7. Тунелювання електронів в твердих тілах

У 1922 р. було відкрито явище холодної електронної емісії з металів під дією сильного зовнішнього електричного поля. Воно відразу "збило фізиків з пантелику". Графік потенціальної енергії електрона в цьому випадку описана на (мал. 4) Зліва, при негативних значеннях координати — область металу, в якому електрони можуть рухатися майже вільно. Тут потенціальну енергію можна вважати постійною. На границі металу виникає потенціальна стінка, що не дозволяє електрону покинути метал; він може це зробити, лише отримавши додаткову енергію, рівну роботі виходу . При низькій температурі таку енергію може отримати лише невелика кількість електронів.

Мал.4. Графік потенціальної енергії електрона під дією сильного зовнішнього електричного поля

Якщо зробити метал, негативною пластиною конденсатора, приклавши до нього достатньо потужне електричне поле, то потенціальна енергія електрона із-за його негативного заряду поза металом почне зменшуватися. Класична частинка, все одно не проникне через такий потенціальний бар'єр, квантова ж сповна може протунелювати.Відразу після появи квантової механіки Фаулер і Нордгейм пояснили явище холодної емісії за допомогою тунельного ефекту для електронів. Електрони всередині металу мають самі різні енергії навіть при температурі абсолютного нуля, оскільки згідно принципу Паулі в кожному квантовому стані може бути не більше одного електрона (з врахуванням спіну). Тому число заповнених станів дорівнює числу електронів, а енергія самого верхнього заповненого стану — енергія Фермі в звичайних металах складає величину порядка декілька електронвольт, так само як і робота виходу.

Найлегше тунелюватимуть електрони з енергією , із зменшенням енергії вірогідність тунелювання різко падає. Всі експериментальні особливості, а також повна величина ефекту прекрасно описувалися формулою Фаулера  Нордгейма. Холодна електронна емісія — перше явище, успішно пояснене тунелюванням частинок.

8. Тунельна мікроскопія

Тунельний мікроскоп – мікроскоп, який дозволяє отримувати зображення поверхні твердого тіла практично на атомному рівні за рахунок тунелювання електронів. Тунельний мікроскоп винайшли Герд Біннінгг і Генріх Рорер із швейцарського відділення IBM, за що отримали Нобелівську премію з фізикиза 1986 рік разом із винахідником електронного мікроскопа Ернстом Рускою.

Принцип дії тунельного мікроскопу оснований на пропусканні тунельного струму між тонким щупом і поверхнею. Щуп сканує поверхню в горизонтальній площині і переміщається у вертикальній площині таким чином, щоб підтримувати струм на постійному рівні. Вертикальні переміщення задаються прикладеною напругою, яка й фіксується для кожної точки поверхні, дозволяючи побудувати рельєф.

Сьогодні тунельна мікроскопія являється стандартним методом в роботі на нанорівні, який не тільки вікористовується для дослідження зразків з атомарним розширенням. Але може також використовуватися для конструювання структур на цьому рівні атом за атомом.

Висновоr

Закінчуючи курсову роботу, залишається лише вказати на інші фізичні явища, в яких реалізується тунельний ефект. Тунельний ефект визначає процес міграції валентних електронів в кристалічній решітці твердих тіл. Також тунельний ефект лежить в основі ефекту Джозефсона - протікання надпровідного струму між двома надпровідниками через екстремально тонкий прошарок з діелектрика. У 1986 році радянськими ученими К.К. Ліхаревим і Д.В. Аверіним, що вивчали одноелектронне туннелювання, був запропонований, а пізніше і випробуваний одноелектронний транзистор на ефекті кулонівської блокади.

Проте найбільш широкий інтерес до тунельного ефекту обумовлений тим, що це принципово квантово-механічний ефект, що не має аналога в класичній механіці. Своїм існуванням тунельний ефект підтверджує основне положення квантової механіки - корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей елементарних частинок