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March 2nd, 2009
(PhysOrg.com) -- IBM Research 科學家今日宣佈一項奈米電子學中的指標性研究；新技術的開發與示範，在通電的（powered）奈米管裝置中測量能量與熱的分布。
藉由這項技術的利用，IBM 研究者測定流經奈米管的電流能量如何被轉換成熱並消散至奈米管的原子的集體振動及其下方基質的表面振動中。
"了解熱如何流經特定奈米管裝置對於未來碳基裝置（carbon-based devices）的運作與整合將有重要的牽連，" Phaedon Avouris，IBM 院士（IBM Fellow）以及 IBM Research 奈米尺度科技經理。"這項發現對於奈米熱管理系統的創造至關緊要，那將管理這些裝置的熱而且那也有基礎科學上的重要性。"
這項研究的結果將發表在最近一期 Nature Nanotechnology 上。
（後略譯）
多年來，科學家已知奈米碳管裝置在運作時會「變熱」。然而，並不知道如何測量這些效應，也不了解能量在裝置結構中如何轉移，以及熱如何消散。
IBM 科學家研究單一一個半導體的奈米碳管，那被併入成為一電晶體的主動通道（active channel）。共振光散射（resonant light scattering）偵測的終極敏感性結合電傳輸測量，讓他們能在一電流流經奈米管的同時，監測其光學特性的變化。研究者將這些變化當成「溫度計」來使用，藉以探測電流的能量如何在不同形式的原子振動運動（那包含構成奈米管以及支持基質的原子）中消散。
利用這種方法，IBM 研究者能夠在運作狀態下測繪出主振動態（principal vibrational states）的族群並測定電晶體的能量消散路徑。科學家們在相同電力水準的不同振動模式之間發現一種非熱平衡（non-thermal- equilibrium， non-statistical (非統計學的)）分布。這些模式包括加熱超過攝氏 1000 度之「有效溫度（effective temperatures）」的高能量模式，以及依然維持相對較冷、大約攝氏 400 度的低能量模式。
最重要的是，他們發現在裝置中的電傳輸以及從奈米管到基質熱傳輸，受到奈米管中的電荷載體以及在其下的絕緣基質表面振動的原子晶格間，一種高效率、直接耦合之機制的強烈影響。與傳統大量半導體裝置的例子相較，可以發現透過這種消散管道的能量傳輸被大大增強。
藉由證明一維材料（如奈米碳管）中各種振動態間的能量平衡能顯著地受到抑制，這些結果挑戰了凝態物理學以及物理化學中一種存在已久的典範。
此外，在電力灌注（pumped）之低維系統中，非平衡振動分布的觀察開啟了一種新的科學探求：這種系統的物理與化學特性在平衡與非平衡的振動刺激下有何不同？
※ 相關報導：
＊ Phonon populations and electrical power dissipation in carbon nanotube transistors
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2009.22
Mathias Steiner, Marcus Freitag, Vasili Perebeinos,＊ 第一個石墨薄片 STM 能譜產生新驚奇
James C. Tsang, Joshua P. Small, Megumi Kinoshita,
Dongning Yuan, Jie Liu & Phaedon Avouris
Nature Nanotechnology Published online: 1 March 2009
doi: 10.1038/nnano.2009.22
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