中科院上海技物所所长陆卫(左)与团队成员通过这台扫描噪声近场显微镜进行测试实验，

在非局域热电子能量耗散空间成像研究方面取得重要进展

    经过五年多攻关，中国科学院上海技术物理研究所联合复旦大学科学家自主研制出高灵敏度仪器，发现了电子在半导体材料晶格中奔跑时发热的奥秘。利用这一发现，重新设计集成电路、光伏发电等元器件，有望使它们的性能得到大幅提升。近日，美国《科学》杂志发表了相关论文。

    白炽灯泡中的钨丝，总在最细的地方最先熔断，因为那里的电阻最大——在奔跑中受到阻碍的电子就会损失能量，大量发热，甚至使整个灯泡热到烫手。“电阻越大的地方，热量越多”是中学物理教科书里的金科玉律。
    而这也是集成电路产业最头疼的问题之一——随着芯片越做越小，功耗越来越大。科研人员一直不明白问题究竟出在哪里。“这就像癌症没有被发现，往往是因为没有灵敏的检测手段。”论文通讯作者之一、上海技物所所长陆卫研究员说，为了搞清楚电子在芯片中发热的过程，他们研制出了世界上灵敏度最高的热电子红外探测仪，发现了纳米尺度下，电子不同于宏观世界中的奇特现象：当电子通过狭窄的“河道”时，并未如预期地发热，而是在快速跑出百纳米之后才大量发热。
    这显然和教科书相违背!复旦大学安正华研究员介绍，经过仔细分析发现，原来电子在通过大电阻的“河道”狭窄处时，由于速度加快，进入了与平稳流动的平衡态不同的激发态，而再次进入正常“河道”时，又会从激发态回到平衡态，此刻就会释放大量热能——就好比一道瀑布，上游和下游都是平缓的河水，只有在跌落与入潭的过程中，水滴所处的运动状态与沸水相似。
    “这个有趣的发现说明，电子并非在电阻最大处发热，而是在从‘电阻瀑布’跌落后才损失能量。”陆卫说，如果可以利用这一发现，设计新的元器件，让电子在跌落电阻“瀑布”的“谷底”前被接住，就能操纵激发态的电子，让它们尽量少损失能量，减少发热的同时，还能提高芯片处理效率——这为设计更理想的手机芯片提供了新的可能途径。同理，利用新发现来设计太阳能光伏电池，就有可能突破目前发电效率停留在20%左右的瓶颈，甚至可能超过90%。
    《科学》杂志审稿人给予了这篇论文以很高的评价，认为“作者报道了非常原创性的远离平衡态电子的局域温度测量工作”“对介观物理和量子电路的信息处理具有重要的价值”。

    研制出世界最先进的热电子显微镜，是得到这个新发现的关键。在整个科研团队的努力下，这台显微镜从材料、设计到制造完成，全部由国内自主完成。而陆卫的博士生、论文第一作者翁钱春为此付出了五年多的辛勤努力。如今在东京大学做博士后的他，曾经五年没有发一篇与该工作相关的论文，为了守实验、做研究，直接就住进了实验室。这台显微镜的特点就是可以一个个像素地仔细观察电子在通过狭窄“河道”之后所发出的红外波段的光子——只有处于非平衡态的电子才会发出几个光子的微弱信号，所以平时这些信号早就被淹没在平衡态电子的洪流之中。

（文章来源：《文汇报》2018年4月10日第7版）

荐稿人：ffy 2018-04-10  执行编辑：zjy  2018-04-10  责任编辑：tmy 2018-04-10

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