Туннельный эффект в химии, физике

Калининградский Государственный Университет

Химический факультет

Кафедра неорганической и аналитической химии

Туннельный эффект в химии, физике

( РЕФЕРАТ )

Исполнитель: Чивчиш К. Э Студентка химического факультета в/о 4 курс Руководитель: Кузин Э. Л.

Калининград

2002г

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………….…4

1. ТЕОРИЯ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА……………………………………................5

2. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ В ХИМИИ………………………………………….……6

2.1. Туннельные химические реакции……………………………………………........6

2.2. Туннельный эффект при синтезе ядер тяжёлых элементов…………………...…8

2.3. Новые методы исследования вещества…………………………………………....9

3. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ В ФИЗИКЕ……………………………………………...12

3.1. Туннелирование электронов в твёрдых телах……………………………..……12

3.2. Квантовые транзисторы ………………………………………………………….13

3.3 Туннельный диод……………………………………………………………….…13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………….. ………………...…...15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………...………………….16

ПРИЛОЖЕНИЕ …………………………………….…………………….……………..21

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СТМ   сканирующий туннельный микроскоп

ТД   туннельный диод

АСМ - атомно-силовые микроскопы

РЕФЕРАТ

Данный реферат содержит текста 12 страниц, рисунков 12, таблиц 1, список использованной литературы 36 названий.

Ключевые слова: туннельный эффект, туннельный диод, сканирующий микроскоп, потенциальный барьер, туннелирование.

Реферат рассматривает всё многообразие использования туннельного эффекта: применение в физике, химии.

Ведение

Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия. Э. Теллер (создатель атомной бомбы и один из авторов стратегической оборонной инициативы)

70 лет назад наш соотечественник Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра, - основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий. Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев (Foto_T), руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ "Пульсар", предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров (1нанометр=10^-9 м). [1]

1. Теория туннельного эффекта

Туннельный эффект — квантовое явление проникновения микро­частицы из одной классически доступной области движения в другую, от­делённую от первой потенциальным барьером (рис.1.1).[2]. Если рассматривается микрообъект, например, электрон в потенциальной яме, то в отличие от классической механики существует конечная вероятность обнаружить этот объект в запрещенной области пространства, там, где его полная энергия меньше, чем потенциальная энергия в этой точке.[3] Вероятность обнаружения частицы в какой-либо точке пространства пропорциональна квадрату модуля волновой функции . При подлёте к потенциальному барьеру частица пройдёт сквозь него лишь с какой-то долей вероятности, а с какой-то долей вероятности отразится. Коэффициент туннелирования (прохождения, просачивания) частицы через барьер D равен:

D=e^{(-2a/ ћ)(2m(U0-E))?} (1)

где а – ширина барьера, U₀ – высота барьера.

Главная особенность (1) заключается в том, что очень малая величина ћ (постоянная Планка) стоит в знаменателе экспоненты, вследствие чего коэффициент туннелирование через барьер классической частицы большой массы очень мал.[4] Чем меньше масса частицы, тем больше и веро­ятность туннельного эффекта. Так, при высоте барьера в 2 эВ и ширине 10^?8 см вероятность прохождения сквозь барьер для электрона с энер­гией 1 эВ равна 0,78, а для протона с той же энергией лишь 3,610^-19 . Если же взять макроскопическое тело — шарик массой в 1 г, движущийся по горизонтальной поверхности с очень малой скоростью (кинетическая энергия близка к нулю), то вероятность пре­одоления им препятствия — лезвия бритвы толщиной 0,1 мм, выступаю­щего над горизонтальной поверхно­стью на 0,1 мм, равна 10^-26.

Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер можно пояснить и с помощью соотношения неопределённо­стей. Неопределённость импульса  р на отрезке  х, равном ширине барь­ера а, составляет: р > ћ/а. Связан­ная с этим разбросом в значениях импульса кинетическая энергия (р)²/2m₀ может оказаться достаточ­ной для того, чтобы полная энергия частицы оказалась больше потенци­альной. [2].

2 Туннельный эффект в химии

2.1. Туннельные химические реакции

Для химии наиболее интересным является туннелирование более тяжелых объектов - атомов и групп атомов. Одним из первых экспериментальную проверку эффектов туннелирования на примере реакций переноса протона (кислотно-основных реакций) предпринял Р.Белл.

В нашей стране экспериментальное и теоретическое рассмотрение процессов туннелирования в химии связано с именем В.И.Гольданского. Экспериментально процессы туннелирования регистрируются в основном двумя методами. Кинетический метод основан на регистрации перехода между двумя состояниями молекулярной системы, разделенными энергетическим барьером. Спектроскопический подход к экспериментальному изучению туннельных процессов основан на эффекте туннельного расщепления энергетических уровней.

Приведем примеры экспериментального наблюдения туннелирования в химии.

1. Одним из наиболее широко известных примеров туннельного процесса является инверсия аммиака (Рис. 2..1.1). 2. Другим хорошо изученным туннельным процессов является внутримолекулярный туннельный перенос атома водорода в малоновом альдегиде в его енольной форме (Рис.2.1.2). 3. Примером туннельного протекания химической реакции является процесс полимеризации формальдегида при гелиевых температурах: H(OCH₂)_n⁺ + OCH₂ H(OCH₂)_n OCH₂⁺ 4. Туннельным образом может протекать реакция отрыва атома водорода типа: CH₃. + CH₃OH CH₄ + .СH₂OH

Приведенные примеры показывают, что туннельные процессы в явном и ярком виде наблюдаются в эксперименте при низких, чаще всего гелиевых, температурах. Это, однако, не означает, что туннельные процессы не происходят при более высоких температурах. При высоких температурах число частиц с энергией, превышающей высоту барьера, велико, вероятность преодолеть барьер для них также велика, и, таким образом, они вносят основной вклад в скорость реакции. Это случай классического надбарьерного протекания реакции. При понижении температуры энергия частиц уменьшается. В пределе при T 0 все частицы имеют энергию нулевых колебаний, т.е. находятся вблизи дна потенциальной ямы. Реакция в этом случае протекает только туннельным образом, преодолевая барьер в его самой широкой части.[3]

Недавно предложенное двухуровневое приближение для моделирования реакции Дильса-Альдера с применением вариационной теории переходного состояния, включающей многомерное туннелирование, применено для изучения реакции этилена с 1,3-бутадиеном. [5]

Изучение туннельного эффекта позволяет установить не только высоту потенциального барьера Е_а , которую можно получить и из высокотемпературных измерений, но и его форму, так как от нее зависит вероятность туннелирования. Изучение туннельного эффекта позволяет установить такую важную характеристику, как рельеф потенциальной энергии реагирующей системы. Туннельный эффект в химических реакциях проявляется, кроме того, в сильной изотопической зависимости скорости реакций.[4] Были проанализированы вторичные изотопные эффекты в ряде реакций элиминирования. Особое внимание уделено вкладу туннелирования атома водорода, который не перемещается, но присоединён к тому атому углерода, от которого переносится другой атом водорода, в аномальную температурную зависимость изотопного эффекта и в неаддитивность изотопных эффектов в случае множественного изотопного замещения [6].

Синтезированы

[Мо12CdP8Х62]Cd3[N(CНЗ)4]•1OH20 (I),

[Мо12CdР8Х62]Сd[N(СНЗ)4]2(Н3О)6*5Н20 (11), [Мо12СdР8Х62]Cd2[NHЗ(CН2)8)NНЗ]3•7.3H20 (III). [Мо12ZпР8Х62]Zп2[NНЗ(СН2)8NНЗ](НЗO)4*8Н20 (IV).

Проведен РCТA I-1V (?Mо, З?-отражений 4063, 4355, 7006, 3415, R 0,058, 0,036,
0,036, 0,055). [7]

Проведены измерения обратных ВАХ контактов металл - GaAs с барьером Шотки. [8] [9] Оценены электрохимические/каталитические свойства определенных атомных ансамблей на атомарно плоских PdAu(111) электродах с различной стехиометрией поверхности, полученных
контролируемым электроосаждением на Au(111). [10]

2.2 Туннельный эффект при синтезе ядер тяжёлых элементов

Термоядерная реакция — это реакция синтеза тяжёлых ядер из более лёгких. В таких реакциях может выделяться очень большая энергия. Если бы удалось объединить в ядро гелия четыре протона:  4H₁¹ ? He₂⁴ +2e⁺,  (2)

(при этом два протона превращаются в нейтроны, ис­пуская положительно заряженные ?частицы — пози­троны), то выделившаяся кинетическая энергия составила бы около 25 МэВ. Однако такую реакцию в земных условиях провести пока невозможно. Более доступна и очень энергетически выгодна реакция синтеза, осуществлению которой посвящены усилия огромных научных коллективов в разных странах мира: реакция слияния тяжелого и сверхтяжелого изо­топов водорода: Н₁²+Н₁³? Не₂⁴ + n₁⁰ . (3)

Кинетическая энергия продуктов этой реакции со­ставляет 17,6 МэВ, выделение энергии в несколько мил­лионов раз больше, чем при сжигании такой же массы водорода в кислороде.

Для того чтобы произошла реакция (3), ядра три­тия и дейтерия должны сблизиться до расстояния, на котором начинают действовать ядерные силы. На боль­ших расстояниях ядра расталкиваются кулоновскими силами. Высота потенциального барьера, возникающего из-за кулоновского отталкивания, оказывается 1 МэВ. Такова должна быть кине­тическая энергия классической частицы, дейтрона, чтобы он мог проникнуть к ядру трития.

Средняя кинетическая энергия частицы в газе равна 3/2 Т. Нетрудно подсчитать, какова должна быть темпе­ратура, чтобы средняя энергия частицы равнялась 1 МэВ = 1,610^?6 эрг:

(6)

При такой температуре почти каждое столкновение приводило бы к ядерной реакции, однако, на Земле такие условия и недостижимы, и не нужны.

Благодаря туннельному эффекту реакция становится возможной при более низких температурах. Процесс слияния ядер аналогичен -распаду, повернутому вспять во времени. При -распаде частица проникает через барьер из ядра наружу, а при слиянии ядер дейтрон дол­жен проникнуть через барьер снаружи внутрь ядра. Проницаемость барьера одна и та же в обоих случаях. [4].

2.3 Методы исследования вещества

Ученые из Олмейденского исследовательского центра корпорации IBM в Сан-Хосе (штат Калифорния) сообщили об очередном достижении в области создания молекулярных компьютеров. Им удалось создать простую вычислительную схему, состоящую из индивидуальных молекул оксида углерода (СО), нанесенных на плоскую медную подложку. По словам ученых, размер такой схемы в 260 тыс. раз меньше размера ее полупроводникового аналога. При этом для создания схемы исследователи IBM использовали так называемый молекулярный каскадный эффект. С помощью двух СТМ они наносили на подложку пары молекул СО. На конце полученной структуры они размещали еще одну молекулу таким образом, чтобы три молекулы образовали угол. [11]. Возникновение и развитие нанотехнологий связано с открытием физиками из швейцарского отделения компании IBM сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов (1981-1986 гг.). К настоящему времени сменилось уже два поколения сканирующих зондовых микроскопов [1].

СТМ представляет собой устройство для исследования поверхностей твёрдых электропроводящих тел, в основе работы которого лежит эффект туннелирования. Суть этого эффекта состоит в том, что если между двумя проводящими телами, диэлектрический зазор между которыми лежит в пределах 10-20 ангстрем, приложить внешнее напряжение, то возникает ненулевая вероятность перехода электронов с одного тела на другое под потенциальным барьером. Таким образом, возникает туннельный ток, который затем можно усилить и измерить. [12] На практике явление туннелирования в СТМ реализуется, когда один из проводников представляет собой иглу (зонд) 1, а другой – поверхность исследуемого объекта 3 (Рис.2.3.1). Электронам проводимости на острие зонда 1 необходимо получить определенную энергию, чтобы перейти в зону проводимости объекта 3. Величина этой энергии зависит от расстояния между зондом и поверхностью объекта L, разности потенциалов между ними U и величинами работы выхода электронов F₁ и F₂ с поверхности зонда и поверхности исследуемого объекта соответственно. При сближении зонда и поверхности объекта на расстояние L 0,5 нм (когда волновые функции электронов ближайших друг к другу атомов зонда и объекта перекроются) и приложении разности потенциалов U 0,1…1 В, между зондом и объектом возникает ток, обусловленный туннельным эффектом:

(1)

Для подавляющего большинства пар зонд-объект значение эффективного энергетического барьера составляет , и, как следует из расчёта по формуле (3), k_{0 }^-1_.При оценке туннельного тока I_т полагают, что поток электронов "стекает с крайнего атома" на кончике иглы, образуя пучок электронов 2 (см. рис 2.3.1.) диаметром порядка 0,4 нм (что обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа по плоскости объекта). В этом случае площадь поперечного сечения пучка электронов F 10^-19 м² .Подставив расчётные параметры в уравнение (1), получим ориентировочные значения туннельного тока: I_{т }3 10^-9 А

Туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния между зондом и образцом. Расстояние L входит в показатель степени экспоненциальной зависимости D от L - см. формулу (2) - и, соответственно, влияет на значение I_т - см. формулу (1). Поэтому при увеличении расстояния только на 0,1 нм показатель D и, соответственно, туннельный ток I_т уменьшаются почти в 10 раз. Это обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа по высоте объекта, поскольку незначительные изменения по высоте рельефа поверхности вызывают существенное увеличение или уменьшение туннельного тока. СТМ функционирует следующим образом (рис. 2.3.2.). Зонд подводят по вертикали (ось Z) к поверхности образца до появления туннельного тока. Затем перемещают зонд над поверхностью по осям X, Y (сканирование), поддерживая ток постоянным посредством перемещения иглы зонда по нормали к поверхности. При сканировании зонд остаётся на одном и том же расстоянии L от поверхности образца. Вертикальное перемещение зонда для сохранения расстояния L прямо отражает рельеф поверхности образца. [13] СТМ использован для индуцирования локальной ДС бензола с ПВ (100) Si при слабых токах (<100 пА), низких смещающих напряжениях (--2.4 В) и температуре(22 К) [14] Также методом высокотемпературной СТМ изучен обратимый структурный фазовый переход (с2х8) и ( I x I ) на ПВ (111)Si при 230 С (Тс). [15] Представлены результаты исследования с помощью СТМ поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), облученного ионами криптона с энергией 305 MeV. [16]

Изучена АД триметилфосфина (1) на ПВ (111)-(7х7) Si и АД (СНЗ)ЗСРНЗ (ТБФ) на ПВ GaP(001)-(2х4) и образованные при этом поверхностные структуры. [17], [18] С помощью СТМ изучен эффект электрополевого индуцирования локального туннельно-токового контраста (ТТК) в ПЛ термич. оксида кремния нанометровых толщин на ПВ (111) и (001) монокристаллов кремния. Исследована методичная возможность изучения супрамолек. систем in situ с применением СТМ-АСМ "СКАН-8", получены изображения высокого разрешения структуры [19], [20], [21], [22], [23] Приведены результаты электрических и магнитных свойств порошкообразных образцов двойного перовскита Sг2ЕеМоО6, полученных методом твердофазной реакции. [24] Нанолитографией, основанной на сверхвысоковакуумной СТМ и скомбинированной с осаждением паров Со при комнатной температуре с последующим отжигом, изготовлены металлические линии Со/Si нанометровой ширины на пассивированных водородом ПВ Si(100).[25] Исследованы топография ПB аморфного гидрир. углерода ?-С:Н и локальную дифференциальную проводимость и измерена величина работы выхода с использованием стандартных методик, применяемых в СТМ [26] Исследованы процессы, происходящие при облучении УФ-светом (?-300 нм) смешанных ленгмюровских монослоев стеариновой кислоты и пентакарбонида железа [27] Блок-схема СТМ, представлена ( рис. 2.3.3.)

Новые возможности рассматриваемого направления в сравнении с традиционными методами исследования поверхности делают особенно перспективным применение зондовой микроскопии (в частности атомно-силовой микроскопии (АСМ). Несмотря на возможность достижения высокого пространственного разрешения, информация, получаемая методами АСМ, может неадекватно отображать реальные особенности поверхности, что является следствием влияния инструмента исследования на объект и приводит к наблюдению артефактов. Эти артефакты, как правило, легко учитываются на качественном уровне при интерпретации АСМ-результатов, однако специфика ряда задач может потребовать количественных оценок и методов восстановления реальной геометрии объектов. Проанализированы два основных артефакта АСМ, влияние которых существенно при проведении исследований отдельных микрообъектов, адсорбированных на поверхность твердой подложки: эффекта уширения профиля и эффекта занижения высот АСМ-изображения объектов исследования. Построены количественные методики учета влияния рассматриваемых эффектов на результаты исследования АСМ. [28]

3.Туннельный эффект в физики

3.1. Туннелирование электронов в твёрдых телах

В 1922 г. было открыто явление холодной электронной эмиссии из металлов .под действием сильного внеш­него электрического поля. Оно сразу поставило физиков в тупик. График потенциальной энергии электро на в этом случае изображен на (рис.3.1.1.) Слева, при отрица­тельных значениях координаты
х — область металла, в котором электроны могут двигаться почти свободно. Здесь потенциальную энергию можно считать постоян­ной. На границе металла возникает Потенциальная стен­ка, не позволяющая электрону покинуть металл; он мо­жет это сделать, лишь приобретя добавочную энергию, равную работе выхода А_вых . При низкой температуре такую энергию может получить только ничтожная доля электронов.

Если сделать металл отрицательной пластиной кон­денсатора, приложив к нему достаточно мощное элек­трическое поле, то потенциальная энергия электрона из-за его отрицательного заряда вне металла начнет уменьшаться. Классическая частица, все равно не проникнет через такой потенциальный барьер, квантовая же вполне может протуннелировать.

Сразу после появления квантовой механики Фаулер и Нордгейм объяснили явление холодной эмиссии с помощью туннельного эффекта для электронов. Электроны внутри металла имеют самые разные энергии да­же при температуре абсолютного нуля, так как соглас­но принципу Паули в каждом квантовом состоянии мо­жет быть не больше одного электрона (с учетом спина). Поэтому число заполненных состояний равно числу электронов, а энергия самого верхнего заполненного состояния Е_F  — энергия Ферми в обычных металлах со­ставляет величину порядка нескольких электронвольт, так же как и работа выхода.

Легче всего будут туннелировать электроны с энер­гией Е_F , с уменьшением энергии вероятность туннелирования резко падает. Все экспериментальные особенности, а также полная величина эффекта прекрасно опи­сывались формулой Фаулера  Нордгейма. Холодная электронная эмиссия — первое явление, успешно объясненное туннелированием частиц. [4].

3.2 Квантовые транзисторы

Оптическая аналогия позволяет наглядно представить работу квантового транзистора. На (рис. 3.2.1) изображен оптический двухлучевой интерферометр, а также схема электронного транзистора с квантовым кольцевым контуром. Пропускание интерферометра (оптического или электронного) определяется простой формулой и однозначно зависит от разности набега фаз по двум путям. Транзисторный эффект достигается за счет изменения фазы волны электрона в одном из плеч интерферометра с помощью затворного напряжения, прикладываемого к электроду Э₃.Еще более простая схема квантового транзистора получается, если взять за основу идею интерферометра Фабри-Перо (рис. 3.2.2). Здесь оптический резонатор, образованный зеркалами М₁ и М₂, реализуется в транзисторе с помощью тонкой проводящей нити — квантовой проволоки длиной L, отделенной от электродов Э₁ и Э₂ полупрозрачными для электронной волны барьерами. Условие максимума пропускания имеет такой же вид, как условие резонанса волны де Бройля в квантовой яме длиной L. Транзисторный эффект достигается путем изменения длины волны электрона с помощью напряжения, приложенного к электроду Э₃. Наряду с интерференционными транзисторами разрабатываются квантовые транзисторы других типов — баллистического, с эффектом Джозефсона, с кулоновской блокадой. [29] В транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. [30]

3.3. Туннельный диод.

Ниже описаны диоды, работа которых основана на явлении квантово-механического туннелирования. Работа, подтверждающая реальность создания туннельных приборов была посвящена ТД, называемому также диодом Есаки, и опубликована Л.Есаки в 1958 году. Есаки в процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n переходе обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики было отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции квантово-механического туннелирования. В явлении туннелирования главную роль играют основные носители. Время туннелирования носителей через потенциальный барьер не описывается на привычном языке времени пролёта (t=W/v, где W-ширина барьера, v-скорость носителей ); оно определяется с помощью вероятности квантово-механического перехода в единицу времени. Эта вероятность пропорциональна exp[-2k(0)W], где k(0) - среднее значение волнового вектора в процессе туннелирования, приходящееся на один носитель с нулевым поперечным импульсом и энергией, равной энергии Ферми. Отсюда следует, что время туннелирования пропорционально exp[2k(0)W]. Оно очень мало, и поэтому туннельные приборы можно использовать в диапазоне миллиметровых волн (тбл 3.3.1) Благодаря высокой надёжности и совершенству технологии изготовления ТД используются в специальных СВЧ-приборах с низким уровнем мощности, таких, как гетеродин и схемы синхронизации частоты. ТД представляет собой простой p-n переход обе стороны которого вырождены (т.е. сильно легированы примесями). На (рис 3.3.1) приведена энергетическая диаграмма ТД, находящегося в состоянии термического равновесия. В результате сильного легирования уровень Ферми проходит внутри разрешённых зон. Степени вырождения Vp и Vn обычно составляют несколько kT/q, а ширина обеднённого слоя ~100 A и меньше, т.е. намного меньше, чем в обычном p-n переходе. На (рис.3.3.2.а) приведена типичная статическая вольт-амперная характеристика туннельного диода, из которой видно, что ток в обратном направлении (потенциал p-области отрицателен по отношению к потенциалу n-области) монотонно увеличивается. Полный статический ток диода представляет собой сумму тока туннелирования из зоны в зону, избыточного и диффузионного тока(рис 3.3.2.б). Уровни Ферми проходят внутри разрешенных зон полупроводника, и постоянен по всему полупроводнику. Выше уровня Ферми все состояния по обеим сторонам перехода оказываются пустыми, а ниже все разрешенные состояния по обеим сторонам перехода заполнены электронами. В отсутствии приложенного напряжения туннельный ток не протекает. На (рис 3.3.3) показано, как туннелируют электроны из валентной зоны в зону проводимости при обратном напряжении на диоде. Для того чтобы происходило прямое туннелирование, положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в пространстве импульсов должны совпадать. Это условие выполняется в полупрводниках с прямой запрещенной зоной (в таких , как GaAs и GaSb). Оно может выполняться также в полупроводниках с непрямой запрещенной зоной (например, в Ge) при достаточно больших приложенных напряжениях, таких, что максимум валентной зоны находится на одном уровне с непрямым минимумом зоны проводимости.[31] Исследовали ВАХ при различных температурах в барьерных диодах Шоттки из Al и поли-3-октилтиодина.

Заключение

Заканчивая реферат, остается лишь указать на другие физические явления, в которых реализуется туннельный эффект. Туннельный эффект определяет процесс миграции валентных электронов в кристаллической решетке твердых тел. Туннельный эффект лежит в основе эффекта Джозефсона - протекания сверхпроводящего тока между двумя сверхпроводниками через экстремально тонкую прослойку из диэлектрика. Рассмотрена взаимосвязь межмолекулярных потенциалов и спектров для молекулярных систем. Кратко представлены методы расчета колебательно-вращательных спектров с учетом процессов туннелирования и детально проиллюстрированы на примере комплекса Ar-СН4, димера и тримера Н20. Представлен также обзор последних теоретических и экспериментальных исследований в рамках затронутой проблемы для целого ряда других комплексных систем. [32],[33],[34] Из приведенного материала видно, что туннельный эффект играет существенную роль в самых различных областях физики и техники. В 1986 году советскими учёными К.К. Лихаревым и Д.В. Авериным, изучавшими одноэлектронное туннелирование, был предложен, а позже и опробован одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. [35]

Однако наиболее широкий интерес к туннельному эффекту обусловлен тем, что это принципиально квантово-механический эффект, не имеющий аналога в классической механике. Своим существованием туннельный эффект подтверждает основополагающее положение квантовой механики - корпускулярно-волновой дуализм свойств элементарных частиц. [36]

Список использованных источников

1. Компьютерра. Нанотехнологии. 1997, № 41. — 66 с.

2. Физика микромира. Маленькая энциклопедия. [Гл. редактор Д.В. Ширков].
   М: «Советская энциклопедия», 1980.—528 с., илл.

3. данные из сети Internet, сайт «Лекции по теории Элементарного акта химических реакций…5», ссылка на Туннельный эффект в химии. http://www.chem.msu.su/rus/teaching/vorob'ev/5.html#2//

4. Кожушнер М.А. Туннельные явления.—М.: Знание, 1983.—64 с.—(Новое в жизни, науке, технике. Серия: «Физика», № 3).

5. Двухуровневое прямое динамическое изучение реакции Дильса-Альдера для этилена и 1,3-бутадиена. Dual-level direct dynamics study on the Diels-Alder reaction of ethylene and 1,3-butadiene / Нuang Сhun-Huei, Tsai Li-Chao, Hu Wei-Ping // J. Phys. Сhеm. А. - 2001. - 105, № 43. - С. 9945-9953. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б1.90

6. Вклад туннелирования во вторичные изотопные эффекты.The contribution of tunneling to secondary isotope effects / Saunders Nilliam H.(Jr) // Croat. Сhem. acta.— 1992/—65, № 3.— с. 505-515.— Англ.; рез. серб.—хорв. цит по
   Р Ж Хим1994, 3Б448.

7. Четыре новых структуры фосфатов Мо5+ образованных изотопными кластерами Mo12MPSX62. Four new Mo(V) phosphate structures built up of isotypic Мо12МР8Х 62 clusters / Leclaire А., Guesdon А., Berrah F., Borel М. М., Raveau В. // J. Solid State Chem.-1999. - 145, № 1. - С. 291-301. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.62

8. Динамика распада атомов И твердого водорода при 4,2 К. Контролирующий фактор туннельной реакции Н+napa-Н2?пара-Н2+Н. Decay dynamics of Н atoms in solid hydrogen at 4,2 k. controlling factor of tunneling reaction Н + para-Н2 ?рага-Н2+ Н / Miyazaki Tetsuo, Mori Shoji, Nagasaha Toshimitsu, kumagai Jun, Aratono Yasuyuhi, kumada Takayuki //,l.Phys. Chem. А. - 2000. - 104, № 42. - С. 9403-9407. - Англ.цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.318

9. Анализ мезанизмов переноса тока, определяющих характер обратных вольт-амперных характеристик барьеров металл - CaAs / Булярский С. В., Жуков А. В. // Физ.и техн. полу провод. - 2001. - 35, № С. - С. 560-563. - Рус. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.347

1. данные из сети Internet, сайт «Живой Интернет», ссылка на в «США создан самый маленький компьютер». http://www.li.ru/news/news-575378.shtml

2. Роль атомных ансамблей в реакционной способности биметаллических электрокатализаторов. The role of atomic ensembles in the reactivity of bimetallic electrocatalysts / Магоun F., Ozanam F., Magnussen О. М., Behm К.,1. // Science. - 2001. - 293, № 5536. - С.1811- I81 4. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б3.191.

3. данные из сети Internet, сайт «Виртуальная лабораторная работа» http://www.nanotechnology.nm.ru/laborat.html

4. данные из сети Internet, сайт «МГТУ Сканирующая туннельная микроскопия. Аппаратура, принцип работы, применение.» http://www/technical.bmstu.ru/stm/Parts1/Parts2/index.htm

5. Индуцирование десорбции органических молекул с помощью сканирующего туннельного микроскопа: теория и эксперимент. Inducing desorption of organic molecules with а scanning tunneling microscope: theorv аnd esperiments / Alavi S., Rousseau R., Patitsas S. N., Lopinshi G. P., Wolkow R/ A., Seideman Т. // Pnys. Rev . I.ett. - 2000. - 85, № 25. - С. 5372-5375.-Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.530

6. Изучение обратимого фазового перехода между метастабильными структурами Si(111)=(с2х8) и "I x I" четодоч сканирл юшей туннельной микроскопии. Scanning tunneling microscopy studies on the reversible phase transition between metastable structures of Si(111) c2x8 and "I xl" /Chida M.,Tаnishiro Y.. Minoda H., Yagi k. // Surface Sci. - 1999. -441, № 1. - С. 179-191. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.528

7. данные из сети Internet, сайт «ПЖТФ, 2000, том 26, выпуск 17» http://www.ioffe.ru/journals/pjtf/2000/17/

8. Изучение с применением сканирующей туннельной микроскопии, спектроскопии потерь энергии электронов высокого разрешения и теоретических методов [адсорбции] триметилфосфина на поверхности (111)-(7х7) Si. Scanning tunneling microscopy, high-resolution electron energy loss spectroscopy, and theoretical studies of trimethylphosphine (ТМ Р) on а Si(111)-(7x7) surface / Fukuda Y., Shimomura М., Kaneda С., Sanada N., Zavodinsky V. С., Kuyanov I. A., Chukurov Е. N. // Surface Sci. - 1999. - 442, № 3. - C. 507-516. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.508

1. Изучение методами спектроскопии потерь энергии электронов высокого разрешения и сканирующей туннельной микроскопии адсорбции и поверхностной структуры трет-бутилфосфина (ТБФ) на поверхности GaР(001)-(2х4). Adsorption of t-butylphosphine (TBP) on GаP(001)-(2x4) and the surface structure studied by HREELS and STM / Fukuda Y., Sekizawa Т., canada N. // Surface Sci. - 1999. - 432, № 3. - С. 1.595-1.598. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.510

2. Локальная зондовая модификация атомной структуры туннельно-прозрачных пленок оксида кремния / Юхневич А. В., Лосик О. П., Кузнецов В. Л., Паненко А. В.(Санкт-Петербург, ст. Петергоф, Университетский пр., 2) // 1 Всероссийская конференция " Химия поверхности и нанотехнология", Санкт- Петербург- Хилово, 27 сент.- 1 окт., 1999: Материалы конференции. - СПб, 1999. - С. 95. - Pyc. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.436

3. Изучение супрамолекулярных объектов методом сканирующей туннельной микроскопии / Суровцев И. С., Михалев О. А., Битюцкая Л. А., Мамуга М. В., Татарников С.В. (Санкт-Петербург, ст. Петергоф, Университетский пр., 2) //1 Всероссийская конференция " Химия поверхности и нанотехнология", Санкт- Петербург- Хилово, 27 сент.- 1 окт., 1999 Материалы конференции. - СПб, 1999. - С. 119. - Pyc. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.448

4. Изучение роста и образовании сплава методами фотоэлектронной спектроскопии и сканирующей туннельной микроскопии. Growth and alloy formation studied by photoelectron spectroscopy and STМ / Ramstad А., Strisland F., Raaen S., Worren Т., Borg А., Berg С. // Surfасе Sci. - 1999. - 425, № 1. - С. 57-67. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.536.

5. Изучение методом сканирующей туннельной микроскопии in situ осаждения при недонаприжении меди на поверхностях (100) Pt-электродов, покрытых монослоем иода.Iп situ scanning tunneling microscopy of under potential deposition of copper at Pt(100) electrodes coated with an iodine monolayer / Shue С.-Н., Yau S.-L. //,J. Рhys. Chem. В. - 2001. - 105, № 23. - С.5489-5496. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.537

6. Получение изображений с высоким разрешением структуры поверхности Мо2С(0001)=(?(3)х?(3))R30' методом сканирующей туннельной микроскопии. High resolution images of Mо2С(0001)-(?(3)x?(3))R30 structure bу scanning tunneling microscopy / Lо R.-L ., Fukui k., Otani S., Iwasawа Y . // Surface Sci. - 1999. - 440, № 3. - С. 1857-1 862. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.540

7. Магнитные и электрические свойства Sr2FeMоО6. Magnetic and electric properties of Sr2FeMoО6/ Sanchez К. D., Niehieshihiiiat О., Caneiro A., Morales L,Vasquez-'Mansilla M., Rivadulla F., Hueso L.. F.. //,l. Маgn. and Magn Mater. - 2001. - 226-230, ч. 1.- С. 895-897. – Англ цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.363

8. Изготовление нанопроволок Со/Si на пассивированных водородом поверхностях Si(100) с помощью сверхвысоковакуумной сканирующей туннельной микроскопии. Fabrication of Со/Si nanowires by ultrahigh-vacuum scanning tunneling microscopy on hydrogen-passiivated Si(100) surfaces / Palasantzas С., llge В., De Nijs,l., Geerligs г...l. // J. АррI Phys. - 1999. - 85, .№3. – С 1900 - Aнгл. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.483

9. Исследование электрофизических свойств поверхности алмазоподобных пленок, легированных медью / Голубок А. О., Масалов С. А., Розанов В. В., Иванов-Омский В.И., Ястребов С. Г., Звонарева Т. К. (Санкт-Петербург, ст. Петергоф, Университетский пр., 2) // 1 Всероссийская конференция "Химия поверхности и нанотехнология", Санкт-Петербург Хилово, 27 сент.-1 окт., 1999: Материалы конференции. - СПб, 1999. - С. 131. - Рус. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.450

10. Управляемый синтез анизотропных наночастиц железа и наноструктур из них / Шорохов В. В., Губин С. П., Обыденов А. Ю., Солдатов Е. С., Трифонов А. С., Хомутов Г. Б. (Санкт-Петербург, ст. Петергоф, Университетский пр., 2) //1 Всероссийская конференция " Химия поверхности и нанотехнологии", Санкт- Петербург - Хилово, 27 сент.- 1 окт., 1999: Материалы конференции. - СПб, 1999. - С. 94-95. - Рус. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б2.608

11. данные из сети Internet, сайт «Сканирующая зондовая микроскопия» http://wwwspm.genebee.msu.ru/members/gallyamov/gal_yam/gal_yam1.html//

12. Компьютера. Физики шутят? 2000, №35

13. Борисенко В.Е. Наноэлектроника – основа информационных систем XXI века. /Соросовский образовательный журнал. № 5, 1997/.

14. данные из сети Internet, сайт «ТЕLA поисковая система» ссылка на туннельный диод. http://www.tela.dux.ru/tela_pager.pl?//

1. Расчет методом теории функционала плотности токов электронного туннелирования. Молекулярные орбитали реального пространства (сеточная схема) и молекулярные орбитали гауссова типа. DFT Calculation of Electron tunneling currents. Real space (grid) molecular orbitals vs. Gaussian-type molecular orbitals / Wang J., Stuchebrukhov А. А. // In t. J. Quantum Chem. - 2000. - 80, № 4-5. - С. 591-597. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б1.5

2. Неэмпирическое изучение туннелирования электронов на дальние рассеяния в металлоорганических системах биологической природы. Аb-initio calculations of long distance electron tunneling in organometallic systems of biological origin / Stuchebrukhov А. А. // Int. J.Quantum Chem. - 2000. - 77, № 1. - С. 16-26. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б1.41

3. Перенос носителя через металл-полимерные перегородки. Carrier transport across metal-polymer barriers / Assadi A., Fu Y.,Willander M., Svensson // Jap. J. Appl. Phys. Pt 1. — 1993. —32, № 4. – с. 1696-1699. — Англ. цит. По Р Ж Хим 1994, 7С191

4. Межмолекулярные потенциалы, внутренние движения и спектры ван-дер-ваальсовых и II-связанных комплексов. Intermolecular potentials, internal motions, and spectra оf van der Waals and hydrogen-bonded complexes /Wоrmег Paul Е. S., Van der Avoird Ad // Chem. Rev. - 2000. - 100, № 11. - С. 4109-4143. - Англ. Цит по Р Ж Хим 2002 19Б1.52

5. Делоне Н.Б. Туннельный эффект. /Соросовский образовательный журнал. № 1, 2000/.

Приложение

Движение частицы из одной орбитали в другую отделённых друг от друга потенциальным барьером

Рис.1.1

Инверсия аммиака



Рис. 2.1.1.

Внутримолекулярный туннельный перенос атома водорода в малоновом альдегиде в его енольной форме



Рис. 2.1.2.



Рис. 2.3.1 Схема протекания туннельного тока между зондом и объектом: 1 - зонд; 2 – пучок электронов; 3 – объект (образец); U – разность потенциалов между зондом и объектом; I_Т – туннельный ток; L – расстояние между зондом и объектом; F – площадь туннельного контакта



Рис.2.3.2.. Схема перемещения зонда над поверхностью объекта



Рис. 2.3.3.. Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа:1 – двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 – двигатель для перемещения объекта по оси Z; U_x, U_y, U_z, - напряжения, подаваемые на двигатели 1; U_z^’ – напряжение, подаваемое на двигатель 2; U – разность потенциалов между зондом и объектом; I_т – туннельный ток

График потенциальной энергии электрона под действием

сильного внешнего электрического поля

Рис. 3.1.1

Квантовые транзисторы

Рис 3.2.1

Квантовые транзисторы

Рис 3.2.2



Рис 3.3.1

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Полный статический ток диода



Рис 3.3.2



Рис 3.3.3

Таблица 3.3.1.

В таблице даны названия поддиапазонов СВЧ-диапазона и соответствующие им полосы частот