红外物理成像显微镜

p　　电子被发现一个多世纪以来，人类社会对它的依赖程度越来越大，如今，它已成为微电子和光电子技术的物理基石。随着微电子器件尺度按摩尔定律不断向纳米尺度减小，对于电子运动规律的认识将面临着从平衡态理论向非平衡态理论的发展。正如美国基础能源科学顾问委员会报告中指出，当前科学上面临的5大挑战之一就是对非平衡态尤其是远离平衡态的表征和操控。/pp　　按平衡态理论，人们预测在微电子器件中电流最大的位置往往会是电子温度最高的地方。中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室陆卫研究员和复旦大学安正华研究员的科研团队共同合作，利用非平衡输运热电子的实验检测在技术，通过散粒噪声对非局域热电子能量耗散进行空间成像研究，发现在纳米尺度结构中，电子温度最高之处并非局域在电流最大位置，而是明显地向电流的流动方向偏离了，而且电子的温度高于晶格温度很多倍。从理论和实验两方面证实了这种奇异特性就来自热电子的非平衡态特征。/pp　　该研究工作的最大挑战来自于非平衡输运热电子的实验检测技术上。实验室采用了自主研发的超高灵敏甚长波量子阱红外探测器的扫描噪声显微镜(SNoiM)技术，称为扫描噪声显微镜技术。其基本机理是非平衡态电子的电流强烈涨落形成的散粒噪声会直接导致近场甚长波红外辐射，通过高灵敏的红外近场检测可实现仅测量到非平衡态电子特性，从而为直接观察在纳米结构中电子的非平衡态乃至远离平衡态的特性提供了独特的方法。/pp　　相关研究成果“Imaging of nonlocal hot-electron energy dissipation via shot noise”(DOI: 10.1126/science.aam9991)已于2018年3月29日获得《Science》杂志在线发表，将对认识和操控非平衡热电子进而增强器件功能发挥重要作用。/pp　　这项研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委重大项目、中国科学院海外科学家计划等资助。/pp　　img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/a4df0693-4a72-453f-81b5-9f6fe7165ff9.jpg" title="1.jpg"//ppbr//pp　　应用扫描噪声显微镜(SNoiM)进行的超高频率(~21.3THz)噪声的纳尺度成像，(A)扫描噪声显微镜的实验装置示意图。(B) GaAs/AlGaAs量子阱纳米器件的电子受限区域的SEM图。(C和D)相反偏置电压(6V)下二维实空间的近场噪声强度信号成像，近场信号由针尖高度调制模式获得，其中彩色表达了电子的等效温度。(E) 近场信号与针尖高度关系，近场信号是由电压调制模式获得。/pp　　img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/8edf4c2f-af08-4a76-9da3-10ee26f8f1fb.jpg" title="W020180506601359218862.jpg"//ppbr//pp　　噪声强度随偏置电压增大的演变。(A-F)由针尖高度调制模式获得的二维成像图。(G)y方向(平行于[100])一维近场信号随位置变化图。(H)近场(圆和三角形点表达)和远场(方形点表达)探测到的噪声强度随着偏置电压的变化规律。/ppbr//p

实验室做实验　做专题报告　幸福的一家　褚君浩近影　　◆褚君浩　　作者简历　　褚君浩半导体物理和器件专家。我国培养的第一个红外物理博士，中国科学院上海技术物理研究所研究员。1993到2003年任中科院红外物理国家重点实验室主任。2005年当选中国科学院院士。现任《红外与毫米波学报》主编，上海太阳能电池研发中心主任，华东师范大学信息科学技术学院院长，全国人大代表，上海市政府参事。　　1945年3月20日，我出生在江苏宜兴，是家里排行最小的老三。从小受在华师大搞地理工作的父亲影响，对理科特感兴趣，尤其是上了中学之后，更是迷恋上了物理而不可自拔。高中时就阅读了《相对论ABC》和原子物理学方面的书籍。所以在1962年高考时，就连续填报了复旦大学物理系、华师大物理系和上海师院(上师大前身)物理系三个志愿，非物理系不上。那年，虽然物理考了满分，但是由于作文失误，总分被拉了下来，就进了第三志愿——上海师院。　　人生最重要的两个阶段就是高中和大学。在高中阶段形成了初步的世界观和人生观，而大学阶段则为今后的成长成才打下坚实基础，为我终身从事物理研究奠定了基础。　　科学的春天激发再深造热情　　这一念就是6年，在学术的殿堂里，如鱼得水，并将硕士、博士学位一口气拿下。1984年12月完成博士学位研究后就开始担当中科院上海技术物理研究所物理室副主任的重要职务。　　1966年大学毕业，1967年底，我被分配到普陀区梅陇中学，开始了长达十年的教学生涯，但我在教学之余仍然致力于物理研究，并在复旦大学物理系殷鹏程老师的指导下，和与一批志同道合者参加了一个关于基本粒子的讨论班，还写了很多科普、自然辩证法方面的文章和小册子。　　当时，著名材料学家严东生先生知道我比较勤奋钻研学问，对我很为赏识，经常对我有所鼓励。1978年科学的春天来临，我国恢复了研究生制度。严先生鼓励我去考研究生，而当时由于“文革”结束后人才匮乏，上海高校拟从中学选拔一批优秀教师到高校任教，我的名字也赫然列在名单上。是读研究生，还是当大学老师?对物理研究的热爱让我没有多做犹豫，毅然决然地选择了继续深造。那时中国科学院比高等学校早半年先招研究生，严先生非常希望我考上海技术物理研究所的研究生，那里有汤定元先生和匡定波先生，而且严先生特别为我给上海技物所写了推荐信，对于一个渴望能够全身心地投入科学研究的年青人，严先生的推荐对于我是一种非常震撼人心的鼓励。我非常认真地投入了入学考试，通过了初试、复试。1978年10月份我成为中科院上海技术物理研究所第一届研究生，跟随汤定元先生学习和研究窄禁带半导体红外光电子物理。这一念就是6年，在学术的殿堂里，如鱼得水，并将硕士、博士学位一口气拿下。由于成绩突出，1984年12月完成博士学位研究后就开始担当中科院上海技术物理研究所物理室副主任的重要职务。　　1986年3月，受洪堡基金会邀请，我来到德国慕尼黑技术大学从事客座研究，在柯霍教授的实验室参与半导体二维电子项目研究工作。初到实验室，我就碰到一个问题，有一个远红外激光器非常不稳定，工作时，几乎连5分钟也稳定不了。德国的年轻博士对此一筹莫展。柯霍教授关照我们一起工作，先要想法子让这台红外激光器稳定下来。接到这个任务，我既兴奋又着急，兴奋的是面前的难题，别人已费尽心思，却束手无策，这对自己是一个挑战 着急的是自己万一也不能成功，岂不是要耽误实验了吗?我静下心来，一连几天观察，渐渐地熟悉了这台仪器，一周里就把仪器调节得相当好，竟然可以连续稳定工作6至8个小时。柯霍先生高兴得不得了，他把仪器显示的关于激光强度和时间关系曲线贴在墙上，不时地向来访的教授和同事们介绍我的工作，这让我品尝到了成功的喜悦。　　1986年冬天，我在做“碲镉汞二维电子与自旋共振实验”，已经连续做了好几天的实验，非常紧张，也顾不上休息。室外正值寒冬，在做实验时衣服穿得比较单薄，只穿一件羊毛衫，照理应当把室温调得高一点，可是由于神经高度紧张，竟忘记了调节。几天下来便冻着了，连续两天，我的体温为38至39摄氏度，经医生检查，诊断为肺炎，连续几天服用半片大大的青霉素口服片，才慢慢控制了病情，我在家休息了一个月，而实验的结果却是异常地好，这使我十分兴奋，忘却了病痛的烦恼。　　在德国两年零十个月的时间里，我始终心系祖国，坚持利用外国先进的实验设备及先进的研究方法，为我所用。到了1988年10月，当上海技术物理研究所需要我回国时，我没有提任何条件，二话不说就回来了。当时的中国正处在一股出国热中，德国的教授也极力挽留我，家人也有过犹豫，因为儿子在德国上了3学年，已经念到10年级(高一)了，如果回国必然要中断学业。但是中国是我的祖国，把祖国发展好是首要任务。　　明确方向，持之以恒地做下去　　实验室被连续四次评为国家A级实验室，致力研究的碲镉汞带间跃迁光谱等14项结果作为标准数据和关系式，被写入国际权威科学手册。　　收获丰收总是令人喜悦，但播种耕耘的艰辛却不是每个人都能承受的，漫长的学术研究道路上总有磕磕碰碰的时候。做任何事情都会有困难，我也不例外。做研究首要的是找一个明确的方向，如果这个方向的研究对国家有用、对社会有用、在学术上有意义，那么就要持之以恒地做下去。过程中会有很多问题需要解决，也可能会绕弯子，但是只要不偏离方向，即使是一小步一小步地走，也终会到达目的地。　　我经常对学生说，要想真正做好学问，首先要有勤奋好学的态度，三天打鱼、两天晒网是不行的 其次要有好奇心、有求知欲、有追求真理的勇气，多问为什么 最重要的是必须脚踏实地，在积累中创新，从渐进到实现跨越性发展，这其中需要的是实干精神。　　回国后，我先后在红外物理国家重点实验室任副主任和主任，利用在国外借鉴到的经验和自己的创新，实验室被连续四次评为国家A级实验室。同时，致力研究的碲镉汞带间跃迁光谱等14项结果作为标准数据和关系式，被写入国际权威科学手册《Landoldt-Boerstein科学技术中的数据和函数关系》，我也被聘为该书III/41B卷十四位作者之一，以及III/44B卷8位作者之一，这是世界性的荣誉。美国出版社计划出版的“MicroScience Series”(微科学丛书)也邀请我撰写《窄禁带半导体物理学》，这本书中文版先在科学出版社出版。英文版分为两册在Springer出版社出版。曾任美国II-VI族材料物理与化学讨论会主席的A.Sher先生评论道：“15年以前中国学者的工作还较少。现在他们不仅已经赶上世界，并且在一些领域走在前面。”　　关注可持续发展，致力于太阳能开发　　通过对多晶硅提纯展开自主科研攻关，已经生产出4N-6N纯度的太阳能电池硅产品，逐步确立了中国在国际光伏产业链的地位。　　科学技术的发展对国家的发展至关重要，科研工作者的成就感要与国家荣誉、社会责任紧密相连。近几年我比较关注中国的可持续发展，力争开发太阳能。我们科研团队通过对多晶硅提纯展开自主科研攻关，已经生产出4N-6N纯度的太阳能电池硅产品，逐步确立了中国在国际光伏产业链的地位。作为连任两届的全国人大代表，我常利用各种场合进行“游说”，希望引起对节能环保问题的重视。我提交了《关于修改可再生能源法以促进太阳能应用的议案》，并在议案中建议政府通过立法增加太阳能应用的补贴，在医院、政府办公楼等地安装太阳能发电设备 我还建议全国人大建立一个长效监督机制，加强对节能减排等问题的重点监督。　　在大家的推动下，由中科院上海分院、上海技物所和张江集团公司共同组建的上海太阳能电池研究与发展中心已经正式成立，同时中科院也成立了太阳电池研究中心(筹)。该中心旨在支持和推动国家和上海地区太阳能光伏产业的可持续发展。我希望通过新能源开发，解决常规能源污染、不可持续等问题，带动产生一种全新的经济模式，成为新的经济增长点。　　1993年，我被批准为博士生导师，可是迄今为止才带了四十几位博士生，与一些每年招七八个甚至十几个学生的博导比起来，实在很少。带学生必须认真负责，我根据自己的时间、情况，一般每年招3到4个，在校学生数一般十个左右。对学生的教学也以引导为主，严格却不严厉。平时，问学生最多的就是“这个问题解决了吗?解决情况如何?”在一个个问题解决的过程中提高学生的知识水平，在无形中培养踏实渐进的治学态度。在已毕业的30几名博士生中，有2位获得全国百篇优秀博士论文奖。　　创新不可能凭空出现，创新有一个由量变到质变的过程，而量变的积累非常漫长，所以对我而言，科学研究没有终点。面对许多赞扬，我很清醒，我从来没有认为自己做了多么了不起的事情，我只是科技战线上的一个兵罢了，在自己的岗位上发挥应有的作用。　　我在工作之余也喜欢听听音乐看看球，除此之外，游泳、羽毛球、散步都是我喜欢的体育项目。我的心态很好，所以睡眠也很好，头沾到枕头不到两分钟就睡着了。　　相关链接　　褚君浩长期从事红外光电子材料和器件的研究，开展了用于红外探测器的窄禁带半导体碲镉汞(HgCdTe)和铁电薄膜的材料物理和器件研究。提出了HgCdTe的禁带宽度等关系式，被国际上称为CXT公式，广泛引用并认为与实验结果最符合 建立了研究窄禁带半导体MIS器件结构二维电子气子能带结构的理论模型 发现HgCdTe的带间跃迁、杂质跃迁等基本光电跃迁特性，提出HgCdTe本征光吸收系数表达式和折射率表达式，确定了材料器件的光电判别依据 开展铁电薄膜材料物理和非制冷红外探测器研究，研制成功PZT和BST铁电薄膜非制冷红外探测器并实现了热成像。发表论文350篇，《窄禁带半导体物理学》中英文专著三本。获国家自然科学二等奖1项、中国科学院自然科学一等奖1项、二等奖2项、中国科学院科技进步一等奖1项、上海市科技进步一、二等奖各1项，上海市自然科学一等奖1项。是科技部973项目首席专家、国家自然科学基金创新研究群体学术带头人。

红外显微镜是微区分析的重要工具，可以分析纳克或微米级样品。 红外微区成像是近年来发展的一种最新的分析手段。 可见光显微镜可以给出样品的可见光图像，而红外微区成像能给出样品的分子分布信息，二者的信息是很好的互相补充。以往的红外显微镜采用单元检测器或者线阵列检测器，分别含有1个或32个检测单元，一次扫描只能得到一张或者32张红外光谱图。为了得到数微米的高空间分辨率成像，必须采用狭缝光阑设计，极大程度降低了光通量、导致信噪比下降、采样时间长等一系列缺陷。即使如此，采用单元检测器或者线阵列检测器能得到的最佳空间分辨率也只有5 微米。 FPA (Focal Plane Array) 焦平面阵列检测器含有64X64 个或者128X128个阵列检测单元，一次扫描可以获得4096张或者16384张红外谱图。由于没有狭缝光阑的限制，信噪比高、采样时间短，并且可以得到１微米的超高空间分辨率的红外微区成像。但是，由于FPA最早用于军方研究，国外最先进的FPA进入中国市场一直受到出口许可证等限制。最新的官方消息证实，FPA已经取消了该限制，可以正式进入中国市场，为广大科研工作者带来福音。 布鲁克公司的Hyperion 3000高档红外显微镜，配以最先进的FPA焦平面阵列检测器，可以实现透射、反射、ATR、GIR等多种测试方式下的成像功能，可以快速得到1微米的超高空间分辨率的红外成像。以往几个小时才能完成的红外成像，采用FPA检测器，几分钟之内即可完成，并且红外成像质量非常高。Hyperion 3000高档红外显微镜尤其适合法庭科学、生物、化学物理、纳米材料等不同领域的研究。　 寻求更多应用更多信息请联系我们。更欢迎关注布鲁克官方微信：