随着半导体器件尺寸的不断缩小，微纳芯片的功率密度急剧增加，随之而来的散热负荷成为进一步提升器件性能的瓶颈问题。研究纳电子晶体管的热电行为对发展后摩尔时代的芯片热管理技术具有十分重要意义。近年来，纳米尺度热测量技术的最新实验进展使得人们能够研究微纳尺度金属、半导体、二维材料和分子结等包含异质结构的器件的微观温度分布。然而，到目前为止，人们对主流硅半导体单一材料中的热电效应（如非平衡帕尔贴和汤姆逊效应）的观察研究尚未得到解决。

    为此，物理系安正华课题组与中国科学院上海技术物理所等研究单位合作，对硅纳米沟道器件的电子温度和晶格温度进行直接的实验测温成像，发现电子热点附近存在明显的热电效应，即：当电流通过纳米沟道时，由于current crowding效应产生了显著的局域电子热斑，其等效电子温度T_e~1500K远高于对应的局部晶格温度T_L~320K。不仅如此，在电子热斑边缘由于极大的电子温度梯度（~1K/nm），实验观测到显著的热电致冷/加热效应。定量研究显示所观察到的热电效应强度对电流呈现三次方依赖性，这与理论预测的非平衡热电效应一致。该工作表明，非平衡热载流子可能被用于增强主流半导体单一材料中的热电性能，因此为后摩尔纳米电子学的底层热管理技术提供了新的线索。

    该工作近日以“Direct observation of hot-electron-enhanced thermoelectric effects in silicon nanodevices”为题在线发表于Nature Communications，并被编辑推荐为亮点工作（Editors’ Highlights）。论文共同一作包括物理系博士生薛环一、钱瑞杰、卢洧伉，共同通讯作者包括安正华研究员和上海技术物理研究所陆卫研究员。

该工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委等基金项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39489-z

硅沟道器件中不同偏压下的焦耳热（a-c）和热电效应（d-f）空间成像及物理模型示意图