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中科院上海技术物理所和复旦大学实现重大光学突破

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来源: 互联网   发布者:互联网
热度39票   时间:2018年7月14日 14:49
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物理系应用表面物理国家重点实验室安正华研究员组成的联合团队,首次采用被动式扫描近场太赫兹光学显微技术,实现了室温GaAs中热电子的非局域能量耗散过程显微成像。

电子是当今信息化时代微电子和光电子技术的物理基石。随着微电子器件尺寸按摩尔定律不断向纳米尺度减小,功耗密度不断增加,器件中的电子被驱动至远离平衡态,这些非平衡的热电子输运性质和能量弛豫过程极大地影响了器件所能达到的工作性能。全面认识甚至操控非平衡热电子行为对后摩尔时代的纳电子学器件发展具有重要的指导作用。然而,如美国基础能源科学顾问委员会报告中指出,当前科学上面临的重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。对于微纳电子器件中处于非平衡态电子运动行为的独立检测与操控,不仅受到电子体系所依附的晶格背景的巨大干扰,更受到电子体系自身热容极小的根本性限制,这使得人们对微纳器件中热电子行为的认识只能依赖于各类近似模型的理论模拟,而实验上的直接检测则迟迟难以突破。

中科院上海技术物理研究所陆卫团队联合复旦大学安正华团队,采用一种自主研发的太赫兹近场光学显微技术,以极高的灵敏度直接检测出热电子输运过程中的微弱太赫兹散粒噪声(shot noise)发射,因而也被称之为扫描噪声显微镜技术(SNoiM)。研究发现,GaAs单晶材料纳米沟道中,热电子在非平衡输运过程中由于电流涨落引起了超快太赫兹频段的散粒噪声,利用SNoiM对其进行成像研究可以直接揭示热电子输运过程中的能量耗散空间分布信息。

图1 扫描噪声显微镜(SNoiM)进行的超高频率(~21.3THz)噪声的纳尺度成像实验装置示意图。

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就是电子温度最高的地方,但是,通过SNoiM技术的研究发现: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,而是明显地向载流子的流动方向偏离了,而且电子的温度高于晶格温度很多倍。该研究团队从理论和实验两方面证实了这种奇异的“过冲”特性就来自热电子的非平衡态特征。热电子的这种新奇运动行为可类比于瀑布中飞流而下的水流过冲行为。该研究成果打开了利用近场光学技术探索微纳米尺度非平衡载流子运动缤纷世界的大门。

图2 噪声强度随偏置电压增大的演变(0.5~8V),结果显示大偏置电压下热电子的温度分布呈现明显的非局域特性。

基于太赫兹近场光学技术的SNoiM的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太赫兹波辐射,通过高灵敏的太赫兹近场检测可测量到非平衡态电子特性,而不反映出与晶格温度达到平衡的平衡态电子特性,从而为直接观察在纳米结构中电子的非平衡态的特性提供了独特的方法。SNoiM技术克服了传统热探测手段的低灵敏度、且受限于检测晶格温度等缺点。该技术除了可应用于上述电子学器件的热电子显微成像之外,还可进一步拓展至更多金属/非金属/半金属等广泛的实验体系。

相关成果以Imaging of nonlocal hot-electron energy dissipation via shot noise为题发表在Science [360, 775-778 (2018)]上。第一作者为翁钱春博士后,共同通信作者为安正华研究员和陆卫研究员。该工作得到了国家自然科学基金委项目、科技部国家重点研究计划专项、上海市科委重大项目、中国科学院海外科学家计划等资助。


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