研究人员开发出用于测量半导体电子动力学的创新工具

每部手机、笔记本电脑和自动驾驶汽车的核心都是一个微型半导体，其特性以及最终的性能均由自由电子决定。现在，加州大学伯克利分校的研究人员已经开发出一种测量这些电子的新方法，这可能会导致更节能的半导体材料和电子产品。

正如NanoLetters报道的那样，研究人员展示了一种新型光学纳米显微镜，可以测量半导体中的电子动力学，随着对更小、更快的集成电路的需求增长，这项任务变得更具挑战性。由于许多日常电子设备的组件已经达到纳米级，因此需要新的工具来以高分辨率测量电子。

“我们的光学纳米显微镜集成了近场扫描光学显微镜和泵浦探测光学器件，可在空间和时间尺度上实现高分辨率，”机械工程教授兼该研究的首席研究员CostasGrigoropoulos说。“这项技术可以应用于范围广泛的半导体材料，包括硅、锗和砷化镓，以及其他奇异材料，如二维材料和铁电体。”

换句话说，光学纳米工具使用光学成像和激光探测技术的组合来测量皮秒和纳米尺度的电子或能量载体。这些测量可以深入了解能量载体如何分布以及它们在半导体材料中的行为方式，这会影响能源效率和其他特性。

Grigoropoulos激光热实验室的主要作者和博士后研究员JingangLi表示，这项研究代表了研究和进一步优化基于半导体的电子设备(例如手机、LED、工业太阳能电池和传感器)节能的重要一步。

“由于集成电路中的芯片密度很高，电子的分布和传输不仅控制着器件的功能，而且还控制着热量的产生和耗散过程，”李说。“我们的纳米显微镜将使研究这些密集装置中的纳米级热管理成为可能。”

为了测量半导体中的电子，光学纳米技术采用超快激光和顶点曲率小于30纳米的原子力显微镜(AFM)尖端。研究人员将两束激光——一束泵浦光束和一束探测光束——照射到原子力显微镜尖端上。第一束激发样品中的电子，经过精心定时的延迟后，第二束撞击针尖。然后，可以通过分析第二光束的散射光来获得有关电子特性的局部信息。

李认为，光学纳米技术的应用可能不仅仅局限于测量半导体材料中的电子。“因为它是一种多功能的光学诊断工具，它可用于研究许多其他物理现象和功能设备，例如相变和数据存储，”他说。