纳米第四组量子隧穿效应

量子隧穿效应Outline概述——什么是量子隧穿效应原理——为什么会发生量子隧穿效应应用——扫描隧道显微镜什么是量子隧穿效应•在量子力学里，量子隧穿效应(Quantumtunnelingeffect)为一种量子特性，是指电子等微观粒子能够穿过一个高于粒子能量的势垒的现象。•隧道效应无法用经典力学的观点来解释。但是用量子力学的观点来看，电子具有波动性，其运动用波函数描述，而波函数遵循薛定谔方程，从薛定谔方程的解就可以知道电子在各个区域出现的概率密度，从而能进一步得出电子穿过势垒的概率。该概率随着势垒宽度的增加而指数衰减。当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10埃时，粒子透射概率减小到10-10，已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。电子波遇到势垒而产生的反射和隧穿效应。往势垒的左边移动的明亮圆盘是电子波的反射部分。而往势垒的右边移动的暗淡圆盘，是电子波穿过势垒的很微小的一部分。这是经典力学所不允许的。左边出现的条纹是入射波与反射波因为叠加而产生的干涉条纹实验观察到的量子隧穿效应基本原理•设质量为m的粒子以给定的能量E自左方入射，遇到如下势垒：其中，U0E。•在经典力学中，粒子将不能穿过势垒，但作为量子力学问题，由于粒子的波动性，粒子将有一定的概率透过势垒进入xa区域而继续前进。axUaxxxU0,,0,0)(0（1）公式推导•波函数表示如下：•该波函数满足定态薛定谔方程:/)(),(iEtextx（2）mkExVm2)(''2222（3）在微观情形下，令m=me（电子质量），V0-E=1eV，a=0.1nm，则：透射概率相当大，可见在微观领域中势垒贯隧穿象十分容易发生。026.1)(220EVma36.0~~026.1)(2220eeACEVmarr实验现象及应用•由量子隧道效应导致的实验现象及应用比较常见，例如：1.原子核的α衰变2.导体中自由电子的形成3.不同导体间的接触电势差4.电子在结型半导体中的隧道效应（制成隧道二极管）5.电子的冷发射6.质子-质子链反应7.扫描隧道显微镜•以下就扫描隧道显微镜进行详细介绍。扫描隧道显微镜•扫描隧道显微镜（scanningtunnelingmicroscope，STM）是一种利用量子隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德·宾宁（右图）和海因里希·罗雷尔在IBM的苏黎世实验室发明，两人因此分享了1986年的诺贝尔物理学奖。工作原理•扫描隧道显微镜的工作原理：通过人工操纵一个极细的探针（针尖仅有一个原子），使该探针缓慢通过被分析的材料。探针上加有一定的电压，由于量子隧道效应而产生探针到材料之间的隧道电流。当探针经过一个原子时，电流的大小就会有所变化。把这些变化加以记录和处理，就可以得到该材料极为细致的表面轮廓图。•当扫描隧道显微镜在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫米级的沟壑等结构上的变化，这就是用扫描隧道显微镜进行原子尺度分析的原理。参考文献1.曾谨言，《量子力学》卷I，科学出版社，第四版。2.Razavy,Mohsen.QuantumTheoryofTunneling.WorldScientific.2003.ISBN981-238-019-1.3.Griffiths,DavidJ..IntroductiontoQuantumMechanics(2nded.).PrenticeHall.2004.ISBN0-13-805326-X.4.Liboff,RichardL..IntroductoryQuantumMechanics.Addison-Wesley.2002.ISBN0-8053-8714-5.5.Vilenkin,Alexander.Particlecreationinatunnelinguniverse.Phys.Rev.D.2003,68:023520.