直面當前科學五大挑戰之一——上海科學家解釋納米尺度下電子最高溫偏離現象

同樣的水流，

瀑布底部遠比平靜的河面要水花四濺。

在納米尺度下，電子也會如同水花一樣，

最高溫不在電流最大處，

而是偏向電流流動的方向。

中科院上海技物所紅外物理國家重點實驗室研究員陸衛和復旦大學研究員安正華的科研團隊共同合作，通過散粒雜訊對非局域熱電子能量耗散進行空間成像研究。相關論文日前在線發表於《科學》雜誌。

電子被發現1個多世紀以來，已成為微電子和光電子技術的物理學基石。隨著微電子器件尺度按摩爾定律不斷向納米尺度減小，對於電子運動規律的認識將面臨著從平衡態理論向非平衡態理論的發展。然而，如美國基礎能源科學顧問委員會報告所指出的，當前科學上面臨的五大挑戰之一，就是對非平衡態尤其是遠離平衡態的表徵和操控。對於電子的非平衡態特徵下運動行為，特別是將電子運動行為，從其所依附的晶格背景干擾下提取出來，對於認識和操控非平衡熱電子，進而增強器件功能有著重要作用。

按平衡態理論，人們預測，在微電子器件中電流最大的位置往往會是電子溫度最高的地方。上海科研團隊發現，在納米尺度結構中，電子溫度最高之處並非在電流最大位置，而是明顯地向電流的流動方向偏離了，而且電子的溫度高於晶格溫度很多倍。研究人員從理論和實驗兩方面證實，這種奇異特性來自熱電子的非平衡態特徵。

電子的這種新奇運動行為可以與常見的水流特性作近似的形象比對。在平坦的小河中，水流處於平衡態，緩慢流動的水與地貌相依相存，平穩的水流沒有明顯水珠四射的雜訊特徵；然而，一旦通過河床地貌斷崖式下降處，水流會經歷在重力作用下被加速的過程，水流衝擊到河床低谷處就出現了水珠四射的巨大雜訊特徵，此時的水流已經不再完全依附於地貌之上，如同水被高溫加溫後沸騰一般。如果一定要用一種等效溫度來描述此處的水溫，那麼只有很高的水溫才能形成如此沸騰的非平衡態。

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，納米尺度下的強電場形成對電子很大的加速度。可以想像會有類似「湍急的水流」在漏的那端，電子會出現類似沸騰的狀態，如同有非常高的等效電子溫度，遠比其所依附的晶格溫度高得多。

非平衡輸運熱電子的實驗檢測在技術上具有極大的挑戰。研究人員採用了一種可以檢測熱電子散粒雜訊的紅外近場顯微鏡技術，即掃描雜訊顯微鏡技術。其基本機理是非平衡態電子的電流強烈漲落形成的散粒雜訊，會直接導致近場甚長波紅外輻射。通過高靈敏的紅外近場檢測，可實現僅測量到非平衡態電子特性，而不反映出與晶格溫度達到平衡的平衡態電子特性，從而為直接觀察在納米結構中電子的非平衡態乃至遠離平衡態的特性提供了獨特的方法。

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