市科委重大項目、中科院海外科學家計劃等的資助。

應用掃描雜訊顯微鏡（SNoiM）進行的超高頻率（~21.3THz）雜訊的納尺度成像：（A）掃描雜訊顯微鏡的實驗裝置示意圖；（B）GaAs/AlGaAs量子阱納米器件的電子受限區域的SEM圖；（C和D）相反偏置電壓（±6V）下二維實空間的近場雜訊強度信號成像，近場信號由針尖高度調製模式獲得，其中彩色表達了電子的等效溫度；（E）近場信號與針尖高度關係，近場信號是由電壓調製模式獲得。

雜訊強度隨偏置電壓增大的演變：（A-F）由針尖高度調製模式獲得的二維成像圖；（G）y方向（平行於[100]）一維近場信號隨位置變化圖；（H）近場（圓和三角形點表達）和遠場（方形點表達）探測到的雜訊強度隨著偏置電壓的變化規律。

來源：中國科學院上海技術物理研究所

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