隧道效应及其应用

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1、粒子在x<0区域里，若其能量小于势垒高度，经典物理来看是不能越过势垒达到x>a的区域。1.隧道效应(势垒贯穿）设一个质量为m的粒子，沿x轴正方向运动，其势能为：这种势能分布称为一维势垒。在量子力学中，情况则不一样。为讨论方便，我们把整个空间分成三个区域：OIIIIII在各个区域的波函数分别表示为123。1OIIIIII令：三个区间的薛定谔方程简化为：2方程的通解为：将上面的三个式子乘以因子：，可知：三式的右边第一项表示沿x方向传播的平面波，第二项为沿x负方向传播的平面波。1右边的第一项表示射向势垒的入射波，第二项表示被“界面

2、（x=0）”反射的反射波。2右边的第一项表示穿入势垒的透射波，第二项表示被“界面（x=a）”反射的反射波。3右边的第一项表示穿出势垒的透射波，3的第二项为零，因为在x>a区域不可能存在反射波(C/=0)。3利用波函数“单值、有限、连续”的标准条件，可得：求出解的形式画于图中。IIIIII讨论：（1）E>U0按照经典力学观点,在E>U0情况下，粒子应畅通无阻地全部通过势垒，而不会在势垒壁上发生反射。而在微观粒子的情形，却会发生反射。4IIIIII（2）E

3、子的概率不为零，同时，在x>a区域也存在波函数，所以粒子还可能穿过势垒进入x>a区域。粒子在总能量E小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象称为隧道效应。定义粒子穿过势垒的贯穿系数：透射波的概率密度与入射波概率密度的比值。5结果表明：势垒高度U0越低、势垒宽a度越小，则粒子穿过势垒的概率就越大。如果a或m为宏观大小时，，粒子实际上将不能穿过势垒。隧道效应是一种微观效应。当时，势垒的宽度约50nm以上时，贯穿系数会小六个数量级以上。隧道效应在实际上已经没有意义了。量子概念过渡到经典了。隧道效应是经典力学所无法解释的，因为按经典力学计算结果，在

4、势垒区，粒子的动能小于零，动量是虚数。隧道效应来源于微观粒子的波粒二象性。由于微观粒子的波动性，微观粒子遵守“不确定关系”，粒子的坐标x和动量P不可能同时具有确定的值，自然作为坐标函数的势能和作为动量函数的动能当然也不能同时具有确定的值。因此，对微观粒子而言，“总能量等于势能和动能之和”这一概念不再具有明确的意义。62.隧道显微镜STM由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于表面边界之内，电子密度并不在表面边界处突变为零，而是在表面以外呈指数形式衰减，衰减长度越为1nm。只要将原子线度的极细探针以及被研究物质的表面作为两个电极

5、，当样品与针尖的距离非常接近时，它们的表面电子云就可能重叠。若在样品与针尖之间加一微小电压U,电子就会穿过电极间的势垒形成隧道电流。隧道电流对针尖与样品间的距离十分敏感。若控制隧道电流不变，则探针在垂直于样品方向上的高度变化就能反映样品表面的起伏。Scanningtunnelingmicroscopy7因为隧道电流对针尖与样品间的距离十分敏感。若控制针尖高度不变，通过隧道电流的变化可得到表面态密度的分布；使人类第一次能够实时地观测到单个原子在物质表面上的排列状态以及与表面电子行为有关的性质。在表面科学、材料科学和生命科学等领域中有着

6、重大的意义和广阔的应用前景。空气隙STM工作示意图样品探针利用STM可以分辨表面上原子的台阶、平台和原子阵列。可以直接绘出表面的三维图象81981年宾尼希和罗雷尔利用电子扫描隧道显微镜（STM）给出了晶体表面的三维图象。钻石中的原子已被看到利用光学中的受抑全反射理论，研制成功光子扫描隧道显微镜（PSTM)。1989年提出成象技术。它可用于不导电样品的观察。9