Revealing nonequilibrium energy dynamics by nano-scale temperature mapping of electrons and lattice

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01846
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Weng Qianchun 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (20835277)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ナノ熱測定 / テラヘルツ検出 / 走査プローブ顕微鏡 / 近接場顕微鏡

Outline of Final Research Achievements

In order to develop various new functional devices and elucidate novel basic physical properties, it is important to clarify the energy flow of electronic systems at the nanoscale. However, in the past, it was difficult to elucidate this problem due to measurement limitations. In this study, we developed a new low-temperature scanning probe microscope called "scanning noise microscopy (SNoiM)", which measures temperatures in non-equilibrium electron devices at the nanoscale. For GaAs/AlGaAs nanodevices, we directly visualized the electron temperature distribution and lattice temperature distribution. From the results, it was clarified that the energy dissipation from the non-equilibrium hot electron system to the phonon system is significantly suppressed due to the hot phonon bottleneck effect.

Free Research Field

応用物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

基礎物性研究における新規現象追求と、素子開発における微細化・高機能化の要請から、電子系による熱発生をナノ領域で計測する必要性が高まっているが、それを可能にする測定手段は今まで存在しなかった。本研究では、局所的温度を可視化して電子系の運動をエネルギーの流れを含めてナノスケールで画像化することで、その要求を満たす現在唯一の測定技術である。基礎研究だけでなく産業界における半導体能動素子の製造・開発・評価の現場でも役立つ顕微鏡に発展させる。半導体分野に関してはPost More時代の指針を与えることが期待されるとともに、さらに新たな応用分野として、光触媒材料、電池材料への応用が有望と考えられる。