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量子隧道效应班级：11级电子信息工程一班 姓名：王建丽 学号：201101071527摘要：由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒光穿。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，例子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出在势垒处的反射。这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上是不可能发生的。在势垒一边平动粒子，当动能小于势垒高度是，按经典力学粒子不可能穿过势垒，但对于微观，粒子可以以一定的概率穿过它。这种现象叫做隧道效应。我们可利用这种效应应用于生活。关键词：量子 隧道效应 简介 用途一 引言近代物理学研究的是微观粒子运动及物质的结构的量子物理。每当学习量子物理时很难理解，总是用牛顿物理理解微观世界中粒子的运动及状态。为了建立微观量子力学模型，我研究了隧道效应，以便自己可以更好的学习近代物理，不受经典物理桎梏。二 隧道效应简介在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示，为了简化运算，把势垒简化成一个一维方势垒。所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为1nm（10-6mm），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部分微粒子在EV的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。产生隧道效应的原因是电子的波动性。按照量子力学原理，在低速情况下，具有能量（动能）E的电子的波长=h/2mE（其中，h普朗克常量；m电子质量；E电子的动能），在势垒V前：若EV，它进入势垒V区时，将波长改变为=h/2m（E-V） V=V。 E V=0 V=0 0 x1 x2 X X势垒 隧道效应若EV时，虽不能形成有一定波长的波动，但电子仍能进入V区的一定深度。当该势垒区很窄时，即使是动能E小于势垒V，也会有一部分电子穿透V区而自身动能E不变。换三 隧道效应产生原因经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现四 隧道效应用途隧道效应本质上是量子跃迁，电子迅速穿越势垒。隧道效应有很多用途。如扫描隧道显微镜、隧道二极管、隧道巨磁电阻效应等。4.1 扫描隧道显微镜 放大器 计算机 显示器 探针 扫描隧道显微镜示意图 样品制成分辨力为0.1nm（1A）量级的扫描隧道显微镜，可以观察到Si的（111）面上的大元胞。但它适用于半导体样品的观察，不适于绝缘体样品的观测。在扫描隧道显微镜（STM）的启发下，1986年开发了原子力显微镜（AFM）。利用金刚石针尖制成以SiO2膜或Si3N4膜悬臂梁（其横向截面尺寸为100m1m，弹性系数为0.11N/m），梁上有激光镜面反射镜。当针尖金刚石的原子与样品的表面原子间距离足够小时，原子间的相互作用力使悬臂梁在垂直表面方向上产生位移偏转，使入射激光的反射光束发生偏转，被光电位移传感器灵敏地探测出来。原子力显微镜对导体和绝缘体样品都适用，且其分辨力达到0.01nm（0.1A），可以测出原子间的微作用力，实现原子级表面观测。显微镜实图4.2 隧道二极管隧道二极管是一种具有负阻特性的半导体二极管。目前主要用掺杂浓度较高的锗或砷化镓制成。其电流和电压间的变化关系与一般半导体二极管不同。当某一个极上加正电压时，通过管的电流先将随电压的增加而很快变大，但在电压达到某一值后，忽而变小，小到一定值后又急剧变大；如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。优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。隧道二极管的工作符合发生隧道效应具备的三个条件：费米能级位于导带和满带内；空间电荷层宽度必须很窄（0.01微米以下）；简并半导体P型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。隧道二极管为双端子有源器件。其主要参数有峰谷电流比（IPPV），其中，下标P代表峰；而下标V代表谷。由于“江崎二极管”具有负电阻，并且隧道效应发生速度异常迅速，可用来提高电子计算机的运算速度。也可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应用于高速开关电路中等电路元件。4.3 隧道巨磁电阻效应超导隧道结的发现在理论和实验上均有重要的价值。受此启发Julliere对Fe/Ge/Co磁性隧道结输运性质的研究作了开拓性的研究，发现隧道阻抗随铁磁层的磁化状态而变化，低温下电导的相对变化可达14%。1975年后人们对类似结构中的磁电阻效应进行了研究，但在室温下均不能获得较大的磁电阻效应。在GMR效应全球研究浪潮推动下，1994年在“磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属”（FM/I/FM）型隧道结Fe/Al2O3/Fe中获得了突破性进展。4.2K低温下，磁电阻变化率高达30%，室温下达18%。在这种结构中如果两铁磁层的磁化方向平行，一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进入另一个电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一电极进入另一电极的少数自旋子带的空态；如果两电极的磁化方向反平行，则一个电极中的多数子带的自旋与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋平行，这样，隧道电导过程中一个电极中多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋子带的空态，因而其隧道电导必须与两极的磁化方向平行时的电导有所差别，将隧道电导与铁磁电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应（magnetic valve effect）。理论上假定电子穿越绝缘体势垒时保持其自旋方向不变，在实际制备过程中由于氧化层生成时难免导致相邻铁磁层氧化，致使反铁磁性的氧化薄层的出现影响磁电电阻效应。所以实验的结果比理论上的预计要小。在磁隧道阀中，磁场克服的铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转至磁场方向而趋于一致，这时隧道磁电阻为极小值；若将磁场减小至负，矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转，两铁磁层的磁化方向相反，隧道电阻为极大值。由于只需反转一个单纯的铁磁层，因而只需一个非常小的外场便可实现隧道磁电阻极大值，所以其磁场灵敏度极高。Fe/Al2O3/Fe 和CoFe/Al2O3的磁场灵敏度分别为8%/Oe和5%/Oe。这些结果是多层膜的GMR及氧化物的CMR远所难及的。另外，在磁隧道结中可以通过改变氧化层的厚度来改变零场下的电阻值，而磁隧道结电阻值并不因此而改变的。这在金属多层膜中是很难实现的。这样根据不同的器件的驱动电压不同可以设计出不同的磁隧道结。今后如能解决氧化层的稳定制备和制备过程中铁磁层的氧化问题，其工业应用前景非常可观。此外如果技术手段可以保证的话，制备多层氧化隧道结也许可以获得更为丰富的物理效应和应用价值。隧道结的磁电阻效应取得了突破之后，人们受颗粒膜的启发又在Ni-SiO2, Co-SiO2, Fe-MgF2以及Fe-SiO2的铁磁绝缘物颗粒膜中发现了高的磁电阻效应。实验表明该体系中磁电阻效应与磁性颗粒的大小有关，数值不大，饱和场较高，应用的前景可能不大。五 总结量子隧道效应的研究经过近几年的努力已经取得很大的进展。在未来的时间中，我相信量子隧道效应会更大的发展。正