[论文解读] Imaging ultrafast carrier transport in nanoscale devices using femtosecond photocurrent microscopy

Byung-Hee Son, Jaeku Park+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Nanowire Synthesis and ApplicationsEngineering参考文献 39被引用 19

一句话总结

本研究提出了一种飞秒光电流显微技术，结合时间分辨泵浦-探测方法与扫描光电流成像，用于可视化一维纳米尺度器件（如半导体纳米线和碳纳米管）中的超快载流子输运过程。关键发现为：随着负栅压增加，载流子渡越时间减少，这是由于肖特基势垒处电场增强所致，从而实现了在亚100飞秒时间尺度下对载流子速度高达10^6 m/s的直接测量。

ABSTRACT

One-dimensional nanoscale devices, such as semiconductor nanowires (NWs) and single- walled carbon nanotubes (SWNTs), have been intensively investigated because of their potential application of future high-speed electronic, optoelectronic, and sensing devices. To overcome current limitations on the speed of contemporary devices, investigation of charge carrier dynamics with an ultrashort time scale is one of the primary steps necessary for developing high-speed devices. In the present study, we visualize ultrafast carrier dynamics in nanoscale devices using a combination of scanning photocurrent microscopy and time- resolved pump-probe techniques. We investigate transit times of carriers that are generated near one metallic electrode and subsequently transported toward the opposite electrode based on drift and diffusion motions. Carrier dynamics have been measured for various working conditions. In particular, the carrier velocities extracted from transit times increase for a larger negative gate bias, because of the increased field strength at the Schottky barrier.

研究动机与目标

• 以亚100飞秒时间分辨率，可视化纳米尺度电子器件中的超快载流子输运动力学。
• 研究外加栅压对一维纳米结构中载流子渡越时间与速度的影响。
• 测量半导体纳米线和单壁碳纳米管中以漂移和扩散为主导的载流子输运行为。
• 建立一种直接实验方法，以高时空分辨率探测纳米尺度的载流子动力学。
• 将栅压调制的电场与载流子速度及输运效率的变化相关联。

提出的方法

• 本研究采用飞秒激光脉冲的时序分辨泵浦-探测构型，激发纳米尺度器件中的载流子。
• 利用扫描光电流显微术，实现对光电流空间分布的纳米级横向分辨成像。
• 泵浦脉冲在金属电极附近激发电子-空穴对，而探测脉冲则在不同时间延迟下测量由此产生的瞬态光电流。
• 通过改变栅压，调节肖特基势垒处的电场，从而控制载流子漂移速度。
• 从泵浦激发与光电流响应峰值之间的时间延迟中提取渡越时间。
• 通过测量得到的渡越时间与已知器件长度计算载流子速度，揭示电场依赖的输运动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同栅压条件下，纳米尺度器件中的载流子渡越时间如何变化？
• RQ2 肖特基势垒电场在调控纳米线和碳纳米管中载流子漂移速度方面起什么作用？
• RQ3 能否利用飞秒光电流显微术对超快载流子输运动力学实现空间与时间的分辨？
• RQ4 漂移与扩散机制在一维纳米结构中载流子输运的贡献程度如何？
• RQ5 外加栅压在纳米尺度场效应器件中如何影响有效载流子速度？

主要发现

• 在纳米尺度器件中，随着负栅压增加，载流子渡越时间减少，表明载流子输运效率提高。
• 测得的载流子速度最高可达约10^6 m/s，与高电场下以漂移为主导的输运行为一致。
• 载流子速度随栅压增加的原因是肖特基势垒处电场增强，从而加速载流子。
• 该技术成功实现了亚100飞秒时间分辨率的载流子动力学分辨，可直接观测超快输运过程。
• 光电流的空间映射揭示了载流子输运行为的非对称性，其取决于光学激发位置相对于电极的位置。
• 结果表明，栅压可作为可调参数，用于调控纳米尺度场效应器件中的载流子速度。