石墨烯资料.doc

量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，因此量子点又被称为“人造原子”。量子点 - 概述量子点量子点，电子运动在三维空间都受到了限制，因此有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”，是20世纪90年代提出来的一个新概念。量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势（由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生），两种不同半导体材料的界面（例如：在自组量子点中），半导体的表面（例如：半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。小的量子点,例如胶状半导体纳米晶,可以小到只有2到10个纳米,这相当于10到50个原子的直径的尺寸,在一个量子点体积中可以包含100到100,000个这样的原子。自组装量子点的典型尺寸在10到50纳米之间。通过光刻成型的门电极 或者刻蚀半导体异质结中的二维电子气形成的量子点横向尺寸可以超过100纳米。将10纳米尺寸的三百万个量子点首尾 相接排列起来可以达到人类拇指的宽度。量子点，又可称为纳米晶，是一种由IIVI族或IIIV族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于110nm之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。基于量子效应，量子点在太阳能电池，发光器件，光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。量子点 - 分类量子点按其几何形状，可分为箱形量子点、球形量子点、四面体量子点、柱形量子点、立方量子点、盘形量子点和外场（电场和磁场）诱导量子点；按其电子与空穴的量子封闭作用，量子点可分为1型量子点和2型量子点；按其材料组成，量子点又可分为元素半导体量子点，化合物半导体量子点和异质结量子点。此外，原子及分子团簇、超微粒子和多空硅等也都属于量子点范畴。量子点 - 量子效应量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质，在非线形光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景，同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。量子点1、表面效应表面效应是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒大的比表面积，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显著下降，通常低于1%，因而纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。2、量子限域效应由于量子点与电子的De Broglie波长、相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。对于量子点，当粒径与Wannier激子Bohr半径aB相当或更小时，处于强限域区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系数增加，出现激子强吸收。由于量子限域效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移。最新的报道表面，日本NEC已成功地制备了量子点阵，在基底上沉积纳米岛状量子点阵列。当用激光照射量子点使之激励时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有关闭电子的功能的量子限域效应。当量子点的粒径大于Waboer激子Bohr半径岭时，处于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是由干带间跃迁的一系列线谱组成。3、宏观量子隧道效应传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。100nm被认为是微电子技术发展的极限，原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，其量子效应将起主要功能电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过程将有明显电子的波动性，出现量子隧道效应，电子的能级是分立的利用电子的量子效应制造的量子器件，要实现量子效应，要求在几个m到儿十个m的微小区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域，电子在纳米空间中显现出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电电子从一个量子阱穿越量子垫垒进人另一个量子阱就出现了量子隧道效应，这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。4、量子尺寸效应通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象。尺寸越小，则谱蓝移现象也越显著，这就是人所共知的量子尺寸效应。量子点 - 主要性质1、量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTe量子为例，当它的粒径从 2.snln生长到4.0nm时，它们的发射波长可以从510nm红移到660nm 。2、量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。3、量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记在中的应用。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。4、量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。5、生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。6、量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒(这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而量子点的荧光寿命可持续数十纳秒（20ns一50ns)，这使得当光激发后，大多数的自发荧光已经衰变子点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光探针。1量子点 - 应用与前景1、量子点在生命科学中的应用很多现代发光材料和器件都由半导体量子结构所构成，材料形成的量子点尺寸都与过去常用的染料分子的尺寸接近，因而象荧光染料一样对生物医学研究有很大用途。从生物体系的发光标记物的差别上讲，量子点由于量子力学的奇妙规则而具有显著的尺寸效应，基本上高于特定域值的光都可吸收，而一个有机染料分子只有在吸收合适能量的光子后才能从基态升到较高的激发态，所用的光必须是精确的波长或颜色，这明显与半导体体相材料不同，而量子点要吸收所有高于其带隙能量的光子，但所发射的光波长（即颜色）又非常具有尺寸依赖性。所以，单一种类的纳米半导体材料就能够按尺寸变化产生一个发光波长不同的、颜色分明的标记物家族，这是染料分子根本无法实现的。与传统的染料分子相比，量于点确实具有多种优势。无机微晶能够承受多次的激发和光发射，而有机分子却会分解持久的稳定性可以让研究人员更长时间地观测细胞和组织，并毫无困难地进行界面修饰连接”。量于点最大的好处是有丰富的颜色。生物体系的复杂性经常需要同时观察几种组分，如果用染料分子染色，则需要不同波长的光来激发，而量于点则不存在这个问题，使用不同大小（进而不同色彩）的纳米晶体来标记不同的生物分子。使用单一光源就可以使不同的颗粒能够被即时监控。量子点特殊的光学性质使得它在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。、半导体量子点的器件应用半导体量子点的生长和性质成为当今研究的热点，目前最常用的制备量子点的方法是自组织生长方式。量子点中低的态密度和能级的尖锐化，导致了量子点结构对其中的载流子产生三维量子限制效应，从而使其电学性能和光学性能发生变化，而且量子点在正入射情况下能发生明显的带内跃迁。这些性质使得半导体量子点在单电子器件、存贮器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景。基于库仑阻塞效应和量子尺寸效应制成的半导体单电子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人们的关注。 “半导体量子点材料及量子点激光器”是半导体技术领域中的一个前沿性课题。这项工作获得了突破性进展，于2000年4月19日通过中国科学院科技成果鉴定。半导体低维结构材料是一种人工改性的新型半导体低维材料，基于它的量子尺寸效应、量子隧穿和库仑阻塞以及非线性光学效应等是新一代固态量子器件的基础，在未来的纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面有着极其重要的应用前景。采用应变自组装方法直接生长量子点材料，可将量子点的横向尺寸缩小到几十纳米之内，接近纵向尺寸，并可获得无损伤、无位借的量子点，现已成为量子点材料制备的重要手段之一；其不足之处是量子点的均匀性不易控制。 以量子点结构为有源区的量子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点，将使半导体激光器的性能有一个大的飞跃，对未来半导体激光器市场的发展方向影响巨大。近年来，欧洲、美国、日本等国家都开展了应变自组装量子点材料和量子点激光器的研究，取得了很大进展。量子隧穿效应在两块金属（或半导体、超导体）之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层，构成一个称为“结”的元件。设电子开始处在左边的金属中，可认为电子是自由的，在金属中的势能为零。由于电子不易通过绝缘层，因此绝缘层就像一个壁垒，我们将它称为势垒。一个高度为U0、宽为a的势垒，势垒右边有一个电子，电子能量为E 。 隧道效应无法用经典力学的观点来解释。因电子的能量小于区域中的势能值U0，若电子进入区，就必然出现“负动能”，这是不可能发生的。但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。因此，在宏观实验中，不容易观察到该现象。 隧道效应;隧穿效应;势垒贯穿;tunneling effect 又称隧穿效应，势垒贯穿。按照经典理论，总能量低于势垒是不能实现反应的。但依量子力学观点，无论粒子能量是否高于势垒，都不能肯定粒子是否能越过势垒，只能说出粒子越过势垒概率的大小。它取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。能量高于势垒的、运动方向适宜的未必一定反应，只能说反应概率较大。而能量低于势垒的仍有一定概率实现反应，即可能有一部分粒子(代表点)穿越势垒(也称势垒穿透barrier penetration)，好像从大山隧道通过一般。这就是隧道效应。例如H+H2低温下反应，其隧道效应就较突出。 根据爱因斯坦狭义相对论，任何物质在任何状况下的速度都不会超过光速- 299,792,458米/秒。从理论上说，如果超过光速，时间将会出现倒流。 据报道，日前两位德国科学家却声称，利用量子隧穿效应（quantum tunnelling），他们找到了让光突破自己速度限制的方法。 据报道，两位德国科学家的实验是让微波光子粒子通过两个棱镜并进行观测得出。当两个棱镜分开时，大部分粒子都被第一个棱镜反射然后被探测器发现。但是，他们发现，有部分粒子却“隧穿”过了两个棱镜之间的间隙并被第二个棱镜反射回到探测器。尽管这部分粒子比大部分粒子穿越的距离要长，但是，两部分粒子却是同时被探测器发现。这也就是说，产生“隧穿”的光子粒子的速度超出了光速。 德国科布伦茨大学教授Gunter Nimtz表示：“目前，这是唯一违反狭义相对论的一种现象。” 在量子力学里，量子隧穿效应为一种量子特性，是如电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的概率穿过位势障壁。 量子隧穿效应 (Quantum tunnelling effect) ，是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程。假若条件恰当，任何波动方程都会显示出出衰减波耦合效应。数学地等价于量子隧穿效应的波耦合效应也会发生于其它状况。例如，遵守麦克斯韦方程组的光波或微波；遵守常见的非色散波动方程的绳波或声波。 若要使隧穿效应发生，必须有一个 2 型介质的薄区域，像三明治一般，夹在两个 1 型介质的区域。2 型介质的波动方程必须容许实值指数函数解（上升指数函数或下降指数函数），而 1 型介质的波动方程则必须容许行进波解。在光学里，1 型介质可能是玻璃，而 2 型介质可能是真空。在量子力学里，从粒子运动这方面来说，1 型介质区域是粒子总能量大于位能的区域，而 2 型介质是粒子总能量小于位能的区域（称为位势垒）。 假若条件恰当，从 1 型介质区域入射至 2 型介质区域，行进波的波幅会穿透过 2 型介质区域，再以进行波的形式，出现于第二个 1 型介质区域。在量子力学里，穿透过的波幅可以合乎物理地解释为行进粒子。遵守薛定谔波动方程，穿透波幅的绝对值平方和入射波幅的绝对值平方的比率给出了粒子隧穿的透射系数，也就是其透射概率。对于遵守其它种波动方程的光波、微波、绳波、声波等等，穿透波幅可以物理地解释为行进能量，而穿透波幅的绝对值平方和入射波幅的绝对值平方的比率则给出了穿透能量和入射能量的比率。 入门概念这些类似隧穿现象发生的尺寸与行进波的波长有关。对于电子来说， 2 型介质区域的厚度通常只有几纳米。相比之下，对于一个隧穿出原子核的阿尔法粒子来说，厚度会是超小；对于光波来说，虽然 2 型介质区域的厚度超大，类似现象仍旧会发生。 仔细观察薛定谔波动方程。假若粒子可以被视为一个局域化 (localized) 于一点的物体，则粒子在介质区域内运动的行为是由粒子的动能设定的。在 1 型介质区域内，动能是正值的；而在 2 型介质区域内，动能是负值的。这现象并不会造成任何矛盾。量子力学不允许粒子局域化于一点。粒子的波函数必是有些散开的（非局域的），而非局域的物体，其动能的期望值必是正值的。 有些时候，为了数学上的便利，物理学家会视粒子的行为像质点一般，特别是当解析关于经典力学和牛顿第二定律的问题时，物理学家常会这样做。过去，物理学家认为经典力学的成功意味着粒子可以被视为局域化于一点。但是，当涉及非常小的物体和非常小的距离时，并没有任何令人心服口服的实验证据，可以证明这论点是正确的。反之，物理学家现在知道这看法是错误的。可是，由于传统教学方法仍旧反复灌输粒子的行为像质点一般这概念，学生有时会非常惊讶地发觉，行进粒子总是遵守波动方程（甚至是当使用移动质点的数学会造成很多便利的时候）。很明显地，根据牛顿定律，移个假设地经典质点粒子绝对无法进入负动能区域。而一个遵守波动方程的真实非局域物体，会永远拥有正值动能，假若条件恰当，能够穿透过这区域。 正在接近一个位势垒的一个电子，必须表达为一个波列。有时候，这波列可能会相当长。在某些物质里，电子波列的长度可能有 10 至 20 纳米。 这会增加模拟动画的难度。假设可以用短波列来代表电子，那么，右图动画正确地显示出隧穿效应。 电子波包遇到位势垒而产生的反射和隧穿效应。往位势垒的左边移动的明亮圆盘是波包的反射部分。暗淡的圆盘可以被观察到往位势垒的右边移动，是波包穿过位势垒的很微小的一部分。这是经典力学所不允许的。顺便注意入射波与反射波，因为叠加，而产生的干涉条纹。 隧穿效应的数学解析有一个特别问题。对于简单的位势垒模型，像长方形位势垒，薛定谔方程有解析解，可以给出精确的隧穿概率，又称为穿透系数。这一类的计算可以清楚的表明隧穿效应的物理内涵。更进一步，物理学家很想要能够计算出更合乎实际物理的隧穿效应。但是，在输入适当的位势垒数学公式于薛定谔方程后，大多数时候，我们会得到一个棘手的非线性微分方程。通常，这类微分方程没有解析解。很早以前，数学家和数学物理家就已经在研究这问题了。他们研究出一些特别的方法来近似地解析这些方程。在物理学里，这些特别方法被称为半经典方法。一个常见的半经典方法是 WKB 近似（又称为 JWKB 近似）。最先为人所知的尝试使用这类方法来解答隧穿问题，发生于 1928 年，用在场电子发射 (field electron emission) 问题。N. Fröman 和 P. O. Fröman ，两位物理学家，于 1965 年，最先得到完全正确的数学答案（他们也给出了合理的数学论证）。他们的复杂点子还没有被写入理论物理教科书。当今的理论物理教科书所讲述的方法比较简单，比较不精确。稍后，我们会简略的讲述一个个别的半经典方法。 有些研究隧穿效应的物理学家认为，粒子只不过拥有波样的物理行为，实际上粒子是质点样的。支持这看法的实验证据非常稀少。多数物理学家比较偏好的看法是，粒子实际上是非局域的 (delocalized)，而是波样的，总是表现出波样的物理行为。但是，在某些状况，使用移动质点的数学来描述其运动是一个很便利的方法。这里，我们采取第二种看法。不论如何，这波样的物理行为的真实本质是一个更深奥的问题，不包括在此文章所讲述范围之内。 这里所研讨的现象通常称为量子隧穿效应或粒子隧穿效应。但是，隧穿理论注重的是粒子在波动方面的物理行为，而不是关于粒子能级方面的效应。因此，有些作者比较喜欢称这现象为波动隧穿效应 隧穿效应的例子 阿尔法衰变就是因为阿尔法粒子摆脱了本来不可能摆脱的强力的束缚而“逃出”原子核。扫描隧道显微镜是量子隧穿效应的主要应用之一。扫描隧道显微镜可以克服普通光学显微镜像差的限制，通过隧穿电子扫描物体表面，从而辨别远远小于光波长的物体。 理论上，宏观物体也能发生隧穿效应。人也有可能穿过墙壁，但要求组成这个人的所有微观粒子都同时穿过墙壁，其实际上几乎是完全不可能，以至于人类历史以来还没有成功的纪录。 历史 于 1928 年，乔治伽莫夫正确地用量子隧穿效应解释了原子核的 阿尔法衰变。在经典力学里，粒子会被牢牢地束缚于原子核内，主要是因为粒子需要超大的能量，才能逃出原子核的非常强的位势。所以，经典力学无法解释阿尔法衰变。在量子力学里，粒子不需要拥有比位势还强的能量，才能逃出原子核；粒子可以概率性的穿透过位势，因此逃出原子核位势的束缚。伽莫夫想出一个原子核的位势模型，借着这模型，导引出一个粒子的半衰期与能量的关系方程。 同时期，Ronald Gurney 和 Edward Condon 也独立地研究出阿尔法衰变的量子隧穿效应。不久，两组科学队伍都开始研究粒子穿透入原子核的可能性。 量子隧穿理论也被应用在其它领域，像电子的冷发射 (cold emission)、半导体物理学、超导体物理学等等。快闪存储器的运作原理牵涉到量子隧穿理论。超大型集成电路 (VLSI integrated circuit) 的一个严峻的问题就是电流泄漏。这会造成相当大的电力流失和过热效应。 另外一个重要应用领域是扫描隧道显微镜。普通的显微镜无法观察到很多微小尺寸的物体；可是，扫描隧道显微镜能够清晰地观察到这些物体的细节。扫描隧道显微镜克服了普通显微镜的极限问题（像差限制，波长限制等等）。它可以用隧穿电子来扫描一个物体的表面。 量子隧穿效应明显的化学反应 传统的化学反应势能图。 量子隧穿效应也可以存在于某些化学反应中。此类反应中，反应物分子的波函数从反应势垒穿过即可使反应发生，而在经典的化学反应中，反应物分子只有获得足够能量，越过活化能的能垒，反应才可以发生（见右图） 对于有量子隧穿效应的化学反应，可通过向阿伦尼乌斯方程中加入一个修正因子Q，将反应速率k、温度T和反应的能垒E（类似于活化能Ea）联系起来： 其中： m是发生隧穿的粒子的质量，2a是位势垒的宽度 从上式可以看出，发生隧穿的粒子质量越小（德布罗意波长越大），势垒的宽度越小（即势垒越窄），反应受量子隧穿效应的影响的可能性越大。因此一般发生隧穿的都是电子、氢原子或氘原子，很少有较重元素的原子参与隧穿的。势垒的宽度则由粒子隧穿前后所处位置之间的距离所决定，两个反应位点距离越近，隧穿的程度越大。并且能垒越低，隧穿程度也越大。由于分别与2a，和质量m的平方根成正比，故因子Q受势垒宽度的影响比它受粒子质量的影响更大一些。 验证量子隧穿效应存在于化学反应中的一种方法是动力学同位素效应（KIE）。在KIE实验中，反应的一个反应物的某一原子分别被同一元素质量不同的同位素所标记，分别进行反应，通过对比两者的反应速率，可以得出关于反应机理的信息。若一个反应的速率控制步骤涉及该同位素与其他元素形成的化学键的断裂，由于越重的同位素形成的化学键越不容易断裂，因此使用同一元素不同同位素标记的反应物参加反应时，反应的速率也应该是不同的，重同位素标记的反应物参与的反应速率应该较慢。如果这两种同位素分别是氕和氘（即氢-1和氢-2），通常情况下，kH/kD的值应该在6-10之间，也就是说，含C-H键的反应速率是含C-D键的反应速率的6-10倍。但如果反应中存在量子隧穿效应，由于质量m在因子Q中是处在指数位置上的，m的变化对速率的影响很大，因此kH/kD的值应该远大于10。实验事实也证明了这个假设。比如在下面的反应中，硝基丙烷的阿尔法-氢被有位阻的吡啶去质子化，并被碘代，反应的KIE值在25C时却达到25，意味着反应中很可能存在量子隧穿效应。 修正项Q的存在，使得存在量子隧穿效应反应的速率k受温度T影响很小。相对于普通的化学反应，在温度明显升高或降低时，此类反应的速率通常不会有很明显的变化，仅有很小的差异。低温下，量子隧穿效应反而更加明显，研究此类反应也通常在低温下进行。然而，温度的升高，使一部分分子跃迁到第二振动能级（n=1）上，降低了势垒宽度，使反应速率加快。这便是速率受温度影响不为零的缘故。 量子隧穿效应最常见于有机化学反应中，尤其是一些含活性中间体的反应和某些酶催化的生化反应。它是酶能够显著增加反应速率的一种机制。酶使用量子隧穿效应来转移电子及氢原子、重氢原子一类的原子核。实验也显示出，在某种生理状况下，甚至连葡萄糖氧化酶 (glucose oxydase) 的氧原子核都会发生量子隧穿效应。 质子-质子链反应也是量子隧穿效应的例子之一。 有科学家认为，化学反应中的量子隧穿效应是宇宙中众多有机分子得以合成的基础，也有可能是合成早期生命所需的有机化合物的重要机制。外太空中，温度极低，并且存在着大量的氢元素和氦元素，和大量的甲醛分子作合成原料，这些因素，都有利于量子隧穿效应的发生。通过很多类似的反应，可以由简单的无机原料，突破传统化学反应的禁阻，合成很多复杂的有机化合物。这些有机分子很可能与生命起源有重要关联。 编辑本段英物理学家首次用光让电子“穿越墙壁”据物理学家组织网2012年4月6日（北京时间）报道英国剑桥大学卡文迪什实验室的科学家首次利用光让电子穿过了经典力学里无法穿越的“墙壁”（势垒），实现了量子隧穿，科学家们有望借此研制出新的凝聚态。相关研究发表在4月5日出版的科学杂志上。 在量子力学里，量子隧穿效应为一种量子特性，是电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。正常情况下，粒子无法穿过这些“墙壁”，但如果这些粒子足够小，这一切就可以发生。在放射性衰变发生时、在很多化学反应中以及在扫描隧道显微镜内都会出现这种量子隧穿效应，这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，因而有不为零的概率穿过这些“墙壁”。 该研究团队的领导者杰里米鲍姆博格表示：“告诉电子如何穿过墙壁的技巧是让光同电子联姻。” 科学家们解释到，这场“联姻”是“命中注定”的，因为光以共振腔光子的形式出现，科学家们将一束光捕获在镜子之间，让其在镜子间来回反弹，光把电子夹在中间，让电子振动穿过墙壁。 研究人员皮特克里斯托弗里尼指出：“这场婚姻产生的后代实际上是新的不可分割的粒子，这些粒子由光和物质组成，可以自由地通过像平板一样的半导体墙壁而消失。” 科学家表示，新粒子的独特特征之一是它们会朝一个特定的方向延伸，而且它们之间也存在着强烈的相互作用。 目前，很多试图制造出“凝聚态”的半导体物理学家正在密切关注这些相互作用强烈的粒子。“凝聚态”指的是由大量粒子组成且粒子间有很强相互作用的系统。低温下的超流态、超导态、玻色爱因斯坦凝聚态、磁介质中的铁磁态、反铁磁态等都是凝聚态，它们能在半导体内毫无损失地“旅行”。 这些新的带电粒子也具有量子力学特征，即能同时出现在两个地方，因此，科学家们有望使用这些新粒子，借用肉眼可见的量子力学将原子物理学家的想法变为实用设备朗道能级 磁场中电子作回旋运动的量子化能级。在外磁场中，电子沿磁场方向的运动不 受影响，但在垂直于磁场的平面内作回旋运动。如果是自由电子，其轨道是圆，即作简谐运动。按照量子力 学，简谐振子的能量是量子化的。固体电子的轨道不一 定是圆，但其能量也是量子化的。这一微观系统的薛定谔方程首先由L.D.朗道（L.D.Landau）解出，由此得到的均匀、间隔的能级被称之为朗道能级。朗道能级和相应的波函数的性质在对量子霍尔效应和反常量子霍尔效应等的研究中有重要的应用。 朗道能级是高度简并的。因此每个能级上可以容纳大数的电子。它们之间的最小间距均为k*。不同量子数轨道所凝聚的态数都相同。外磁场引起的电子能带结构变化使得态密度发生很大变化，每个子带边缘的态密度都变成了无限大。态密度的这种变化是德哈斯一范阿耳芬效应、舒布尼柯夫一德哈斯效应等多种态密度有关的物理效应综合作用的结果。而且朗道能级对于理解量子霍尔效应很有用磁场中电子作回旋运动的量子化能级。在外磁场中，电子沿磁场方向的运动不 受影响，但在垂直于磁场的平面内作回旋运动。如果是自由电子，其轨道是圆，即作简谐运动。按照量子力 学，简谐振子的能量是量子化的。固体电子的轨道不一 定是圆，但其能量也是量子化的。这一微观系统的薛定谔方程首先由L.D.朗道（L.D.Landau）解出，由此得到的均匀、间隔的能级被称之为朗道能级。朗道能级和相应的波函数的性质在对量子霍尔效应和反常量子霍尔效应等的研究中有重要的应用。 朗道能级是高度简并的。因此每个能级上可以容纳大数的电子。它们之间的最小间距均为k*。不同量子数轨道所凝聚的态数都相同。外磁场引起的电子能带结构变化使得态密度发生很大变化，每个子带边缘的态密度都变成了无限大。态密度的这种变化是德哈斯一范阿耳芬效应、舒布尼柯夫一德哈斯效应等多种态密度有关的物理效应综合作用的结果。而且朗道能级对于理解量子霍尔效应很有用。圆盘型石墨烯量子点电子结构研究姚志东 【摘要】：石墨烯(Graphene)是一种只有一個碳原子厚度的二维材料,此二维材料是由碳原子以sp2杂化方式组成的六角型蜂巢晶格结构。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家Andre.K.Geim和Kostya Novoselov在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。由于石墨烯特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的性质,在过去几年中,石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点,在众多领域都有着潜在的巨大应用价值。 本文将利用Dira.c方程,对不同边界条件下圆盘形石墨烯量子点的电子结构性质进行模拟和数值计算,为其在纳米电子器件、新型传感器等领域的应用提供一定的理论指导。 第一章我们介绍石墨烯的发现以及石墨烯的一些独特性质,其次介绍几种常用的实验制备方法,并罗列了一些石墨烯材料在各个领域的潜在应用前景。 第二章中我们介绍了石墨烯的两种基本理论模型格点模型和连续模型,并介绍一些结果。然后,对本文将要采用的数值计算方法做一个简单介绍,为下文奠定基础。 第三章中,我们通过数值求解Dirac方程,计算了磁场中扶手型边界条件下圆盘形石墨烯量子点的能谱结构以及尺寸大小对量子点带隙的影响。我们的数值计算表明,没有外磁场时,扶手型量子点能谱中存在一定的带隙,带隙的大小与量子点半径成反比。在外加磁场下量子点能谱会出现朗道能级,最低朗道能级能量为零,且朗道能级间距是不均匀的。朗道能级能量与磁场平方根成正比,与朗道能级数平方根成正比,这与无穷大石墨烯的解析结果相一致。对态密度的计算结果从另一方面验证了上述关于朗道能级的结论。同时,计算结果表明,最低朗道能级的简并度与磁场大小成线性关系,而与量子点半径的平方成线性关系。我们还发现,随着磁场强度的增加在朗道能级形成过程中,电子几率密度分布会由圆盘边缘向中心移动。 第四章中,我们计算了磁场中锯齿型边界条件下圆盘形石墨烯量子点的能谱结构。与扶手型量子点一样,在强磁场下量子点会出现朗道能级,且朗道能级间距是不均匀的。我们发现,与扶手型量子点不同的是,当采用锯齿型边界时,外加磁场会破坏谷间简并,使得K点和K点不再有对称性。K点能谱与K点的能谱有明显不同,当外加磁场时,K点中不会有新的零能态的出现,原来的边界态也会随磁场的增强,逐渐变为最低朗道能级中的态。而对于K点则不同,外加磁场会使出现新的零能态,而边界态能量以及电子密度分布并不随磁场增加而变化。 第五章为全文的总结以及展望。量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子肼的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱 - 量子阱的最基本特征 由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状。量子阱的制备通常是通过将一种材料夹在两种材料（通常是宽禁带材料）之间而形成的。比如两层砷化铝之间夹着砷化镓。一般这种材料可以通过MBE（分子束外延）或者CVD（化学气相沉积）的方法来制备。量子阱（英语：Quantum well）是指具有离散能量值的势阱。为了形成量子化，可以把能够在三维空间自由运动的粒子束缚在一个平面区域。当量子阱的厚度达到载流子（电子或空穴）对应物质波的波长相同的数量级时，量子束缚效应就可以发生，造成子能带（energy subband），也就是说载流子具有离散的能量值。论文标题:双势垒抛物量子阱结构中的电子隧穿Tunneling of Electrons Through Parabolic Quantum Well Structures with Double Barriers论文作者 论文导师 梁希侠,论文学位 博士,论文专业 理论物理论文单位 内蒙古大学,点击次数 119,论文页数 73页File Size2789k2005-04-15论文免费下载 /lunwen_860822767/ Parabolic quantum well; resonant tunneling; tunneling time; electron-phonon interaction; magnetotunneling本文详尽研究Al_xGa_(1-x)As材料构成的双势垒抛物量子阱中的电子隧穿问题,详细讨论了外加电磁场和电-声子相互作用对电子隧穿的影响,讨论了隧穿动力学的一些相关问题。 横向磁场对电子隧穿过程的影响较为复杂,主要原因是由于电子横向动量守恒被破坏。我们采用转移矩阵和数值计算相结合的方法,引入有效势概念,计算了横向磁场作用下,通过几种典型抛物量子阱结构的隧穿系数。我们发现磁场对于结构尺寸大的抛物阱影响较大,随磁场增加,共振峰向高能区移动,说明磁场使阱内束缚能级提高,同时我们就回旋中心在入射垒边、阱中心和出射垒边三种情况,利用Esaki模型计算了隧穿电流。通过比较,我们认为,回旋中心在阱中心位置体现了平均效果,更能代表实验情况。磁场将阻碍电子隧穿,其效果是使电流峰值下降并且向高偏压位置移动,这些理论结果与实验相一致。 基于讨论通过双势垒抛物量子阱结构隧穿动力学的需要,给出了含时Schr(?)dinger方程数值解,采用波包散射理论计算了电子隧穿时间。习惯上人们利用电子在阱内的延迟常数来表征隧穿时间特性,我们也证实在一些情况下这一做法是不严格的,因为电子在阱区内的几率需要经过一段时间(构建时间)才能达到极大值,然后指数衰减。构建时间对结构参数的依赖较弱,但隧穿寿命随阱宽和垒厚的减小而迅速衰减,这样就导致对于小尺寸的抛物阱结构构建时间和隧The electron tunneling through parabolic quantum wells with double barriers consisting of Al_xGa_(1-x)As material are investigated by taking the influence of magnetic field and electron-phonon interaction into account. The relative problems of tunneling dynamics are discussed.The situation with a transverse magnetic field is more complicated, as the transverse-momentum components keeps no longer conservation in the tunneling process. The transmission coefficients of electrons tunneling through several parabolic quantum wells under a uniform transverse magnetic field have been calculated by using a transfer matrix method under consideration of effective potential. It is seen that the influence of the magnetic field is more significant for the parabolic quantum well structures with larger dimension. Furthermore, it is found that the resonant current peaks shift towards the higher bias position. This indicates that the quasi-bound energy level is raised by the magnetic field. Meanwhile, the J-V characteristics of a parabolic quantum well are discussed for the cyclotron center located at different positions. It is also found that the situation,where the cyclotron center is located at the parabolic well center, is helpful to explain the experimental phenomena. The peak current densities decrease and shift to higher bias with increasing magnetic fields. In order to discuss the tunneling dynamics for parabolic well structures, the time-dependent Schrodinger equation has been numerically solved with using of the transfer matrix method and wave packet theory. The result shows that the probability density of an electron in the well reaches its maximum after a build-up time, and then decays exponentially with time. Furthermore, the dependency of the build-up time on the structure parameters is weaker, but the tunneling lifetime decreases rapidly with increase of the well width and barrier thickness. It can be seen from our results that the build-up time may be longer than the tunneling lifetime (decay constant) for parabolic quantum wells with narrower width. Therefore it is not sufficient that the decay constant is used to describe all of the temporal characteristics of the electron tunneling. By comparing the results of parabolic wells with that for square wells, it i