第八章 单电子隧道效应_651402379
(完整版)基础有机化学——电子效应
场效应的例子
X
HO O
X=H
pka=6.04
X=Cl
pka=6.25
X=COOCH3 pka=6.20
场效应的例子
Cl H
Cl
H HO
O
pka=5.67
H Cl
H
Cl H O
O
pka=6.07
场效应的影响因素
键矩 距离 位置 基团电荷
诱导效应的作用
诱导效应在有机化学中是一个非常 重要的理论，它在研究有机化合物的结 构、有机反应机理和有机合成中起很重 要的作用。
诱导效应指数
诱导效应强弱的定量尺度。 1962年蒋明谦和戴萃辰提出诱导效应指数的新概念。诱 导效应指数（I）与化学活性（P），包括反应能量，反应速 度常数的对数以及反应平衡常数的对数成直线关系；反应生 成物产率（%）与诱导效应指数（I）成S形曲线关系。 诱导效应指数用原子电负性表达基团电负性，是根据分 子结构最根本的原子特性来计算基团常数。虽然布朗斯台德 （Bronsted）、哈梅特（Hammett）以及塔夫脱（Taft）等化 学家在三十年代已经提出了某些基团常数，但都是由实验个 别指定的。
作用的结果，是使轨道发生重组，并使 能级发生分裂，重组后的部分轨道能量下降， 部分轨道升高，总能量不变。电子填充到了 低能量的重组轨道上，因而体系能量下降， 分子变得更稳定。
共轭效应的结果
电子运动范围扩大 电子云密度平均化
键长平均化 分子能量下降
共轭效应的类型
π-π共轭 CH2 CH C N
O
N+ O-
超共轭效应的结果
电子运动范围扩大 电子云密度平均化
键长平均化 分子能量下降
超共轭效应的类型
σ-π超共轭
隧道效应与隧道电流
(2)加一很小的正向电压v，n区 能带相对于p区将升高qv， 如右图所示，这时结两边能 量相等的量子态中，p区价 带的费米能级以上有空量子 态，而n区导带的费米能级 以下有量子态被电子占据， 因此n区导带中的电子可能 穿过隧道到p区价带中，产 生从p区向n区的正向隧道电 流，这时对应于特性曲线上 的点1
(3)继续增大正向电压，势垒高度 不断下降，有更多的电子从n 区穿过隧道到p区的空量子态， 使隧道电流不断增大。当正向 电流增大到Ｉp时，这时P区 的费米能级与n区导带底一样 高，n区的导带和p区的价带中 能量相同的量子态达到最多， n区的导带中的电子可能全部 穿过隧道到p区价带中的空量 子态去，正向电流达到极大值 Ｉp，这时对应于特性曲线的 点2.
(4)再增大正向电压，势垒高度 进一步降低，在结两边能量 相同的量子态减少，使n区 导带中可能穿过隧道的电子 数以及p区价带中可能接受 穿过隧道的电子的空量子态 均减少，如右图所示，这时 隧道电流减小，出现负阻， 如特性曲线上的点3
(5)正向偏压增大到vv时，n区 导带底和p区价带顶一样高， 如右图所示，这时 p区价带 和 n区导带中没有能量相同 的量子态，因此不能发生隧 道穿通，隧道电流应该减少 到零，对应于特性曲线上的 点4。但实际上在vv时正向电 流并不完全为零，而是有一 个很小的谷值电流Ｉv.实验 证明，谷值电流基本上具有 隧道电流的性质。
• 3.重掺杂的作用
• 使杂质能级产生变化，在重掺杂的条件下，杂质能级展扩成杂质能带。 常以杂质能级进入半导体的导带或价带来表征。
• 4.重掺杂
N>1019 /cm-3
Hale Waihona Puke 1-6-2隧道效应 隧道效应
• 当p-n结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜，反偏压越 大，势垒越高，势垒区内的电场越强，能带越加倾斜，可 以使N区的导带底比P区的价带顶还低，如图6-23所示。 • 当半导体中的电场变得非常高时以致存在一定的几率，即 共价键中的电子会直接激发到导带，此时可能会出现过大 的漏电流。这个几率的量子力学计算是由Clarence Zener 进行的。这种击穿机制不需要载流子的加速和碰撞。因此 仅在p+-n+结区观察到，因为那里由于重掺杂，空间电荷 区非常窄，载流子没有足够的路程获得足够的能量进行碰 撞电离。在这些条件下，由于耗尽层非常簿，以致会发生 隧道效应。重掺杂导致了隧道二极管的出现。
隧道效应——精选推荐
纳米材料纳米材料是指材料显微结构中至少有一相的一维尺度在100nm以内的材料。
纳米材料由于平均粒径微小、表面原子多、比表面积大、表面能高，因而其性质既不同于单个原子、分子，又不同于普通的颗粒材料，显示出独特的小尺寸效应、表面效应等特性，具有许多常规材料不可能具有的性能。
纳米材料由于其超凡的特性，引起了人们越来越广泛的关注,不少学者认为纳米粒子将是21世纪最有前途的材料之一，纳米技术将成为21世纪的主导技术。
一、纳米材料的特性当材料的尺寸进入纳米级，材料本身便会出现以下奇异的崭新的物理性能：1、尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光电、磁学、热学、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。
纳米微粒的小尺寸效应使其具有独特的物理化学性能，从而拓宽了材料的应用范围。
如当颗粒的粒径降到纳米级时，材料的磁性就会发生很大变化，如一般铁的矫顽力约为80a/m，而直径小于20nm的铁，其矫顽力却增加了1000倍，可用于制造磁卡；利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。
若将纳米粒子添加到聚合物中，不但可以全面改善聚合物的力学性能，甚至还可以赋予材料新性能。
2、表面效应一般而言，随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。
表1列出了纳米微粒尺寸与表面原子数的关系。
表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸d（nm）包含总原子表面原子所占比例（%）10 3×104 204 4×103 402 2.5×102 801 30 99从表1中可以看出，随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。
超导体的单电子隧道效应
chaodaoti de dandianzisuidaoxiaoying超导体的单电子隧道效应superconductive single-electron tunnelling effect通常把两块金属电极中间夹一层很薄的绝缘层(厚度为10厘米的数量级)的结构叫做隧道结。
根据量子力学原理，电子可以通过这样薄的绝缘层。
在隧道结两端有电压()时，能够产生足够大的可观测的电流()。
这是隧道效应的一种。
隧道电流的大小除与绝缘层的厚度有很大关系外，还与两个电极中电子态密度有关。
电子态密度的特征会影响隧道结的伏安特性曲线()的形状。
当两个电极都是正常金属N时,在不太高的电压（低于1伏）范围内（如图[隧道结的()特性曲线示意图]()特性曲线示意图" class=image>中N-I-N情况）,()是一条直线。
它说明，在这个范围内，正常金属的电子态密度是一个与能量无关的常量。
若电极是超导体，()曲线就复杂些。
超导微观理论预言，超导体中单电子的态密度[79-01]。
这里2是超导体的能隙宽度当温度远低于超导体的临界温度时，对于一个电极是超导体S的隧道结,当<时除了在能隙上的激发电子可以通过结外，在能隙下的大量电子都不能通过结，因而电流很小；而当时能隙下的电子可以通过结，故电流陡然上升（如图[隧道结的()特性曲线示意图]()特性曲线示意图" class=image>中S-I-N 情况）。
对于二个电极都是超导体的隧道结，()曲线在[79-02]处有一个极大值，在[79-03]处有一个极小值，而在[79-04]后电流陡然上升(如图S-I-S情况）。
利用这些特点，可以很准确地测量超导体的能隙值。
人们曾用这个方法研究了随温度的变化关系,证明BCS理论预言的这个关系是正确的。
当一个电极是正常金属而温度接近0K时，根据理论可以证明，隧道结()曲线的微商正比于另一个电极的态密度。
人们用这个原理成功地测定了几十种超导体的态密度。
隧道(Josephson)效应及其应用
隧道（Josephson）效应及其应用Josephson 效应josephson 效应 即 隧道效应 。
隧道效应由微观粒子波动性所确定的量子效应。
又称势垒贯穿。
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，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，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。
约瑟夫森效应属于遂穿效应，但有别于一般的隧道效应，它是库伯电子对通过由超导体间通过若连接形成约瑟夫森结的超流效应。
历史沿革1957年，江崎玲於奈在改良高频晶体管2T7的过程中发现，当增加PN 结两端的电压时，电流反而减少，他将这种现象解释为隧道效应。
1960年，美裔挪威籍科学家加埃沃通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。
1962年，英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS 时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。
这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。
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。
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。
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：在各个区域的波函数分别表示为Ψ1 Ψ2 Ψ3 。
=)(x U ,0,0U ax x ><和0ax ≤≤00U VOa IIIxIII)(),0(),0(a x a x x ≥I∏≤≤∏≤I ),()(212122x E dxx d m ϕϕ=- 0≤x三个区间的薛定谔方程简化为：方程的通解为：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。
隧道效应实验报告
隧道效应tunnel effect定义由微观粒子波动性所确定的量子效应。
又称势垒贯穿。
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，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，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。
理论计算表明，对于能量为几电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10时，粒子透射概率减小到10-10 ，已微乎其微。
可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。
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。
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。
隧道效应是理解许多自然现象的基础。
概述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E＜V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。
原理经典物理学认为，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。
隧道效应
在 x < 0 ，动能 E < V 的电子入射势垒 定有反射电子波，电子波可用右传波和左传渡之和表示，即
A1 exp i 2
x x B exp i 2
V
在 x > a 区域，电子波只能是右传波 而无左传波，波函数为
A2 exp i 2
隧道效应可用图2-41表示。当粒子能量E较小时， 粒子隧穿势垒的透射系数
4a T exp 2mV E h
上式表明投射系数T一般随 势垒高度V和宽度a的增大 而迅速减小，
例如，V—E = 5 eV 时，若a由 0.1nm变为0.5nm，则 T 可下降 4个数量级。
•扫描隧道显微镜的核心是一个极 尖锐的探针，如图2-46(a)，它能 够在精密的压电系统控制下沿x、 y、z方向移动，沿z方向的移动以 调节针尖与样品之间的距离，在 xy面内的移动用以扫描样品表面 •对于电子来说，针尖与样品之间 的间隙，粗略地看．宛如一个图 2-46(b)右边所示的势垒，在二者 之间外加偏压，电子就会有如式 (2-9)表示的透射系数T，穿过间 隙(势垒)的电子形成纳安(A)级的 隧道电流，它与偏压和电子透射 系数T成比例，即隧道电流
在量子理论发展初期，德布罗意提出了 波粒二象性的假设，指出原来认为是粒子 的电子、质子、粒子等微观粒子也具有波 动性，这设想很快被著名的电子衍射实验 所证实。后来知道，这种性质由薛定谔方 程的解——波函数表示。波动性是理解隧 道效应之根本。
1．隧道效应的量子力学解释
电子具有波动性，且德布罗意波长
半导体异质结中的隧道效应
瑞典皇家科学院于2000年10月10日决定，将2000年诺贝 尔物理学奖授于俄罗斯圣彼得堡物理技术研究所的若列斯· 阿 尔费洛夫博士、美国加州大学圣巴巴拉分校的赫伯特· 克勒默 教授和美国得克萨斯仪器公司的杰克· 基尔比教授，以表彰他 们在半导体异质结等方面所从事的开拓性研究，尤其是他们 所发明的，快速晶体管激光、二极管和集成电路(芯片)，为现 代信息技术奠定了基础。他们的研究工作促使计算技术从“ 马拉大车”般的晶体管阶段进入了赛车般的硅芯片阶段。
隧道效应
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不确定关系说明 （1）粒子的坐标是不能 精确确定的； （ 2 ）粒子的动量是不能 精确测定的；
（ 3 ）粒子的坐标和动量都 是不能精确确定的； （4）以上结论都不对。
结束选择
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不确定关系说明 （1）粒子的坐标是不能 精确确定的； （ 2 ）粒子的动量是不能 精确测定的；
电
子
0.1 0.4
弹 0.1 0.4
2.9×10 – 10 (m)
电子的位置不确定量大到与原子 的线度数量级（10 – 10 m ）相同， 因此，不可能精确测定电子处在 原子中的位置。
1.1×10 – 34 (m)
子弹的位置不确定量比原子的线 度还要小许多个数量级，小到任何精 密仪器都无法观测。因此，对宏观物 体运动的描述，不受位置和动量的不 确定关系的限制。
得
即
考虑到高于一级 仍会有电子出现
取
和
不可能
通常也作为不确定关系的一种简明的表达形式，它表明
同时为零，即微观粒子的位置和动量不可能同时精确测定，这是微观粒子具有波粒二象性的一种 客观反映。不确定关系可用来划分经典力学与量子力学的界限，如果在某一具体问题中，普朗克 常数可以看成是一个小到被忽略的量，则不必考虑客体的波粒二象性，可用经典力学处理。
（ 3 ）粒子的坐标和动量都 是不能精确确定的； （4）以上结论都不对。
结束选择
作业
HOME WORK 23 - 8
23 - 1 4
例题二
电子的质量 me为
9.11×10 -31 kg
一氢原子中的电子 速度 的数量级为
由不确定关系
因该电子速度远小于光速，可不考虑
量子力学—隧道效应2021优秀文档
m
O
a
x
图4.1 宽度为a的无限深势阱 中的粒子
???
U0
x
x
m
隧道
I
II
III
O
a
x
图4.2 宽度为a的非无限深势阱 中的粒子
其解为
（4.1） （4.2） （4.3） （4.4）
（4.5） （4.6）
20/50
U0
（a）
（b）
图4.3 粒子的(a)波函数及(b)概率密度分布曲线
薛定谔 猫？
薛 定 谔
Schrodinger
把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后
把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子 核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。 设想这个放射性原子核在一个小时内有50% 的可能性发生衰变。如果发生衰变，它将会 发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会 触发这个实验装置，打开装有毒气的容器， 从而杀死这只猫。薛定谔说：按照量子力学 的解释，箱中之猫处于“死－活叠加态”— —既死了又活着！要等到打开箱子看猫一眼
国普林斯顿。
1 mV2 ＝ h－A
2
一个电子只能吸收一个光子的能量，只有光子能 量大于逸出功时，才能产生光电效应，使电子逸 出金属表面。肯定吗？
0
V
金属
飞秒激光的双光子效应
一个电子可以吸收两个或多个（能量小于逸出功 的）光子的能量，产生光电效应，使电子逸出金 属表面，或产生其他的物理变化。
V
<0
形象图解
势垒
☺ ☺
粒子可能穿透势垒
一定概率
25/50
4.2 隧道电流
m E
U0
一个质量为m、动能为E的粒子穿透高度U0、宽 度a的势垒的概率P：
单电子隧道效应
单电子隧道效应
单电子隧道效应一个包含极少量电子，具有极小电容值的粒子称为库仑岛，其能量由电势能及电子间互作用库仑能组成，可表示为E=-QVgQ2/2C。
当库仑岛上增加或减少一个电子时，其能量增加e2/C。
单个电子进入或离开库仑岛需要e2/C的激活能。
在极低温和小偏压下，导体内的电子不具备e2/C的能量，故电子不能穿越库仑岛，此现象称为库仑阻塞。
通过给库仑岛加栅压可以改变其电势能及总能量，在某个特定的栅压下，库仑岛总电荷
Q=Ne和Q=(n1)e的最小能量是简并的，即态密度间隙消失。
此时，即发生单个电子隧穿库仑岛的现象，称为单电子隧穿效应。
单电子隧道效应
6
2. 正常金属隧道效应
eV
（a）热平衡
（b）有电位差V
图2-1 正常金属隧道能级图
i
7
U
3. 超导体和正常金属间隧道效应
金属-绝缘体-超导体（N-I-S）结，T=0K时，超导体 能量图上出现能隙，并且所有的态都被填满到E=-△，而 在能隙以上没有电子占据。热平衡时结两边的金属超导 体的费米能必须相等，隧道中没有电流。若在结两边从 零开始逐渐加电压V，当V<△/e时，左侧金属费米能级的 电子与右侧超导体能隙上边缘的无态密度的空穴对齐， 开始产生隧道电流，并随V的微弱增加而急剧增大。当 V>△/e时，电子对应能量右边的态密度减小，因此电流 随电压增加反而缓慢地增加。如图3-1所示。
12
2△
eV=2△
2△
（a）V=0
（b）V>2△/e
i
△/e
V
图4-1 超导体单电子隧道能级图及I-V曲线
13
eV
i
（b）V>2△/e
图4-2 T=0K时，不同能隙宽度超）V=0
i
V
16
图4-3 有限温度下，不同能隙宽度超导体单电子隧道能级图及I-V曲线
电子隧道效应
1
目 录 Contents
1
单电子隧道效应 正常金属隧道效应
2
3 4
超导体和正常金属间隧道效应 超导体单电子隧道效应
2
1.1 单电子隧道效应
3
T=0
T ≠0
（a） 图1-1 正常金属能级图
（b）
4
T=0
T ≠0
（a） 图1-2 超导体能级图
（b）
5
从量子力学的观点来看，当两块金属背一个薄的绝缘体分开时， 在它们之间可能有电流通过，称金属-绝缘体-金属（N-I-N）叠层为 隧道结，隧道结内流动的电流为隧道电流。同样，由于超导体是一 种宏观量子态物质，它也一定可以构成这样的隧道。因此由结两端 物质的不同将其分为正常金属隧道、超导体与正常金属之间的隧道 和超导隧道。
电子隧道效应新释
Ｕｎ ｅ ｈ ｏ ｐ ｒ ｔｖ ｆ ｅ ｔ ０ ｈ ａ ｔ ｒ ｂ ｖ ．ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ｔ ｔ ｆ ｖ ｌ ｎ ｅ ｅ ｅ ｔｏ ｓ ｏ ｎ ｕ ａ ｅ ａ ｅ Ｓ ｄ ｒ ｔ ｅ ｃ ｏ ｅ ａ ｉ ｅ ｅ ｌ ｃ ｆ ｔ ｅ ｆ ｃ ｏ ｓ ａ ｏ ｅ ｈ ｎ ｒ ｙ ｓａ ｅ ｏ ａ ｅ ｃ ｌｃ ｒ ｎ ｆ ｉ ｓ ｌｔ ｄ ｌ ｙ ｒ ｉ ｆ ｅｅ ａ ｅ ｒ ｍ ｏ ｄ ｓａ ｅｔ ｅ ｔ ｔ ｏ ｐ ｒｉ ｉ ａ ｅ ｉ ｔ ｈ ｏ ｒ ｅ ｏ ｌ ｃ ｒｃ ｃ ｒ ｅ ｃ ａｒ ｉ ｇ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｌｖ ｔ ｄ ｆｏ ｂ ｎ ｔ ｔ ｏ ｆ ｅ ｓａ ｅ ｔ ａ ｔｃ ｐ ｔ ｎ ｏ ｔ ｅ ｃ ｕ ｓ ｆｅ ｅ ｔｉ ｕ ｒ ｎ ｙ ｃ ｒｙ ｎ ． ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｒ ｔ ｉ ｋ ｅ ｓ ｏ ｎ ｕ ａ ｅ ａ ｅ ｎ ｈ ｉ ｅ ｏ ｕ ｎ ｌｎ ｆｅ ｔ ｔ ｅ ｓ ｏ ｅ ｏ ｅ ｅ ｆ ｃ ｈ ｔｍｅ ａ ａ ｅ ｃ ｌ ｃ ｒ ｎ ｈ ｃ ｎ ｓ ｆｉ ｓ ｌ ｔ ｄ ｌ ｙ ｒａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｚ ｆ ｔ ｎ ｅ ｉ ｇ ｅ ｆ ｃ ． ｈ ｃ ｐ ｆｔ ｆ ｅ ｔｔ ａ ｄ ｌ ｌ ｎ ｅ ｅ ｅ ｔｏ ｓ ｈ ｖ
第八章 超导电性
第八章 超导电性1. 有哪些实验可以确定超导临界温度c T ？解：这些实验可以确定超导临界温度c T ：（1）测量物质的电阻达到零时的温度；（2）测量物质的迈斯纳效应时的温度；（3）测量物质比热容发生跃变时的温度；（4）同位素效应实验。
2. 有些高温超导体的超导－正常态转变温度区间很宽，为什么常常要用迈斯纳效应来确定超导态的形成而不是靠电阻测量？解：这是由于超导态具有特有的磁性，其完全抗磁性并不能简单地由零电阻导出。
当样品处于超导态时，样品中的磁通量将变为零的效应，即迈斯纳效应是确定样品是否处于超导态起着关键的作用。
尤其当高温超导体的超导－正常态转变温度区间很宽时，测量其电阻是否为零很难确定高温超导体是否处于超导态，而通过测量高温超导体的迈斯纳效应则相对容易准确地判断高温超导体是否处于超导态。
3. 对于第二类超导体，热力学临界磁场)(T H c 的含义是什么？当)(T H H c =时超导状态发生变化吗？解：第二类超导体存在2个临界磁场，下临界磁场1c H 和上临界磁场2c H 。
当外磁场小于1c H 时，样品处于超导态，此时样品既具有零电阻，也处于完全的抗磁性状态，体内无磁通量；当外磁场介于1c H 和2c H 之间时，第二类超导体处于混合态，这时样品仍具有零电阻，但处于不完全的抗磁性状态，体内有磁感应线穿过。
当外磁场高于2c H 时，样品返回正常态，这时样品的零电阻和完全抗磁性都消失了。
4. 有人说：“超导态是完全逆磁性的，因而有磁场处不会是超导态，也就不会有零电阻，不会有超导电流。
”这话对吗？怎么理解超导体的完全逆磁性？解：这句话是不对的。
超导态的完全逆磁性并不意味着外磁场H 和磁化强度M 为零，而是0)(0=+=M H B μ即超导体内的磁化强度M 恰好为外磁场H 的负值，二者刚好抵消。
此时超导体无磁感应线穿过，磁通量为零，这就是超导体完全逆磁性的含义。
5. 由同位素效应怎么会想到超导机制可能与声子有关？解：同位素效应指的是超导元素的不同同位素的超导转变温度c T 与同位素原子质量M之间存在关系：const T M c =α（对于大多数超导体，2/1=α）。
量子隧道效应与电子器件
量子隧道效应与电子器件随着科技的发展和物理学领域的不断探索，量子隧道效应作为一种重要的量子现象引起了人们的广泛关注。
量子隧道效应是指当粒子遇到势垒时，虽然其能量低于势垒高度，但还是能以一定的概率透过势垒，表现出奇特的现象。
这一现象在电子器件中具有重要应用，为电子学领域带来了巨大的突破和变革。
首先，我们来了解一下量子隧道效应的基本原理。
量子力学认为，粒子既具有粒子性又具有波动性。
在量子力学中，粒子的运动状态由波函数描述。
波函数的模方与粒子在空间中的概率分布成正比。
量子隧道效应的实质是波函数的隧道传播，即波函数在势垒两侧存在一定概率分布。
量子隧道效应的应用在电子器件中发挥了重要作用。
以隧道二极管为例，其内部结构相对简单，由两个相对掺杂浓度不同的半导体材料构成。
当两段半导体的禁带宽度不一致时，形成了一个势垒。
在正向偏置下，电子可以克服势垒高度，实现从负电压端到正电压端的电流传输。
而在反向偏置下，由于势垒高度增加，电子无法克服势垒，电流几乎为零，实现了高效的阻断作用。
除了隧道二极管外，量子隧道效应还应用于其他电子器件中。
例如，量子点器件是一类利用量子隧道效应实现信息存储和处理的新型器件。
量子点是一种纳米尺度的半导体材料，具有奇特的电子结构。
由于量子点的尺寸较小，存在着能级离散化的现象，使得能量状态间的跃迁很明显。
这种能级跃迁可以通过调节电场、光场等外部条件实现的控制。
因此，量子点器件在信息存储和显示技术中有着广泛的应用前景。
在纳米电子学领域，量子隧道效应也发挥着重要作用。
随着电子器件尺寸的不断缩小，经典的物理模型逐渐失效，而量子隧道效应成为电流传输中的主导因素。
在纳米材料中，由于量子隧道效应的存在，可以实现电流的直接传输，避免传统电阻带来的能量损耗。
这为纳米电子器件的研制提供了可行的方案。
此外，量子隧道效应还广泛应用于量子计算和量子通信领域。
量子计算是一种基于量子力学的全新计算方式，利用量子隧道效应和量子叠加态等特性，实现计算速度的极大提升。
单分子磁体隧道结_概述说明以及解释
单分子磁体隧道结概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在当前科技发展的背景下，单分子磁体隧道结作为一种新型材料引起了广泛关注。
它具有独特的电学和磁学性质，能够应用于量子计算与信息存储、纳米电子器件以及磁性材料研究等领域。
本文将对单分子磁体隧道结的基本原理、应用领域以及实验方法进行深入的探讨和阐述。
1.2 文章结构本文共分为五个部分，每个部分包含若干小节。
接下来将依次介绍各个部分的内容：第一部分是引言，主要对文章进行概述，并介绍文章的结构。
第二部分是单分子磁体隧道结的基本原理，包括隧道效应、单分子磁体的介绍以及隧道结的制备与性质等内容。
第三部分是单分子磁体隧道结的应用领域，包括量子计算与信息存储、纳米电子器件以及磁性材料研究等方面。
第四部分是实验方法及测量技术，涵盖了制备单分子磁体隧道结样品的方法、光学和电学特性测量技术以及磁学特性测量技术等内容。
最后一部分是结论，总结了文章的主要观点，并展望了单分子磁体隧道结在未来的应用前景。
1.3 目的本文旨在全面介绍单分子磁体隧道结的原理、应用领域及实验方法，为读者提供对这一领域有深入了解的基础。
同时，通过对现有研究成果进行梳理和分析，期望能够推动该领域的发展，并为相关科研人员和工程师提供参考和借鉴。
2. 单分子磁体隧道结的基本原理2.1 隧道效应隧道效应是指当两个介质之间存在能量势垒时，通过这一势垒传递粒子的现象。
在单分子磁体隧道结中，隧道效应是通过隧道结区域内的电子来实现自旋转换和磁性耦合的。
2.2 单分子磁体介绍单分子磁体是一种由单个分子构成的纳米尺度磁性材料。
它具有特殊的电子自旋结构，可以表现出不同于传统宏观尺度材料的独特性质。
单分子磁体通常由一个中心金属离子或配位离子与多个有机配体组成。
2.3 隧道结的制备与性质单分子磁体隧道结是通过将两个电极（例如金属、半导体、超导材料等）之间插入单分子磁体形成的。
这种隧道结通常是非晶态或微晶态的，并且具有较小的缺陷浓度和较大的界面面积，以促进电荷和自旋输运。
X超导8
d dEk
dEk
(8.6) N ( (k)) Ek
(k)
Ek
所以
(8.6) N( (k))
Ek Ek2 2
正常电子
F 0
空穴
N
(Ek
)
N
(
(k
))
Ek
E
2 k
2
0(无实根 )
| Ek | | Ek |
Ek 2 (k) 2
N (Ek )
（8.5）
Ek
Ek 2 (k) 20
右图中实线为单粒子激发能 Ek (k ) 关系
0
虚线为正常电子能量 | (k ) | (k ) 关系
(k )
F 0
| (k ) | (k )
* 讨论：
Ek
1．超导单粒子激发能（准粒子激发能）
和（ k2 ,k2 ），故 k1 , k1 和 k2， k2 既不能成为耦合的初态，
也不能成为耦合的末态。因此
WS int
中与
k1
和
k2
有关的项都应除去，
故相互作用能的减小值。
U3 V
k
u u k k k1 k1
u u
的能隙顶相平，此处Sn的状态密度
a M IS
bc
N ( ) 很大，且是空能级。故Al中大
Sn
eV
eV Sn
量的正常电子穿过势垒进到Sn的单 电子能级，形成正常电子隧道电流，
Al F
Sn F
I 急剧增加
（d）eV Sn 时
单电子器件概述
单电子器件概述一引言对于目前旳电子器件来说，器件旳最小尺寸要不小于电子旳德布罗意波长，也就是说我们都是将电子当作是典型旳粒子,我们不妨将这种器件称为典型器件。
但近些年来,随着微细加工技术旳飞快发展和电子电路集成度旳提高，都规定电子器件旳尺寸越小越好。
但是器件尺寸旳缩小并不是无限度旳,就像CMOＳ器件,它由于受固体构造特性旳最小尺寸,电流、电压感应击穿，功率耗散，热噪声和海森堡测不准原理等因素旳限制, 已经接近物理极限，要想进一步发展大规模集成电路，就需要更小旳器件。
例如其沟道长度如果缩小到不不小于０.2５微米，甚至几十纳米几纳米数量级时,由于量子隧穿，器件就会失效。
也就是说随着器件尺寸旳缩小就必须要考虑器件旳量子效应，因此量子器件成为了人们旳研究热点。
今天我将给大伙简介一种量子器件--单电子器件。
二什么是单电子器件？单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应旳基本物理原理来控制一种或少数几种电子旳位置和移动旳一种新型纳米电子器件。
（单电子效应：通过变化电压旳措施来操纵电子一种一种旳运动）三单电子器件旳基本理论（库伦阻塞效应和单电子隧穿现象)1.我们先从一种简朴旳模型来解释库仑阻塞和单电子隧穿现象库伦阻塞效应最早是在微小隧道结实验中发现旳,如图１所示,一种抱负旳没有旁路电导旳金属隧穿结。
它事实上就是一种平行板电容器，只但是电极板之间旳间距只有十几种Å，结面积也很小因此隧穿结旳电容也很小假设只有1×10-16F 旳量级。
当有电子隧穿过隧道结时会使结两端旳电位差发生变化，从而使节旳静电能也发生变化，给结附加旳充电能Ce 2，如果此时旳静电能远远不小于低温下旳热运动能量k B T （ k B 玻耳兹曼常数0.38066×１0-23,T 是绝对温度）。
则由这个电子隧穿所引起旳电位变化会对下一种电子隧穿产生制止作用,这就是隧穿过程旳库伦阻塞效应。
图 1隧穿结上充电电荷Q 引入旳静电能等于⎰=Q C Q dq C q 022当电容C 很小时它旳奉献就不容忽视。
第八章 单电子隧道效应_651402379
如何证明是隧道效应1973年获Nobel 奖(与Josephson 和Esaki 分享)1959年4月Giaever Al-Al 2O 3-Al 室温：N -I -NN-I-NS-I-NN-I-N 和S-I-N电流－电压曲线加电压前后的方势垒若电子能量，eV U eV 1.0 , 005.00==εd e T 2−∝40.0 2＝时T A d D=0013.020＝时TA d D =5104.730−×=＝时T A d D 14103.1 100−×=＝时T A d D一、隧道结概念两导体中间插入绝缘层，加电压V后a.若绝缘层很厚I＝0b.当绝缘层逐渐减薄，至某一值后I≠0，隧道电流c.若无绝缘层时I≠0，正常电流结电阻(与结厚等有关)和金属电阻不同，I-V曲线不同，三种结：N-I-N S-I-N S1-I-S2N －Normal metal，S －Superconductor 8.3 隧道结及其I-V曲线N-I-N S-I-N S-I-S以上对超导体的描述为半导体模型（唯象性）激发对――半导体中的电子－空穴对优点：简单、方便，能给出正确的结果它考虑了超导体能隙这一物理量，但未反映超导电子对物理图象A BA B②当T ＝0 V ≠0时dEeV E f eV E N I A B A )()(−−∝→还应与右边金属B 的空态态密度和空穴几率的乘积成正比B A I →)](1)[(E f E N I B B A −∝→还与穿透系数成正比B A I →AB T )(E T I AB B A ∝→)](1[)()()()(E f eV E f E N eV E N E T I B A AB B A −⋅−−∝→从金属B 隧穿到金属A 的隧道电流AB I →)](1)[()()()(eV E f E f E N eV E N E T I B A BA A B −−−∝→BAAB T T ≈假定：由的净电流B A →()()()[()()]A B B A AB A B I I I T E N E eV N E f E eV f E dE →→=−∝−−−∫(2) (3)(4)A BdE见下一页T=0 K S-I-N反向偏置正向偏置T≠0 KT≠0 K S-I-SS1-I-S2 T=0 KS1-I-S2 T≠0 K负阻T=0 K T≠0 K虚线表示超导基态能量，空心园圈表示超导电子对，用基态能量之上处的实线表示E －K 图中极小值所对应的能级，实心园点表示准粒子。
单电子隧道效应
氧化膜的厚度要有一定的限度；
U1
E
V
X
半导体模型表示法：在费米能级附近电子的 态密度N，Ns(E)=Nn(0) E/(E*E- * ) 当T=0时： 费米能级Ef 画横线表示充满电子。 当T！=0时：
温度升高，一部分电子 跑到费米能级以上。
下面开始定性的介绍几种隧道结；
1：N—I—N隧道结： N-I-N i
用半导体模型解释电子的隧道效应有一定的露馅，如在 超导态下，电子是以电子对的形式存在的，电子对不同 于正常的电子，而当电子对被破坏后，跃迁的电子又不 同于正常的电子，所以在此只能给大家一个定性的认识。
谢谢观赏，再见
2 /e
U
(2) T!=0 此时电压与电流的 特征曲线： N-I-N i S-I-S 2 /e
U
4:S1---I---S2隧道结 （两侧金属的能隙不同）。
电压与电流的特征曲线： T!=0 N-I-N T=0：N-I-N i S1-I-S2 ( 1+ 2)/e U S1-I-S2 (2- 1) /e ( 1+ 2)/e
它的电压与电流特性曲线： i N-I-N
S-I-N
/e
U
(2):T!=0
A: U=0: Ef
Ef
电压为0，左右电子 不பைடு நூலகம்互动，电流为0
B：0〈U〈 /e Ef
Ef 右边的电子不可 能移到左边的能隙之 中，所以电流仍为0
C: U>=
/e
Ef
Ef 此时右边的费米能级降到 左边能隙以下，所以发生电子的 移动，产生电流。
电流电压特性曲线。
U
2：S—I—N隧道结
（1）：T=0时
A：U=0
Ef 当电压为0时，右边的费 米能级与左边的一样高，电 子不可能从右到左，所以不 存在电流。
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如何证明是隧道效应
1973年获Nobel 奖(与Josephson 和Esaki 分享)
1959年4月Giaever Al-Al 2O 3-Al 室温：N -I -
N
N-I-N
S-I-N
N-I-N 和S-I-N电流－电压曲线
加电压前后的方势垒
若电子能量，eV U eV 1.0 , 005.00
==εd e T 2−∝40.0 2＝时T A d D
=0013.0
20＝时T
A d D =5104.7
30−×=＝时T A d D 14103.1 100−×=＝时T A d D
一、隧道结概念
两导体中间插入绝缘层，加电压V后
a.若绝缘层很厚I＝0
b.当绝缘层逐渐减薄，至某一值后I≠0，隧道电流
c.若无绝缘层时I≠0，正常电流
结电阻(与结厚等有关)和金属电阻不同，I-V曲线不同，三种结：
N-I-N S-I-N S
1-I-S
2
N －Normal metal，S －Superconductor 8.3 隧道结及其I-V曲线
N-I-N S-I-N S-I-S
以上对超导体的描述为半导体模型（唯象性）
激发对――半导体中的电子－空穴对
优点：简单、方便，能给出正确的结果
它考虑了超导体能隙这一物理量，但未反映超导电子对物理图象
A B
A B
②当T ＝0 V ≠0时
dE
eV E f eV E N I A B A )()(−−∝→
还应与右边金属B 的空态态密度和空穴几率的乘积成正比
B A I →)]
(1)[(E f E N I B B A −∝→还与穿透系数成正比B A I →AB T )
(E T I AB B A ∝→)]
(1[)()()()(E f eV E f E N eV E N E T I B A AB B A −⋅−−∝→从金属B 隧穿到金属A 的隧道电流A
B I →)]
(1)[()()()(eV E f E f E N eV E N E T I B A BA A B −−−∝→BA
AB T T ≈假定：由的净电流
B A →()()()[()()]A B B A AB A B I I I T E N E eV N E f E eV f E dE →→=−∝−−−∫(2) (3)(4)
A B
dE
见下一页
T=0 K S-I-N
反向偏置
正向偏置
T≠0 K
T≠0 K S-I-S
S1-I-S2 T=0 K
S1-I-S2 T≠0 K
负阻
T=0 K T≠0 K
虚线表示超导基态能量，空心园圈表示超导电子对，用基态能量之上处的实线表示E －K 图中极小值所对应的能级，实心园点表示准粒子。
特点：物理图象清晰，简洁、方便。
它在表示超导结的多粒子隧道过程，伴随发生声子或光子发射或吸收的单电子隧道过程及其它较复杂的隧道过程时，都显示出了很大的优越性。
Adkins
模型表示法
V=Δ/e V=-Δ/e
V=Δ/e V=-Δ/e
Adkins
半导体模型
Adkins
光子参与的隧道效应
121()V n e
ω=Δ+Δ+=
四、半导体模型与Adkins模型
半导体模型：将超导中的能隙与半导体中的禁带对应起来，易于理解。
但具有局限性，易造成误解。
考虑了能隙，但未反映出超导电子对这个重要的物理图象。
所表示的电子态一律都是单电子，未反映出两个电子配对的情况及电子对拆散成两个准粒子的情况。
隧道过程中，电子对拆散或复合的过程还可伴随发生光子、声子的吸收或发射，亦可能产生双粒子、多粒子隧道过程。
半导体模型无能为力
五、隧道效应的应用①能隙随温度变化
②能隙随磁场的变化
不同厚度的超导薄膜的能隙随磁场的变化
STM
BSCCO
磁通线芯子的隧道电导。