安正华课题组首次实现室温下热电子的非局域能量耗散过程显微成像

近日，复旦大学物理学系应用外观物理国家重点实验室研究员安正华课题组与中科院上海技术物理所研究员陆卫团队等合作，通过采用一种自立研发的、可以检测热电子散粒噪声的红外近场显微镜技术（简称：扫描噪声显微镜技术或SNoiM，参见图1），直接探测GaAs/AlGaAs单晶材料纳米输运沟道中非平衡态电子电流涨落引起的散粒噪声（shot noise），揭示了热电子输运过程中的能量耗散空间分布信息。3月29日，相干成果发表于《科学》杂志（Science）预印版（First release, DOI: 10.1126/science.aam9991）。

图1. 应用扫描噪声显微镜(SNoiM)进行的超高频率(~21.3THz)
散粒噪声的纳尺度成像实验装配示意图。

随着微电子器件尺度按摩尔定律赓续向纳米尺度减小、功耗密度赓续增长，器件工作过程中的电子被驱动至阔别平衡态，这些非平衡的热电子输运性子和能量弛豫过程会极大影响器件所能达到的工作性能。因此，周全熟悉甚至操控非平衡热电子举动对后摩尔时代的电子学器件发展具有紧张的引导作用。然而，非平衡输运热电子的实验检测具有极大的技术挑衅。
 

本项实验行使SNoiM技术战胜了传统热探测手段的低灵敏度、受限于检测晶格温度等瑕玷，并发现，散粒噪声引起的红外辐射具有外观倏逝波特征（evanescent wave），且能够反映对应热电子的温度。随着器件偏压的渐渐增长，热电子温度的分布由局域分布向非局域分布过渡，并呈现显明的热电子速度过冲征象（图2）。

图2.噪声强度随偏置电压增大的演变（0.5-8V），效果表现
大偏压下热电子的温度分布呈现显明的非局域特征。

据悉，SNoiM技术除可应用于上述电子学器件的热电子显微成像之外，还可以进一步拓展至更多金属/非金属/新型二维材料等广泛的实验系统。
 

该工作第一单位为上海技术物理所，第二单位为复旦大学，物理学系研究员安正华和上海技术物理所研究员陆卫是该论文通讯作者。该项目得到天然科学基金委庞大科学仪器研制项目的资助。