1 T unelowanie 06/02/2016 Wykonała: Dominika Paluch

2 Zjawisko tunelowe „ Zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki. Z punktu widzenia fizyki klasycznej stanowi paradoks łamiący klasycznie rozumianą zasadę zachowania energii, gdyż cząstka przez pewien czas przebywa w obszarze zabronionym przez zasadę zachowania energii.”

3 Bohr wprowadził dwa założenia sprzeczne z klasyczną elektrodynamiką: 1.emisja kwantu promieniowania o energii hn jest możliwa tylko w przypadku przeskoku elektronu z orbity o wyższej energii na orbitę o niższej energii, natomiast nie jest emitowane promieniowanie podczas krążenia elektronu po orbicie stacjonarnej. 2. elektrony mogą w stanie stacjonarnym zajmować tylko takie orbity, aby ich moment pędu był całkowitą wielokrotnością stałej h/2P (h - stała Plancka). Postulat ten wynika bezpośrednio z mechaniki falowej, jeżeli przyjmie się, że elektron krążący po orbicie o promieniu r tworzy falę stojącą o długości l, czyli że tylko takie orbity mogą być zajmowane przez elektrony, aby 2P r = nl (n - liczba całkowita).

4

5 Fizyka klasyczna Energia cząstki jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej Ponieważ energia kinetyczna jest nieujemna, klasyczna fizyka dopuszcza tylko ruch w obszarach gdzie:

6 Bariera potencjału ma kształt odrotny do studni potencjału: zamiast dołka jest górka, czyli zamiast minimum, potencjał ma maksimum Jeśli wartość energii poptencjalnej cząstki jest większa od tego maksimum, to cząstka może przemieszczać się swobodnie. W mechanice kwantowej, w odróżnieniu od mechaniki newtonowskiej, w przypadku, gdy energia cząstki jest mniejsza od bariery potencjału, istnieje skończone prawdopodobieństwo, że cząstka tę barierę pokona.

7 Współczynnik przenikania Prawdopodobieństwo przeniknięcia cząstki przez barierę potencjału równe jest ilorazowi kwadratów amplitud B i A i nazywany jest współczynnikiem przenikania lub współczynnikiem transmisji. Wartość tego współczynnika zależy od energii stanu stacjonarnego cząstki, wysokości i rozciągłości oraz kształtu bariery potencjału, w tym od względnej energii cząstki w obszarze jamy potencjału. Przybliżony wzór na współczynnik przenikania dla bariery o dowolnym kształcie ma postać

8 Efekt tunelowy można wyjaśnić również bez odwoływania się do pojęcia funkcji falowej tylko na podstawie zasady nieoznaczoności. Zasada nieoznaczoności (zasada nieokreśloności) mówi, że istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością. Zgodnie z tą zasadą iloczyn niepewności energii i czasu pomiaru energii musi spełniać warunek Przez pewien krótki moment energia cząstki może wzrosnąć na tyle, że będzie większa od wysokości bariery potencjału i cząstka może znaleźć się po drugiej stronie bariery. W tej interpretacji zjawisko to nie będzie przenikaniem, a raczej wirtualnym (krótkoczasowym) przeskakiwaniem nad przeszkodą. O ile sam przeskok pozostaje wirtualny, o tyle zlokalizowanie cząstki poza przeszkodą jest już zupełnie realne.

9 Badanie zjawiska tunelowania W celu zbadania i zrozumienia procesów wzrostu, struktury i własności elektrycznych cienkich warstw w 1981 roku Binning i Rohrer skonstruowali skaningowy mikroskop tunelowy umożliwia pm badanie materiałów przewodzących i półprzewodzących z trójwymiarowym obrazowaniem powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą. Zasada działania STM oparta jest na zjawisku kwantowo mechanicznym, tzn. tunelowaniu pomiędzy dwoma przewodnikami w obecności izolującej przerwy (bariery potencjału). Jednym przewodnikiem jest igła skanująca (nanosensor), natomiast drugim badana powierzchnia. Umożliwia on określenie topografii powierzchni materiałów przewodzących. Charakterystyka nanoobiektów i nanostrukur z atomową zdolnością rozdzielczą.

10 Działanie

11 W modzie stałej odległości, jak sama nazwa wskazuje, odległość między badaną powierzchnią a igłą jest stała. Mierzony wówczas prąd daje informację o topografii materiału, ponieważ zmieniająca się bariera potencjału zmienia wartość prądu. Praca w modzie stałego prądu polega na utrzymaniu stałej wartości prądu tunelowego niezależnie od zmian topografii powierzchni. Uzyskuje się to za pomocą systemu pętli sprzężenia zwrotnego, która zapewnia utrzymanie stałej szerokości bariery tunelowej. W tym modzie informację o topografii próbki niesie w sobie sygnał z pętli sprzężenia zwrotnego.

12 Przykład wykorzystania zjawiska tunelowania- dioda tunelowa Nie występuje tu działanie zaporowe przy napięciu wstecznym. Odcinek charakterystyki prądowo-napięciowej diody tunelowej, w zakresie którego występuje rezystancja ujemna, jest oznaczony zwykle przez współrzędne dwóch punktów charakterystyki: — punkt szczytu o współrzędnych Fp, Up, —- punkt doliny o współrzędnych Uv. Napięcia Up, Uv są zależne głównie od tego, z jakiego materiału została wykonana dioda. Diody tunelowe są stosowane w szerokopasmowych wzmacniaczach sygnałów i w układach generacji częstotliwości powyżej 300 MHz. Znajdują one zastosowania w układach logicznych elektronicznych maszyn liczących i układach sterowniczo-kontrol- nych, w których spełniają funkcję szybkich przełączników impulsowych.

13