中科院上海技術物理所和復旦大學實現重大光學突破

中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室陸衛研究員和復旦大學物理系應用表面物理國家重點實驗室安正華研究員組成的聯合團隊，首次採用被動式掃描近場太赫茲光學顯微技術，實現了室溫GaAs中熱電子的非局域能量耗散過程顯微成像。

電子是當今信息化時代微電子和光電子技術的物理基石。隨著微電子器件尺寸按摩爾定律不斷向納米尺度減小，功耗密度不斷增加，器件中的電子被驅動至遠離平衡態，這些非平衡的熱電子輸運性質和能量弛豫過程極大地影響了器件所能達到的工作性能。全面認識甚至操控非平衡熱電子行為對後摩爾時代的納電子學器件發展具有重要的指導作用。然而，如美國基礎能源科學顧問委員會報告中指出，當前科學上面臨的重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。對於微納電子器件中處於非平衡態電子運動行為的獨立檢測與操控，不僅受到電子體系所依附的晶格背景的巨大幹擾，更受到電子體系自身熱容極小的根本性限制，這使得人們對微納器件中熱電子行為的認識只能依賴於各類近似模型的理論模擬，而實驗上的直接檢測則遲遲難以突破。

中科院上海技術物理研究所陸衛團隊聯合復旦大學安正華團隊，採用一種自主研發的太赫茲近場光學顯微技術，以極高的靈敏度直接檢測出熱電子輸運過程中的微弱太赫茲散粒雜訊（shot noise）發射，因而也被稱之為掃描雜訊顯微鏡技術（SNoiM）。研究發現，GaAs單晶材料納米溝道中，熱電子在非平衡輸運過程中由於電流漲落引起了超快太赫茲頻段的散粒雜訊，利用SNoiM對其進行成像研究可以直接揭示熱電子輸運過程中的能量耗散空間分布信息。

圖1 掃描雜訊顯微鏡（SNoiM）進行的超高頻率（~21.3THz）雜訊的納尺度成像實驗裝置示意圖

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就是電子溫度最高的地方，但是，通過SNoiM技術的研究發現：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，而是明顯地向載流子的流動方向偏離了，而且電子的溫度高於晶格溫度很多倍。該研究團隊從理論和實驗兩方面證實了這種奇異的「過沖」特性就來自熱電子的非平衡態特徵。熱電子的這種新奇運動行為可類比於瀑布中飛流而下的水流過沖行為。該研究成果打開了利用近場光學技術探索微納米尺度非平衡載流子運動繽紛世界的大門。

圖2 雜訊強度隨偏置電壓增大的演變（0.5~8V），結果顯示大偏置電壓下熱電子的溫度分布呈現明顯的非局域特性

基於太赫茲近場光學技術的SNoiM的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太赫茲波輻射，通過高靈敏的太赫茲近場檢測可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的特性提供了獨特的方法。SNoiM技術克服了傳統熱探測手段的低靈敏度、且受限於檢測晶格溫度等缺點。該技術除了可應用於上述電子學器件的熱電子顯微成像之外，還可進一步拓展至更多金屬/非金屬/半金屬等廣泛的實驗體系。

相關成果以Imaging of nonlocal hot-electron energy dissipation via shot noise為題發表在Science [360, 775-778 (2018)]上。第一作者為翁錢春博士後，共同通信作者為安正華研究員和陸衛研究員。該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、中國科學院海外科學家計劃等資助。

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