電子被發(fā)現(xiàn)一個(gè)多世紀(jì)以來，人類社會(huì)對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，對于電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識將面臨著從平衡態(tài)理論向非平衡態(tài)理論的發(fā)展。正如美國基礎(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)之一就是對非平衡態(tài)尤其是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的表征和操控。

　　按平衡態(tài)理論，人們預(yù)測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。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點(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，利用非平衡輸運(yùn)熱電子的實(shí)驗(yàn)檢測在技術(shù)，通過散粒噪聲對非局域熱電子能量耗散進(jìn)行空間成像研究，發(fā)現(xiàn)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。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。

　　該研究工作的最大挑戰(zhàn)來自于非平衡輸運(yùn)熱電子的實(shí)驗(yàn)檢測技術(shù)上。實(shí)驗(yàn)室采用了自主研發(fā)的超高靈敏甚長波量子阱紅外探測器的掃描噪聲顯微鏡(SNoiM)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)致近場甚長波紅外輻射，通過高靈敏的紅外近場檢測可實(shí)現(xiàn)僅測量到非平衡態(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。

　　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日獲得《Science》雜志在線發(fā)表，將對認(rèn)識和操控非平衡熱電子進(jìn)而增強(qiáng)器件功能發(fā)揮重要作用。

　　這項(xiàng)研究工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委重大項(xiàng)目、中國科學(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)空間的近場噪聲強(qiáng)度信號成像，近場信號由針尖高度調(diào)制模式獲得，其中彩色表達(dá)了電子的等效溫度。(E) 近場信號與針尖高度關(guān)系，近場信號是由電壓調(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])一維近場信號隨位置變化圖。(H)近場(圓和三角形點(diǎn)表達(dá))和遠(yuǎn)場(方形點(diǎn)表達(dá))探測到的噪聲強(qiáng)度隨著偏置電壓的變化規(guī)律。