二维材料非平衡输运的超分辨红外成像研究

Two dimensional materials not only provide an important platform to explore weird physical properties in condense matter field, but also act as the main hosting materials for modern nano-/opto-electronic devices. The upper power limit requires careful thermal management consideration when two dimensional materials are employed in read device applications, which is a frontier topic nowadays. In this project, we utilize a unique super-resolution infrared microscope to study the non-equilibrium transport process and related energy relaxations due to various mechanisms such as tunneling, valley-scattering, phonon-scattering etc. Thanks to the super-resolution capability, we analyze thoroughly the non-local transport properties and compare the general and/or distinctive properties in conventional Si/SiO2 or GaAs/AlGaAs two-dimensional electron gas and the new atomic-layer two-dimensional materials such as graphene, MoS2, black phosphors and so on. Possible solutions to reduce the power consumption in two-dimensional materials will be attempted. Meanwhile, the coupling of near-field infrared waves to the devices and to the far-field will be intensively studied and potential radiation cooling strategies for future integrated two-dimensional devices will be discussed.

二维材料是探索凝聚态物理神奇物性的重要平台，同时也是高性能纳/光电子学器件的重要载体，是下一代纳电子高密集成器件的主要候选方案之一。然而，高密集成器件的功耗上限问题给二维材料的集成应用提出了严格的热管理需求，这是当前国际上亟待解决的前沿难题。本项目采用全新的红外超分辨显微技术，集中研究二维材料的载流子非平衡输运过程，系统研究二维材料能级隧穿、能谷散射、声子散射等过程中的能量弛豫机制和规律，发现并理解二维材料在纳米尺度的非局域输运奇异现象，对比传统半导体异质结二维电子气与新型原子层二维材料的输运特性和共性，探索降低二维材料输运器件功耗的有效途径。同时，揭示近场红外光的耦合辐射特性，探索基于近场红外光电耦合的全新器件应用形式（如集成器件的辐射制冷等）。通过本项目的系统研究，为未来电-光-热联合调控的高性能二维材料纳/光电子器件应用奠定必要的理论和实验工作基础。

二维材料是探索凝聚态物理神奇物性的重要平台，是高性能纳/光电子学器件的重要载体。本项目采用自主研发的全新的红外超分辨显微技术研究了典型二维材料表面近场红外辐射的基本物理现象和性质，掌握其基本物理规律。通过制备不同二维材料的纳米尺度输运结构，探测在外加电激发作用下，载流子发生非平衡输运时对应的红外发射特性和规律。揭示了提升微纳器件纳米尺度热管理能力、解决集成器件散热瓶颈问题的新思路。基于复合二维材料结构的新型量子器件效应。根据系统研究建立的近场光电耦合认识， 利用器件表面的近场电磁模式实现光场的高效耦合和光电探测。项目研究成果为我国在后摩尔信息时代发展基于二维材料的新型纳电子、光电子器件提供了全新的物理认识基础。项目执行期发表学术论文26篇，其中包括Science 1篇、Nature Communications 1篇、Nano Letters 2篇、Small 1篇、ACS photonics 1篇。申请国家发明专利3项，提出并演示了2种新型红外光电器件原型器件结构。