加州大学研究研究工作人员研发了精确测量半导体材料电子器件动力学的创新工具，有关研究成效以“Ultrafast Optical Nanoscopy of Carrier Dynamics in Silicon Nanowires”问题发表于《Nano Letters》上。

每一部手机、笔记本和无人驾驶汽车的关键都是一个细微的半导体材料，它特性和最后性能均是由自由电荷决定的。如今，美国加州大学研究工作人员开发设计了一种新的方式来检测这种电子器件，它可能会研发出更节能的半导体和电子设备。在过去几十年里，半导体科技推动了微电子学的指数级发展趋势。硅相辅相成氢氧化物半导体集成电路形成了现代科技的支撑。不仅在电子元器件里的广泛运用外，硅纳米构造在光子学之中被广泛使用，用以光传播、检测与配制的通用性操纵。近期，新型的低维原材料，尤其是硅纳米线(SiNWs)，又为电子器件、光子学、光学和光电化学反应广泛运用开创了一个新的概率。时间分辨太赫兹技术光谱仪已广泛应用于揭露体和纳米构造半导体材料里的载流子动力学。除此之外，还研发了泵-探针光学显微镜来检测结构域非特异载流子传送和重新组合。但是，这类外部经济方式的空间分辨率遭受电子光学透射限制。或是，根据尖端的透射式扫描仪线下显微镜（s-SNOM）能以纳米级屏幕分辨率制作半导体材料纳米构造里的随意载流子遍布。空间分辨率由顶尖端点的半经界定。极快红外线太赫兹技术纳米光谱仪根据集成化s-SNOM和泵浦探针光学元件获得进一步发展。但是，由于光子能量比较有限，这种勤奋主要体现在研究捷变隙半导体材料里的载流子动力学，比如InAs和Hg1–xCdxTe或石墨烯材料等离激元。

图例：电子光学纳米显微镜使用激光严厉打击自由电荷，漫射光，同时提供半导体器件内电子器件遍布和发展趋势。

据悉，研究工作人员展现了一种新型的能见光-近红外光谱区域内的泵浦探针电子光学纳米光学显微镜，能够精确测量半导体材料里的电子器件动力学，随着人们对比较小迅速集成电路芯片的需求增长，此项每日任务越来越更具有趣味性。伴随着很多日常电子产品的部件已经达到了纳米级，必须一个新的专用工具来检测高像素电子。

研究工作人员运用新型能见光-近红外光谱区域内的泵浦探针电子光学纳米光学显微镜，精确测量硅里的载流子动力学，硅是现阶段半导体科技中最常见的材料之一。研究工作人员的泵浦光线光波长为400 nm（3.1 eV），足够激起一般光电半导体里的载流子，包含硅（带隙为1.12 eV）和GaAs（带隙为1.42 eV）。根据融合极快纳米尺寸测量基础理论模型，研究工作人员揭露了硅纳米线(SiNWs)里的部分光载流子复合型动力学。

图1：硅纳米线（SiNW）的时间分辨线下显像。（A）泵浦-探针电子光学纳米光学显微镜设定平面图。泵浦和摄像头光线的光波长分别是 400 和 800 nm。（B） SiNW的AFM外貌。（C 至 G）SiNW的时间分辨s-SNOM显像，泵浦探针响应时间为（C）?3 ps，（D）25 ps，（E）100 ps，（F）400 ps和（G）700 ps。（I） 暂态s-SNOM数据信号做为在SiNW检测的响应时间的函数公式（由（B）里的点标识）。插画图片显示出了SiNW的SEM图象。（J） SiNW 上不一样泵浦摄像头响应时间 （D 至 G） 的 s-SNOM 线截面。比例尺精度：（B 至 G） 1 μm，（I）插画图片：2 μm。

图2：Point-dipole模型。（A）Point-dipole实体模型平面图。a、z和 ε 分别为 AFM 顶尖半经、顶尖-试品位置和样品相对介电常数。（B）将s-SNOM抗压强度模型为SiNW中载流子密度函数公式。（C）试验暂态s-SNOM数据信号，Point-dipole模型拟合曲线，及其SiNW中提取载流子相对密度做为泵浦-摄像头响应时间的函数公式。（D）不一样泵鼓励输出功率中的试验暂态s-SNOM扫描仪和拟合曲线。

研究工作人员运用泵浦探针s-SNOM来研究具有独特几何结构的单独SiNW里的载流子动力学。图3A显示出了在各个宽度不一样纳米线中检测的暂态s-SNOM数据信号。对应的扫描电子显微镜（SEM）图象如下图3B所显示。全部试验曲线图都和Point-dipole实体模型更好地线性拟合，损耗时间总结在图3C中。载流子使用寿命伴随着SiNWs规格的提升呈线形提升，说明表面复合在半导体材料纳米线中占据主导地位。

图3：规格有关的载流子动力学。(A)不一样总宽(i)至(vi) SiNWs评测的暂态s-SNOM试验扫描仪。深灰色斜线曲线图为Point-dipol拟合程度结论。(B) (A)中SiNWs相对应的SEM图象。(C)规格有关平均损耗时间与线性拟合。比例尺精度:(B) 1 μm。

研究工作人员进一步探索了线下极快纳米光学显微镜以纳米级屏幕分辨率检测空间分辨率载流子动力学能力，这也是传统式泵浦探针光学显微镜难以获得的。挑选非匀称硅纳米线做为试验样品(图4A)。在不同部位检测的暂态s-SNOM数据信号(图4A里的P1-P4)表现出了很明显的时长演变(图4B)，相匹配载流子分别是460.3、379.9、294.6和338.0 ps。时间分辨的线下图象也显示出了纳米构造空间不匀动态性。图4C显示出了顺着纳米线时间分辨s-SNOM投射(图4A里的斜线)。从时光投射中提取载流子使用寿命与地貌有极强的关联性，从判定相近的截面能够得知(图4D)。载流子的使用寿命非均匀性是通过硅纳米构造的空间异质性受体的。在35 nm的空间分辨率下展现了载流子动力学的投射。这种结论进一步说明，研究工作人员的线下极快纳米光学显微镜能够检测半导体器件和元器件中纳米尺度部分夹杂和缺点。

图4：在纳米尺寸上检测室内空间辨别载流子动力学。(A)非匀称硅纳米线构造的AFM外貌。(B)试验暂态s-SNOM扫描仪与在不同部位检测的拟合曲线，如(A)所显示。(C)时间分辨s-SNOM沿(A)斜线投射。(D)对应的损耗时长与高度遍布，空间分辨率为35 nm。比例尺精度:(A) 2 μm。

总而言之，研究工作人员早已验证了由此可见-近红外光泵浦探针线下纳米光学显微镜作为一种非介入性专用工具来测试硅纳米构造里的载流子动力学。极快电子光学和线下显像的融合促使载流子动力学的研究具有较高的时长(皮秒激光)与空间(50 nm下列)屏幕分辨率。除开硅以外，应用由此可见泵浦光可以研究广泛半导体器件里的光载流子动力学，各种材料一般用于实践应用，包含锗和III-V原材料。这类特性对多功能性光电器件的表现和改进起着至关重要的作用。尽管此项研究阐述了SiNW里的载流子动力学做为演试，但提出的泵浦探针线下纳米镜可作为研究纳米原材料的通用性电子光学确诊服务平台，包含二维材料和量子点技术。它又为研究纳米原材料系统中等非均衡热学状况提供了一个有前途的专用工具，包含改变，能量辐射跃迁及其声子散播。此项研究代表了进一步优化根据半导体的电子产品(如手机上、LED、工业生产太阳能电池板和感应器)环保节能的重要一步。

毕业论文连接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04790