量子隧穿及应用

穿越墙壁
物理学家首次用光让电子“穿越墙壁” http://www.sciencemag.org/content/336/6082/704.full 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



量子隧穿效应 ——应用及前景
10核物：王国锋
ຫໍສະໝຸດ Baidu

STM(扫描隧道显微镜)


中文名称：扫描隧道显微镜 英文名称：scanning tunnel microscope; STM定义：利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。其分辨率可 达原子水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，可观察大分子和生物膜的分 子结构。 应用学科：细胞生物学（一级学科）；细胞生物学技术（二级学科）
之一
扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种 利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德· 宾宁
（G．Binning）及海因里希· 罗雷尔（H．Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世
实验室发明，两位发明者因此与恩斯特· 鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖
半导体器件中的量子隧道效应




(1) 半导体P —N 结隧道二级管. 主要用于微波放大、振荡、检波和开关电. 低电压稳压 二级管(也称齐纳二极管) 也是利用P —N 结反向隧道效应的器件. (2) 金属———绝缘体———金属(MIM) 或金属———绝缘体———半导体(MIS) 结构. 其中薄绝缘膜就构成隧道效应电子所要贯穿的势垒区. 在非挥发性存储器、辐射探测器件、 太阳电池等含有薄绝缘膜的半 导体器件中,隧道效应都是一种不可忽略的(并且在有些情况下还是主要的) 传导机制, 影响 或决定着器 件的特性. 超导体———绝缘体———超导体(SIS) 结构在制做时就是MIM 结构,但使用于低于金 属的超导临界温度,因而表现出特殊的超导隧道效应. 这种类型的新器件不断涌现. 目前已制 成超高频低噪声放大器和振荡器,有可能成为远红外探测器和高能粒子探测器. 特别利用电 子对的隧道效应(Josephson 效应) 的还有高精度磁场测量,电压和温度计量标准等等 (3) 超晶体(Superlattice) 利用分子束外延技术,周期性地淀积异质半导体膜,使晶体结构 具有双重周期性,预期可以制成隧道晶体管和超大规模存储器件. 不难想象,随着半导体器件小型化的进一步发展,隧道效应将在更多的器件中起更重要的 作用.
半导体器件中的量子隧道效应






尽管量子力学主要用于微观现象,隧道效应却是在宏观尺度上可以广泛观察 到的量子效应. 依据隧 道效应几率最简单的表达式 在数量级的估计中可以把隧道效应可观察的条件. 表示为: Kd ≤1 对于α粒子,互相作用势V 和质量m 都较大,仅对d < 10- 12cm的原子核势垒可 以观察到隧道效应,这是典型的微观尺度. 对于固体中的电子,质量比α粒子小7400 倍,相互作用势也比核力势低得多,因 而可望在大得多的尺度内观察到隧道效应. 例如以固体中典型的几个电子伏的量 级估算, d < 10 nm. 半导体技术的发展使得制备这样尺度的宏观结构成为可能. 1957 年江崎首先 在重掺杂 Ge P —N 结二极管中观察到了电子的隧道效应, 引起了隧道效应半导 体器件的迅速发展. 研究表明, Si Ga As 和其它Ⅲ—Ⅴ、Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体 当掺杂足够高(1013 ～ 1020cm- 3) 时,其P —N 结势垒区就落到10 nm范围 内,从而表现出足够强的隧道效应. 随后,薄膜技术(蒸发、外延⋯⋯) 发展到能够制 造薄于10 nm 的夹层,大大扩展了隧道效应出现的范围,导致1960 ～ 1962 年 Giaever 和Josephson 相继揭示涉及超导体的量子隧道效应. 他们的发现不仅推 动了隧道效应理论和超导理论的发展,而且开发了一类新型器件———超导隧 道效应器件
扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描 探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它 的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以 利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。 STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电 子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重 大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就
谢谢大家！