电子也像瀑布一样“飞流直下”,会发生什么有趣的事?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安正华研究员的科研团队合作,发现在纳米尺度下,电子也会如同水花一样,最高温不在电流最大处,而是偏向电子流动的方向。该研究成果日前在《科学》杂志在线发表。获得该成果的关键手段是基于团队自主研发的超高灵敏甚长波量子阱红外探测器的扫描噪声显微镜(SNoiM)技术。


自汤普森 1897 年发现电子以来,人们就尝试去展现它的运动。特别是微电子领域和光电转化过程中,控制与理解非平衡的热电子的运动,对优化器件效率有着重要作用。然而,电子运动速度快,直接观测需要极高的时空分辨率,使人们难以捕捉它们的蛛丝马迹。


“平衡态的电子就像平坦小河里的水流,缓慢流动的水和地貌相依存。”陆卫介绍,“非平衡态的水流则像瀑布,入水的一刹那水花四溅。”在常识中,一只白炽灯泡的钨丝会在最细的地方发出最亮的光,因为此处电阻最大,灯丝温度最高,这是电子平衡态特征下的运动行为。然而,在纳米尺度下的非平衡态下,结果可就不大一样了。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会是电子温度最高的地方。陆卫和安正华领衔的团队发现,在纳米尺度结构中,电子温度最高之处并非在电流最大位置,而是明显地向电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。研究人员从理论和实验两方面证实,这种奇异特性来自热电子的非平衡态特征。


用安正华的话来说,观察纳米尺度下电子的非平衡态运动,就好比“白天数星星”。“多亏我们自主研发的超高灵敏度的探测器。就好像白天用肉眼看广场上的蜡烛,往往看不见。这种探测器就像给我们戴上了望远镜,能够聚焦到电子的非平衡态运动。”此外,太赫兹冷光学共聚焦显微技术和超分辨扫描近场光学技术,也是此项成果不可或缺的好帮手。


随着微电子器件尺度按摩尔定律不断向纳米尺度减小,对于电子运动规律的认识也从平衡态理论向非平衡态理论的发展。在陆卫看来,这一发现补充了电子运动的理论基础。《科学》杂志四位评审论文的专家也不约而同亮出了“通过”。其中一位评委表示,关注半导体中非平衡态过程研究的众多科学家将受益于该成果。


这项研究将对后摩尔时代纳米器件的热管理与能源效率提升和太阳能电池等光电转换效率的提升带来帮助。

 

“电子现在工作一段时间后都会发热,这部分热能我们是不需要的。在这项发现的帮助下,我们可以尽可能减少这部分热能的产生。”陆卫表示,“就好比现在我们是让发烧的人服用退烧药,以后我们要做到不让他们发烧。”或许未来,因为这项成果,我们的计算机会速度更快、耗电更少,手机的待机时间也更长。


据悉,这项研究持续了近 6 年。“我们认准了电子的非平衡态研究会带来惊喜,但得出这样的结论也是偶然。我们有一位博士生也为此付出了五年的辛勤研究。”陆卫说。