量子隧穿效应.ppt

1、量子隧穿效应,物理学 王磊磊 0210227,与,STM,原子艺术,在电影“阿甘正传”中，男主角汤姆汉克斯，不仅遇到了美国一个已故总统，并且还与他交谈和握了手。看上去情景大约就是这个样子的。我们都知道肯尼迪是不会复活的，显然我们看到的是电影特技并辅助了一定的电脑图形处理的图像。在这个数字图形处理技术的时代，当科学测量的结果只是艺术局表格的形式给出来的时候，要理解它就必须有计算工具可以用来表示和分析科学数据，包括复杂的作图工具以及模拟方式。,这些工具对于新型显微镜的发展特别是隧道扫描显微镜起到了至关重要的作用。数字成像处理技术正是这样一种量子技术，它直接成为了扫描隧道显微镜的助产婆。扫描隧道显微

2、镜可以对表面的单个原子进行成像，从而向我们展示原子尺寸物质的图形。,它也可以操作单个原子，使它们在表面移动，同时勾画原子尺寸的图案。而扫描隧道显微镜的基本原理就是量子领域最神奇的现象之一-量子隧穿效应。那么，什么是量子隧穿效应呢？,？,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势的壁垒，我们将它称为势垒。右面的物理图像可用下图表示。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。势场方程为,按照经典理

3、论，在EU0情况下，粒子运动到x0区域去的概率也为1。 按照量子力学的结论，对于能量稍大于U0的粒子束运动到势垒边缘时，其反射率一般不为零，有电子作反向运动。 对于能量低于势垒的粒子，其穿透势垒的透射率一般不为零，它与势垒高度a有关，也与势垒高度和总能量差(U0E )有关。这种在粒子总能量低于势垒的情况下，粒子能穿过势壁甚至穿透一定宽度的势垒而逃逸出来的现象称为隧道效应。,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

4、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。,STM的基本原理,扫描隧道显微镜（STM）的基本原理正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，

5、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，见图1(a)。,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

6、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。,图1 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。,STM的优点,扫描隧道显微镜(STM)仪器本身具有的诸多优点，使它在研究物质表面结构、生物样品及微电子技术等领域中成为很有效的实验工具。例如生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA分子；材料学家们考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等，都可利用扫描隧道显微镜(STM)仪器。在扫描隧道显微镜(STM)问世之前，这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测。而扫描隧道显微镜(STM)则是对样品表面进行无损探测，避免了使样品发生变化，也无需使样品受破坏性的高能辐射作用。,另外，任何借助透镜来对光或其它辐射进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根本限制：光的衍射现象。由于光的衍