近日，北京理工大学教授朱彤、姜澜等结合瞬态光谱技术和高分辨率显微成像技术，对光激发后金膜中热电子的空间分布进行直接成像，并对其演化趋势进行追踪，通过时空间动力学趋势解析了热电子扩散、电子-声子耦合、界面传热行为间的竞争关系。相关研究成果发表于国际学术期刊Small Methods。

热载流子能量传输、弛豫机理的研究与解析对光电转化、光热转化等应用至关重要。特别是对于金属及类金属材料，随着器件尺寸减小至微米-纳米级别，电子与晶格在外场的作用下会处于强烈的非平衡态，其微纳空间尺度，飞秒时间尺度上的电子演化动力学直接决定了器件性能。但是，传统的传热理论无法对该非平衡过程进行精确的描述，并且热电子空间上的扩散过程与时域上的弛豫过程耦合在一起，难以精确解析。因此，亟需对热电子的扩散及弛豫过程进行时空间同步观测，阐明热电子扩散与弛豫间的竞争关系及机理。

研究团队通过对探测波长的精确选择，建立了瞬态信号与电子温度间的线性关系，进而实现了对电子温度空间分布的直接成像与演化趋势追踪。实验观测到电子温度分布的特征半径演化会经历一个反常的收缩过程，通过模型拟合可获得电声热化时间常数，热电子扩散速率、电声平衡扩散速率等参数，同时该收缩过程的幅度及持续时间反应了热电子扩散与热电子弛豫之间的竞争关系。

实验结果表明，在热电子扩散与电-声耦合的竞争关系中，热电子扩散过程占据主导地位；而当膜厚显著小于金的弹道深度时，界面传热行为作为一种热电子弛豫的主要途径成为竞争关系中的主导过程，并抑制了热电子的扩散行为。

该研究通过探测波长的精确选择策略，实现了对电子温度时空间演化过程的高分辨率解析，并利用时空间动力学中反常的收缩趋势，解析了热电子扩散，电子-声子耦合以及界面传热过程机理及其竞争关系，为微观传热理论模型的完善提供实验观测依据与原理性基础，为微纳器件的结构设计与优化提供机理层面的指导。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/smtd.202201260