It is expected to develop the measurement system to obtain physical/chemical information with nanoscale space resolution related to the non-thermal equilibrium phenomena. In this study, we developed controlled temperature-gradient kelvin force microscopy (T-KFM) to measure the temperature difference (ΔT)-induced vacuum level variation under non-thermal equilibrium. Therein, the biggest issue, difficulty in applying the large ΔT in narrow space (∼100 μm), was solved by introducing “heating and cooling systems” in T-KFM; one sample side is heated using a ceramic heater and the other side is cooled using liquid nitrogen. Using T-KFM, the space distribution of ΔT-induced vacuum level variation was well observed on the scale of hundreds of nanometers in a polycrystalline ZnO film with nanostructures. The obtained image of the ΔT-induced vacuum level variation can reflect a distribution of the thermal properties such as the thermal resistance and thermoelectromotive force. This pronounced technique for obtaining surface potential under T-gradient helps us to comprehend the non-thermal equilibrium phenomena.

1.
T.
Koga
,
X.
Sun
,
S. B.
Cronin
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
2950
(
1998
).
2.
T.
Koga
,
X.
Sun
,
S. B.
Cronin
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2438
(
1999
).
3.
H.
Ohta
,
S.
Kim
,
Y.
Mune
,
T.
Mizoguchi
,
K.
Nomura
,
S.
Ohta
,
T.
Nomura
,
Y.
Nakanishi
,
Y.
Ikuhara
,
M.
Hirano
,
H.
Hosono
, and
K.
Koumoto
,
Nat. Mater.
6
,
129
(
2007
).
4.
Y.
Nakamura
,
A.
Masada
, and
M.
Ichikawa
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
013109
(
2007
).
5.
B.
Poudel
,
Q.
Hao
,
Y.
Ma
,
Y.
Lan
,
A.
Minnich
,
B.
Yu
,
X.
Yan
,
D.
Wang
,
A.
Muto
,
D.
Vashaee
,
X.
Chen
,
J.
Liu
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Science
320
,
634
(
2008
).
6.
S. V.
Faleev
and
F.
Léonard
,
Phys. Rev. B
77
,
214304
(
2008
).
7.
J. P.
Heremans
,
V.
Jovovic
,
E. S.
Toberer
,
A.
Saramat
,
K.
Kurosaki
,
A.
Charoenphakdee
,
S.
Yamanaka
, and
G. J.
Snyder
,
Science
321
,
554
(
2008
).
8.
L. D.
Hicks
,
T. C.
Harman
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Appl. Phys. Lett.
63
,
3230
(
1993
).
9.
G.
Pernot
,
M.
Stoffel
,
I.
Savic
,
F.
Pezzoli
,
P.
Chen
,
G.
Savelli
,
A.
Jacquot
,
J.
Schumann
,
U.
Denker
,
I.
Monch
,
C.
Deneke
,
O. G.
Schmidt
,
J. M.
Rampnoux
,
S.
Wang
,
M.
Plissonnier
,
A.
Rastelli
,
S.
Dilhaire
, and
N.
Mingo
,
Nat. Mater.
9
,
491
(
2010
).
10.
J. K.
Yu
,
S.
Mitrovic
,
D.
Tham
,
J.
Varghese
, and
J. R.
Heath
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
718
(
2010
).
11.
D.
Kim
,
Y.
Kim
,
K.
Choi
,
J. C.
Grunlan
, and
C.
Yu
,
ACS Nano
4
,
513
(
2010
).
12.
K.
Biswas
,
J.
He
,
Q.
Zhang
,
G.
Wang
,
C.
Uher
,
V. P.
Dravid
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nat. Chem.
3
,
160
(
2011
).
13.
H.
Wang
,
J.
Hwang
,
M. L.
Snedaker
,
I.
Kim
,
C.
Kang
,
J.
Kim
,
G. D.
Stucky
,
J.
Bowers
, and
W.
Kim
,
Chem. Mater.
27
,
944
(
2015
).
14.
Y.
Nakamura
,
M.
Isogawa
,
T.
Ueda
,
S.
Yamasaka
,
H.
Matsui
,
J.
Kikkawa
,
S.
Ikeuchi
,
T.
Oyake
,
T.
Hori
,
J.
Shiomi
, and
A.
Sakai
,
Nano Energy
12
,
845
(
2015
).
15.
S.
Yamasaka
,
Y.
Nakamura
,
T.
Ueda
,
S.
Takeuchi
, and
A.
Sakai
,
Sci. Rep.
5
,
14490
(
2015
).
16.
N. S.
Bennett
,
N. M.
Wight
,
S. R.
Popuri
, and
J. G.
Bos
,
Nano Energy
16
,
350
(
2015
).
17.
T.
Ishibe
,
A.
Tomeda
,
K.
Watanabe
,
J.
Kikkawa
,
T.
Fujita
, and
Y.
Nakamura
,
J. Electron. Mater.
46
,
3020
(
2017
).
18.
T.
Ishibe
,
A.
Tomeda
,
K.
Watanabe
,
Y.
Kamakura
,
N.
Mori
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
Y.
Yamashita
, and
Y.
Nakamura
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
37709
(
2018
).
19.
Y.
Nakamura
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
19
,
31
(
2018
).
20.
S.
Sakane
,
T.
Ishibe
,
T.
Taniguchi
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
T.
Fujita
,
M.
Alam
,
K.
Sawano
,
N.
Mori
, and
Y.
Nakamura
,
Mater. Today Energy
13
,
56
(
2019
).
21.
S.
Sakane
,
T.
Ishibe
,
K.
Mizuta
,
M.
Kashino
,
K.
Watanabe
,
T.
Fujita
,
Y.
Kamakura
,
N.
Mori
, and
Y.
Nakamura
,
ACS Appl. Energy Mater.
3
,
1235
(
2020
).
22.
Y.
Uematsu
,
T.
Terada
,
K.
Sato
,
T.
Ishibe
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Express
13
,
055503
(
2020
).
23.
T.
Taniguchi
,
T.
Ishibe
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
M. M.
Alam
,
K.
Sawano
, and
Y.
Nakamura
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
25428
25434
(
2020
).
24.
T.
Taniguchi
,
T.
Ishibe
,
R.
Hosoda
,
Y.
Wagatsuma
,
M. M.
Alam
,
K.
Sawano
,
M.
Uenuma
,
Y.
Uraoka
,
Y.
Yamashita
,
N.
Mori
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
141602
(
2020
).
25.
K.
Chu
,
Y. P.
Liu
,
Y. B.
Li
,
Y. L.
Guo
,
Y.
Tian
, and
H.
Zhang
,
Appl. Catal. B
264
,
118525
(
2020
).
26.
T. N.
Ye
,
S. W.
Park
,
Y. F.
Lu
,
J.
Li
,
M.
Sasase
,
M.
Kitano
,
T.
Tada
, and
H.
Hosono
,
Nature
583
(
7816
),
391
(
2020
).
27.
M. C.
Lin
,
M.
Gong
,
B. G.
Lu
,
Y. P.
Wu
,
D. Y.
Wang
,
M. Y.
Guan
,
M.
Angell
,
C. X.
Chen
,
J.
Yang
,
B. J.
Hwang
, and
H. J.
Dai
,
Nature
520
(
7547
),
324
(
2015
).
28.
C.
Xia
,
C. Y.
Kwok
, and
L. F.
Nazar
,
Science
361
(
6404
),
777
781
(
2018
).
29.
Y.
Gassenbauer
,
R.
Schafranek
, and
A.
Klein
,
Phys. Rev. B
73
,
245312
(
2006
).
30.
J. X.
Tang
,
C. S.
Lee
, and
S. T.
Lee
,
J. Appl. Phys.
101
(
6
),
064504
(
2007
).
31.
H. H.
Huang
,
K. K. H.
De Silva
,
G. R. A.
Kumara
, and
M.
Yoshimura
,
Sci. Rep.
8
,
6849
(
2018
).
32.
S.
Yoshida
,
H.
Hirori
,
T.
Tachizaki
,
K.
Yoshioka
,
Y.
Arashida
,
Z. H.
Wang
,
Y.
Sanari
,
O.
Takeuchi
,
Y.
Kanemitsu
, and
H.
Shigekawa
,
ACS Photonics
6
(
6
),
1356
(
2019
).
33.
K.
Nishio
,
N.
Nakamura
,
K.
Horiba
,
M.
Kitamura
,
H.
Kumigashira
,
R.
Shimizu
, and
T.
Hitosugi
,
ACS Appl. Energy Mater.
3
(
7
),
6416
(
2020
).
34.
A.
Shiotari
,
I.
Hamada
,
T.
Nakae
,
S.
Mori
,
T.
Okujima
,
H.
Uno
,
H.
Sakaguchi
,
Y.
Hamamoto
,
Y.
Morikawa
, and
Y.
Sugimoto
,
Nano Lett.
20
(
11
),
8339
(
2020
).
35.
K. P.
Puntambekar
,
P. V.
Pesavento
, and
C. D.
Frisbie
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
5539
(
2003
).
36.
H.
Hoppe
,
T.
Glatzel
,
M.
Niggenmann
,
A.
Hinsch
,
M. C.
Lux-Steiner
, and
N. S.
Sariciffci
,
Nano Lett.
5
(
2
),
269
(
2005
).
37.
A.
Boukai
,
K.
Xu
, and
J. R.
Heath
,
Adv. Mater.
18
,
864
(
2006
).
38.
A. I.
Hochbaum
,
R.
Chen
,
D.
Delgado
,
W.
Liang
,
E. C.
Garnett
,
M.
Najarian
,
A.
Majumdar
, and
P.
Yang
,
Nature
451
,
163
(
2008
).
39.
A. I.
Boukai
,
Y.
Bunimovich
,
J.
Tahir-Kheli
,
J.
Yu
,
W. A.
Goddard
, and
J. R.
coolh
,
Nature
451
,
168
(
2008
).
40.
E. A.
Hoffmann
,
H. A.
Nilsson
,
J. E.
Matthews
,
N.
Nakpathomkun
,
A. I.
Persson
,
L.
Samuelson
, and
H.
Linke
,
Nano Lett.
9
,
779
(
2009
).
41.
A.
Mavrokefalos
,
A. L.
Moore
,
M. T.
Pettes
,
L.
Shi
,
W.
Wang
, and
X.
Li
,
J. Appl. Phys.
105
,
104318
(
2009
).
42.
G. K.
Paul
and
S. K.
Sen
,
Mater. Lett.
57
,
742
(
2002
).
43.
A. Z.
Barasheed
,
S. R. S.
Kumar
, and
H. N.
Alshareef
,
J. Mater. Chem. C
1
,
4122
(
2013
).
44.
A.
Tomeda
,
T.
Ishibe
,
T.
Taniguchi
,
R.
Okuhata
, and
K.
Watanabe
,
Thin Solid Films
666
,
185
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.