1. 主页 > 消费焦点 >穿隧效应(Tunneling Effect) 的应用(一):

穿隧效应(Tunneling Effect) 的应用(一):



1924年德布罗依(L. de Broglie,1892~1987)提出物质波(matter wave)的概念,并于1927年戴维森(C.J.Davisson,1881~1958)及革末(L.H.Germer,1896 ~ 1971)以54eV之电子束垂直撞击镍晶体表面,得到如同光波的干涉与绕射现象,证实电子波动性,并荣获1937年诺贝尔物理奖。现今都将这些物质波称为德布罗依波(de Broglie wave),德布罗依波给予物质与光的双重性,建立波动力学的理论基础。因为粒子具有波动性,如电子等微小粒子有机会穿过本来不可能通过的能量障碍,称为「穿隧效应(Tunneling Effect)」。穿隧的的机率和距离有关;距离越小,穿隧的机率越大。

扫描穿隧显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)是一种利用量子力学中穿隧效应探测物质表面结构的仪器,1982年由宾尼(Gerd Binnig, 1947-)和罗雷尔(Heinrich Rohre, 1933-)所发明,并以此荣获1986年诺贝尔物理奖。其主要是利用一根非常细的钨或铂铱合金为探针,而针尖在物体表面扫描时,针尖通入高压电针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流,物体表面的高低会影响穿隧电流的大小,依此来观测物体表面的形貌。(图一、二)

图一、扫描穿隧显微镜示意图
穿隧效应(Tunneling Effect) 的应用(一):

图二、扫描穿隧显微镜下的石墨
穿隧效应(Tunneling Effect) 的应用(一):

由于样品和探针距离极小,只有数奈米,探针针尖原子的波函数和样品表面原子的波函数重叠,当探针和样品间有电压存在,两者间便会产生穿隧电流。穿隧电流对针尖的与样品的距离非常敏感,成数量级变化,即对垂直方向的解析度极佳;至于横向的解析度则受限于探针针尖的大小。是以扫描穿隧显微镜的解析度为奈米级(nanometer level),其可克服普通光学显微镜之光波绕射影响,得以辨别远小于可见光波波长的物体。

1990年IBM科学家在绝对温度4度(4K)下,利用穿隧电流增加时,针尖将能推动物体表面的原子的技术,将37个氙(Xenon)原子製造出世界上最小字的「IBM」(图三);而2000年英国牛津大学物理学家John B. Pethica 与同事,在室温下使用扫描式电子穿隧显微镜.,以快速震动针尖达数个原子宽度,再以一系列的撞击移动个别的原子到预定的位置上,且发现这效应与针尖高度无关只与穿遂电流大小有关,推测此原子是因电流加热而移动,此成果将对奈米技术带来重要的进展。

图三、
穿隧效应(Tunneling Effect) 的应用(一):

参考资料:
1. Manipulation of atoms across a surface at room temperature,T. W. Fishlock, A. Oral, R. G. Egdell and J. B. Pethica,《Nature》404,p.743,2000。
2. Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope,D. M. EIGLER & E. K. SCHWEIZER,《Nature》344,p.524,1990。
3. WIKIPEDIA网站–Scanning tunneling microscope http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope
4.<扫瞄电子穿隧显微镜> http://www.ch.ntu.edu.tw/~rsliu/ … hapter3_report3.pdf
5. http://www.cpmah.org.tw/2002/home/c91c064/www/tunnel/a.htm
6. 维基百科网站–量子穿隧效应 http://zh.wikipedia.org/zh/量子穿隧效应
7. 黄俊荣,<自发性奈米结构之扫描穿隧电子显微镜观测>,成大研发快讯-文摘第4卷第8期,2008年6月。
  http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20080606/5.html