量子隧道效应

1、量 子 隧 道 效 应 隧道效应的发现 1957年，受雇于索尼公司的 江崎玲於奈（leoesaki，1940） 在改良高频晶体管2t7的过程中发 现，当增加pn结两端的电压时电 流反而减少，江崎玲於奈将这种反 常的负电阻现象解释为隧道效应。 隧道效应-基本简介 l 在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按 经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量 子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如 此，这种现象称为隧道效应。 l 对于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决 不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定 的概率存在，此现象也是一种隧道效应。隧道效应是理解

2、 许多自然现象的基础。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。 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

3、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（quantumtunneling）。 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。 隧道效应 产生原因 隧道效应-主要用途 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， 1

4、986年开发了原子力显微镜 （afm） afm工作原理 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0.01mm（0.1a），可以测出原子间的 微作用力，实现原子级表面观测。 隧道巨磁电阻效应 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

5、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 （magneticvalveeffect）。 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

6、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。 半导体 隧道效应微观粒子能透入按经典力学规律它不可能进入的势垒区， 是反映微观粒子的波动性的一种基本效应。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。不过，通常说的半导体中的隧道效应指的不 是这种对原子势场的量子隧道效应。而是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。 c.曾讷在1934年最先提出，在外电场下，固体的能带在空间上变成图 1曾讷击穿所示的倾斜情况,价带的电子可以穿过

7、禁带进入导带。在禁带中 电子波函数指数衰减（波矢是复数的），就和穿过势垒时相似；曾讷认为 这是强场下半导体(或绝缘体)电击穿的一种原因。但实验表明，通常半导 体电击穿过程中，这种原因（称曾讷击穿）只起很次要的作用。只有在某 些特殊类型的pn结的反向击穿中，才有以曾讷击穿为主的情况。这种类型 的pn结称曾讷二极管，或按其用途叫稳压二极管。通常是硅二极管。 l 隧道二极管正向伏安 特性中有一段负阻区，而 且它还是一种多数载流子 效应,没有渡越时间的限 制,所以隧道二极管可用 作低噪声的放大器、振荡 器或高速开关器件，频率 可达毫米波段。它作为器 件的缺点是功率容量太小。 隧道过程中,常常有电子 声

8、子相互作用或电子- 杂质相互作用参加。从隧 道二极管的伏安特性上可 分析出参与隧道过程的某 些声子的频率。在势垒区 中的光吸收或发射中,隧 道效应也起着作用,这称 夫兰克凯尔德什效应。 杂质的束缚电子态和能带 中电子态之间的隧道也观 察到。 1957年江崎玲於奈发明了隧道二极 管。它是高掺杂半导体形成的窄的pn结； 当它加上前向偏压时,n区电子可以通过 隧道效应，穿过禁带进入p区中价带的 空状态。随所加的偏压增大，开始时隧 道电流变大（可以进入的空状态增多）； 随后到达极大值然后逐渐下降（可以进 入的空状态减少），最后下降到零（可 以进入的空状态没有了）。 扫描隧道显微镜 l 扫描隧道显微镜（

9、stm）的基本原理是利用量子理论中的 隧道效应 。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面 作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小 于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之 间的势垒流向另一电极 。这种现象即是隧道效应。隧道 电流 i 是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离 s 和平均功函数 有关： vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 ，分 别为针尖和样品的功函数，a 为常数，在真空条件下约等 于1。扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨 丝、铂铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产 生隧道电流。 由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之

10、 间距非常敏感，如果距离 s 减小0.1nm，隧道电流 i 将 增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电 流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫 描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了 样品表面的起伏 。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹 直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面 态密度的分布或原子排列的图象。这种扫描方式可用于 观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在 z 向驱动 器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用 的扫描模式。对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖 高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面 态密度的分布。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能 够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观 察表面起伏大于1nm的样品。 扫描模式示意图 （a）恒电流模式；（b）恒高度模式 s 为针尖与样品间距，i、vb 为隧道电流和偏置电压，vz为控制针 尖在 z 方向高度的反馈电压。 从式可知，在vb和 i 保持不变的扫描过程中， 如果功函数随样品表面的位置而异，也同样会引起 探针与样品表面间距 s 的变化，因而也引起控制 针尖高度的电压vz的变化。如样品表面原子种类 不同，或样品表面吸附有原子、分子时，由于不同 种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功 函数，此时扫描隧道显微镜(stm)给出的等电子态 密