紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在非平衡電子態(tài)操控領(lǐng)域取得突破

上海技物所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陸衛(wèi)研究員和復(fù)旦大學(xué)安正華研究員的科研團(tuán)隊(duì)共同合作，通過散粒噪聲對(duì)非局域熱電子能量耗散進(jìn)行空間成像研究，相關(guān)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日在Science預(yù)印版（First release）上線。獲得該成果的關(guān)鍵手段是基于團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的超高靈敏甚長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器的掃描噪聲顯微鏡（SNoiM）技術(shù)。

相關(guān)研究成果已在Science預(yù)印版（First release）上線

電子被發(fā)現(xiàn)一個(gè)多世紀(jì)以來，人類社會(huì)對(duì)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(shù)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(duì)于電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)將面臨著從平衡態(tài)理論向非平衡態(tài)理論的發(fā)展。然而，如美國(guó)基礎(chǔ)能源科學(xué)顧問委員會(huì)報(bào)告中指出，當(dāng)前科學(xué)上面臨的5大挑戰(zhàn)之一就是對(duì)非平衡態(tài)尤其是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的表征和操控，對(duì)于電子的非平衡態(tài)特征下運(yùn)動(dòng)行為，特別是將電子運(yùn)動(dòng)行為從其所依附的晶格背景干擾下提取出來，對(duì)于認(rèn)識(shí)和操控非平衡熱電子進(jìn)而增強(qiáng)器件功能有著重要作用。

按平衡態(tài)理論，人們預(yù)測(cè)在微電子器件中電流最大的位置往往會(huì)是電子溫度最高的地方，該文章的主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)是：在納米尺度結(jié)構(gòu)中，電子溫度最高之處并非局域在電流最大位置，而是明顯地向電流的流動(dòng)方向偏離了，而且電子的溫度高于晶格溫度很多倍。文章從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面證實(shí)了這種奇異特性就來自熱電子的非平衡態(tài)特征。電子的這種新奇運(yùn)動(dòng)行為可以與常見的水流特性做一種近似的形象比對(duì)。在平坦的小河中，水流處于平衡態(tài)，緩慢流動(dòng)的水與地貌相依相存，平穩(wěn)的水流沒有明顯水珠四射的噪聲特征；然而，一旦通過河床地貌跳崖式下降處，水流會(huì)經(jīng)歷在重力作用下被加速的過程，水流沖擊到河床低谷處就出現(xiàn)了水珠四射的巨大噪聲特征，此時(shí)的水流已經(jīng)不再完全依附于地貌之上，如同水被高溫加溫后沸騰一般，如果一定要用一種等效溫度來描述此處的水溫，那么只有很高的水溫才能形成如此沸騰的非平衡態(tài)。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(qiáng)電場(chǎng)形成對(duì)電子很大的加速度，可以想象會(huì)有類似“湍急的水流”在漏的那端，電子會(huì)出現(xiàn)類似沸騰的狀態(tài)，如同有非常高的等效電子溫度，遠(yuǎn)比其所依附的晶格溫度高得多。

非平衡輸運(yùn)熱電子的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)在技術(shù)上具有極大的挑戰(zhàn)。該文章采用了一種可以檢測(cè)熱電子散粒噪聲的紅外近場(chǎng)顯微鏡技術(shù)，稱為掃描噪聲顯微鏡技術(shù)。其基本機(jī)理是非平衡態(tài)電子的電流強(qiáng)烈漲落形成的散粒噪聲會(huì)直接導(dǎo)致近場(chǎng)甚長(zhǎng)波紅外輻射，通過高靈敏的紅外近場(chǎng)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)僅測(cè)量到非平衡態(tài)電子特性，而不反映出與晶格溫度達(dá)到平衡的平衡態(tài)電子特性，從而為直接觀察在納米結(jié)構(gòu)中電子的非平衡態(tài)乃至遠(yuǎn)離平衡態(tài)的特性提供了獨(dú)特的方法。

該文章的發(fā)表標(biāo)志著紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將在非平衡電子態(tài)操控領(lǐng)域取得更多的創(chuàng)新成果。這項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃專項(xiàng)、上海市科委重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院海外科學(xué)家計(jì)劃等資助。

應(yīng)用掃描噪聲顯微鏡（SNoiM）進(jìn)行的超高頻率（~21.3THz）噪聲的納尺度成像：（A）掃描噪聲顯微鏡的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（B）GaAs/AlGaAs量子阱納米器件的電子受限區(qū)域的SEM圖；（C和D）相反偏置電壓（±6V）下二維實(shí)空間的近場(chǎng)噪聲強(qiáng)度信號(hào)成像，近場(chǎng)信號(hào)由針尖高度調(diào)制模式獲得，其中彩色表達(dá)了電子的等效溫度；（E）近場(chǎng)信號(hào)與針尖高度關(guān)系，近場(chǎng)信號(hào)是由電壓調(diào)制模式獲得。

噪聲強(qiáng)度隨偏置電壓增大的演變：（A-F）由針尖高度調(diào)制模式獲得的二維成像圖；（G）y方向（平行于[100]）一維近場(chǎng)信號(hào)隨位置變化圖；（H）近場(chǎng)（圓和三角形點(diǎn)表達(dá)）和遠(yuǎn)場(chǎng)（方形點(diǎn)表達(dá)）探測(cè)到的噪聲強(qiáng)度隨著偏置電壓的變化規(guī)律。