隧道效应及其应用

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1、隧道效应及其应用隧道效应定义是：隧道效应由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿。1、势垒在原子核衰变过程会放射出α粒子后变成另一种原子核。原子核表面有40MeV的势能，核内α粒子的能量约为4~9MeV,能量较小的α粒子怎么会穿过那么高的势垒从核内放射出来？利用量子力学理论能够给出很好的解释。表示核内x<0和核外x>0,可以自由运动，而核表面0

2、也有一定的几率被反射。下面就两种情况进行讨论;因为是定态问题，所以由定态薛定谔方程OIIIIII（1）在三个区间内波函数应遵从的薛定谔方程分别为：令：三个区间的薛定谔方程化为：IIIIII若考虑粒子是从I区入射，在I区中有入射波和反射波；粒子从II区穿过势垒到III区，在II区中同样有入射波和反射波，在III区只有透射波。上式分别代表三个平面波波函数。只有透射波,C'=0。其中既有入射波又有反射波，根据边界条件：的情况为虚数令则在E>U0情况下入射粒子的∵透射系数：反射系数：将C,A,A'代入得可见，：D与R的和等于1，说明入射粒子一部分反射，一部分透射，不会停留在势垒中。（2）可见代入

3、上式，将的情况为虚数令则注意到双曲函数IIIIII0得（2）隧道效应产生的原理：当粒子能量E＜U0时，其透射系数D不为零，即粒子可以穿过势垒而到达势垒的另一侧，这种现象称为势垒贯穿或隧道效应。隧道效应只在微观领域才有意义。当则且说明隧道效应上式表明，透射系数D随势垒的高度U0和宽度IIIIIIa的增大呈指数性衰减.如：当U0-E=1MeV时，势垒的宽度为a=10-5nm时，透射系数D=10-4；若a=10-4nm时，透射系数D=10-38，隧道效应在实际上已经没有意义了，量子概念过渡到经典。隧道效应对经典理论来讲是无法解释的。经典理论认为，一个粒子的能量E

4、为E是总能量，进入Ⅱ区E=Ek+U，要是E

5、果所加的电压与前相反，电流则随电压的增加而急剧变大。因为这种变化关系只能用量子力学中的“隧道效应”加以说明，故称隧道二极管。可用于高频振荡、放大以及开关等电路元件，尤其可以用来提高电子计算机的运算速度。半导体：可以把半导体（或绝缘体）中的电子迁移现象理解为在外电场下，束缚在一个原子中的电子，通过隧道穿透势垒，到另一个原子中。指电子对半导体中宏观势垒的穿透，这个宏观势垒是半导体的禁带造成的。隧道显微镜：在扫描隧道显微镜(STM)观测样品表面的过程中，扫描探针的结构所起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素；针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象的分辨率，而且

6、还关系到电子结构的测量。因此，精确地观测描述针尖的几何形状与电子特性对于实验质量的评估有重要的参考价值。扫描隧道显微镜(STM)的研究者们曾采用了一些其它技术手段来观察扫描隧道显微镜(STM)针尖的微观形貌，如SEM、TEM、FIM等。SEM一般只能提供微米或亚微米级的形貌信息，显然对于原子级的微观结构观察是远远不够的。虽然用高分辨TEM可以得到原子级的样品图象，但用于观察扫描隧道显微镜(STM)针尖则较为困难，而且它的原子级分辨率也只是勉强可以达到。只有FIM能在原子级分辨率下观察扫描隧道显微镜(STM)金属针尖的顶端形貌，因而成为扫描隧道显微镜(STM)针尖的有效观测工具。日本Toh

7、oku大学的樱井利夫等人利用了FIM的这一优势制成了FIM-STM联用装置(研究者称之为FI-STM)，可以通过FIM在原子级水平上观测扫描隧道显微镜(STM)扫描针尖的几何形状，这使得人们能够在确知扫描隧道显微镜(STM)针尖状态的情况下进行实验，从而提高了使用扫描隧道显微镜(STM)仪器的有效率。光子隧道效应与近场光学显微镜:将一个同时具有传输激光和接收信号功能的光纤微探针移近样品表面，微探针表面除了尖端部分以外均镀有金属层以防