上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 探索微观物质世界 第十二讲量子理论的发展 饶群力 上海交通大学 强 分析测试中心 n SHANG 1日gG ERSI
探索微观物质世界 第十二讲量子理论的发展 饶群力 上海交通大学 分析测试中心
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 一、扫描隧道显微镜 发明的背景
一、扫描隧道显微镜 发明的背景
上游充通大兽 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 量子物理的产生 物理学发展一 从经典物理学到量子力学 口过渡时期的三个重大问题的提出： 口（1)黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难” 问题； 口(2)光电效应和康普顿效应的解释问题； 口(3)原子的稳定性和大小问题
量子物理的产生 物理学发展——从经典物理学到量子力学 过渡时期的三个重大问题的提出： （1）黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难” 问题； （2）光电效应和康普顿效应的解释问题； （3）原子的稳定性和大小问题
上游充通大学 量子理论的飞跃 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
量子理论的飞跃
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 粒子的波动性 纳米“皇冠”，量子“围栏
粒子的波动性 纳米“皇冠” ，量子“围栏
上游充通大兽 场致电子发射 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ©电子被发现以后的三十多年，人们发现很多电子 效应，其中之一是金属表面可以发射出电子来。 开始人们以为这只是被吸附在金属表面的分子产生的 逃逸电子，后来发现在没有外场作用下金属块体的内 部也会产生这种电子。 1928年，福勒(Fowler,1889-1944)和诺德海姆 (Nordheim,1899-1985)合作对金属中的场致 电子发射现象进行了解释，认为电子克服了势垒 从表面逃逸是其根本原因
场致电子发射 电子被发现以后的三十多年，人们发现很多电子 效应，其中之一是金属表面可以发射出电子来。 • 开始人们以为这只是被吸附在金属表面的分子产生的 逃逸电子，后来发现在没有外场作用下金属块体的内 部也会产生这种电子。 1928年，福勒(Fowler，1889 –1944)和诺德海姆 (Nordheim，1899 - 1985)合作对金属中的场致 电子发射现象进行了解释，认为电子克服了势垒 从表面逃逸是其根本原因
上游充通大警 发明背景和理论基础 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。 隧道效应，又称势垒贯穿。对于经典物理学来说，当一个 粒子的动能E低于前方势垒的高度V时，它不可能越过此 势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量 子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也 就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒（如图1）这个现 象称为隧道效应 图1量子力学中的隧道效应
发明背景和理论基础 扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。 隧道效应，又称势垒贯穿。对于经典物理学来说，当一个 粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此 势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量 子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也 就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图1)这个现 象称为隧道效应
上游充通大兽 隧道效应的发现 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 在两层金属导体之间夹一薄绝缘层（如氧化薄膜，厚度 大约为1nm)，就构成一个电子的隧道结。如果电子可 以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，隧道效应便发 生了。 使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势 能比空气或绝缘层中低.于是电子隧道结对电子的作用 可用一个势垒来表示。 1957年，索尼公司的江崎(Esaki) 在改良高频晶体管 2T7的过程中发现，当增加PN结两端的电压时电流反而 减少，他将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此 后，利用这一效应制成了隧道二极管（也称江崎二极管)
隧道效应的发现 在两层金属导体之间夹一薄绝缘层（如氧化薄膜，厚度 大约为1nm ），就构成一个电子的隧道结。如果电子可 以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，隧道效应便发 生了。 使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势 能比空气或绝缘层中低．于是电子隧道结对电子的作用 可用一个势垒来表示。 1957年，索尼公司的江崎（Esaki）在改良高频晶体管 2T7的过程中发现，当增加PN结两端的电压时电流反而 减少，他将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此 后，利用这一效应制成了隧道二极管（也称江崎二极管）
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ©隧道效应是微观粒子波动性所确定的一种量 子效应。由于波动特性，微观粒子在势垒处除 反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势 垒的另一边，粒子具有一定的概率，即：粒子 贯穿势垒。 ©隧道效应是一种微观世界的效应，在宏观世 界发生的可能性很低。按照量子力学：对于能 量为几电子伏的电子，势垒的能量也是几电子 伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达 零点几；而当势垒宽度为10埃时，粒子透射概 率减小到1010，已微乎其微
隧道效应是微观粒子波动性所确定的一种量 子效应。由于波动特性，微观粒子在势垒处除 反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势 垒的另一边，粒子具有一定的概率，即：粒子 贯穿势垒。 隧道效应是一种微观世界的效应，在宏观世 界发生的可能性很低。按照量子力学：对于能 量为几电子伏的电子，势垒的能量也是几电子 伏 ，当势垒宽度为1埃时 ，粒子的透射概率达 零点几；而当势垒宽度为10埃时，粒子透射概 率减小到10-10，已微乎其微
上充学扫描探针显微镜的发明及其理论技术基础 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 装置的发明：1982年，BM瑞士苏黎士实验室的 葛·宾尼(G.Binning)和海·罗雷尔(H.Rohrer)研 制出世界上第一台扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Microscope,简称STM)。后来又发明 了AFM。 发明的意义：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，被国际科学界公认为20世纪80年代世 界十大科技成就之一。 应用领域：在表面科学、材料科学、生命科学等领域 的研究中有广泛的应用前景。 ©获奖：1986年宾尼和罗雷尔获得诺贝尔物理奖
一、扫描探针显微镜的发明及其理论技术基础 装置的发明：1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的 葛·宾尼（G.Binning）和海·罗雷尔（H.Rohrer）研 制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM）。后来又发明 了AFM。 发明的意义： 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，被国际科学界公认为20世纪80年代世 界十大科技成就之一。 应用领域：在表面科学、材料科学、生命科学等领域 的研究中有广泛的应用前景。 获奖：1986年宾尼和罗雷尔获得诺贝尔物理奖