隧道效應(yīng)及其應(yīng)用

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1、隧道效應(yīng)及其應(yīng)用隧道效應(yīng)定義是：隧道效應(yīng)由微觀粒子波動性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢壘貫穿。1、勢壘在原子核衰變過程會放射出α粒子后變成另一種原子核。原子核表面有40MeV的勢能，核內(nèi)α粒子的能量約為4~9MeV,能量較小的α粒子怎么會穿過那么高的勢壘從核內(nèi)放射出來？利用量子力學(xué)理論能夠給出很好的解釋。表示核內(nèi)x<0和核外x>0,可以自由運動，而核表面0

2、子能量是大于還是小于都有一定的幾率透過勢壘，也有一定的幾率被反射。下面就兩種情況進行討論;因為是定態(tài)問題，所以由定態(tài)薛定諤方程OIIIIII（1）在三個區(qū)間內(nèi)波函數(shù)應(yīng)遵從的薛定諤方程分別為：令：三個區(qū)間的薛定諤方程化為：IIIIII若考慮粒子是從I區(qū)入射，在I區(qū)中有入射波和反射波；粒子從II區(qū)穿過勢壘到III區(qū)，在II區(qū)中同樣有入射波和反射波，在III區(qū)只有透射波。上式分別代表三個平面波波函數(shù)。只有透射波,C'=0。其中既有入射波又有反射波，根據(jù)邊界條件：的情況為虛數(shù)令則在E>U0情況下入射粒子的∵透射系數(shù)：反射系數(shù)：將C,A,A'代入得可見，

3、：D與R的和等于1，說明入射粒子一部分反射，一部分透射，不會停留在勢壘中。（2）可見代入上式，將的情況為虛數(shù)令則注意到雙曲函數(shù)IIIIII0得（2）隧道效應(yīng)產(chǎn)生的原理：當(dāng)粒子能量E＜U0時，其透射系數(shù)D不為零，即粒子可以穿過勢壘而到達勢壘的另一側(cè)，這種現(xiàn)象稱為勢壘貫穿或隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)只在微觀領(lǐng)域才有意義。當(dāng)則且說明隧道效應(yīng)上式表明，透射系數(shù)D隨勢壘的高度U0和寬度IIIIIIa的增大呈指數(shù)性衰減.如：當(dāng)U0-E=1MeV時，勢壘的寬度為a=10-5nm時，透射系數(shù)D=10-4；若a=10-4nm時，透射系數(shù)D=10-38，隧道效應(yīng)在實際上已

4、經(jīng)沒有意義了，量子概念過渡到經(jīng)典。隧道效應(yīng)對經(jīng)典理論來講是無法解釋的。經(jīng)典理論認為，一個粒子的能量E

5、制成。其電流和電壓間的變化關(guān)系與一般半導(dǎo)體二極管不同。當(dāng)某一個極上加正電壓時，通過管的電流先將隨電壓的增加而很快變大，但在電壓達到某一值后，忽而變小，小到一定值后又急劇變大；如果所加的電壓與前相反，電流則隨電壓的增加而急劇變大。因為這種變化關(guān)系只能用量子力學(xué)中的“隧道效應(yīng)”加以說明，故稱隧道二極管?？捎糜诟哳l振蕩、放大以及開關(guān)等電路元件，尤其可以用來提高電子計算機的運算速度。半導(dǎo)體：可以把半導(dǎo)體（或絕緣體）中的電子遷移現(xiàn)象理解為在外電場下，束縛在一個原子中的電子，通過隧道穿透勢壘，到另一個原子中。指電子對半導(dǎo)體中宏觀勢壘的穿透，這個宏觀勢壘是半

6、導(dǎo)體的禁帶造成的。隧道顯微鏡：在掃描隧道顯微鏡(STM)觀測樣品表面的過程中，掃描探針的結(jié)構(gòu)所起的作用是很重要的。如針尖的曲率半徑是影響橫向分辨率的關(guān)鍵因素；針尖的尺寸、形狀及化學(xué)同一性不僅影響到STM圖象的分辨率，而且還關(guān)系到電子結(jié)構(gòu)的測量。因此，精確地觀測描述針尖的幾何形狀與電子特性對于實驗質(zhì)量的評估有重要的參考價值。掃描隧道顯微鏡(STM)的研究者們曾采用了一些其它技術(shù)手段來觀察掃描隧道顯微鏡(STM)針尖的微觀形貌，如SEM、TEM、FIM等。SEM一般只能提供微米或亞微米級的形貌信息，顯然對于原子級的微觀結(jié)構(gòu)觀察是遠遠不夠的。雖然用高

7、分辨TEM可以得到原子級的樣品圖象，但用于觀察掃描隧道顯微鏡(STM)針尖則較為困難，而且它的原子級分辨率也只是勉強可以達到。只有FIM能在原子級分辨率下觀察掃描隧道顯微鏡(STM)金屬針尖的頂端形貌，因而成為掃描隧道顯微鏡(STM)針尖的有效觀測工具。日本Tohoku大學(xué)的櫻井利夫等人利用了FIM的這一優(yōu)勢制成了FIM-STM聯(lián)用裝置(研究者稱之為FI-STM)，可以通過FIM在原子級水平上觀測掃描隧道顯微鏡(STM)掃描針尖的幾何形狀，這使得人們能夠在確知掃描隧道顯微鏡(STM)針尖狀態(tài)的情況下進行實驗，從而提高了使用掃描隧道顯微鏡(STM

8、)儀器的有效率。光子隧道效應(yīng)與近場光學(xué)顯微鏡:將一個同時具有傳輸激光和接收信號功能的光纖微探針移近樣品表面，微探針表面除了尖端部分以外均鍍有金屬層以防