2015-08-03 21:24:29

纳米材料的宏观量子隧道效应 免费编辑 添加义项名

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宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。

基本信息

  • 中文名

    宏观量子隧道效应

  • 领    域

    物理学

折叠 编辑本段 应用

早期曾用来解释纳米镍粒子在低温继续保持超顺磁性。近年来人们发现Fe-Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无关。于是,有人提出量子理想的零点震动可以在低温起着类似热起伏的效应。从而使零温度附近微颗粒磁化矢量的重取向,保持有限的驰豫时间,即在绝对零度仍然存在非零的磁化反转率。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要的意义,它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应,隧道效应将会是未来电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时,必须要考虑上述的量子效应。

折叠 编辑本段 特征

上述的量子尺寸效应表面效应、小尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。除此之外,纳米材料还有在此基础上的介电限域效应、表面缺陷、量子隧穿等。这些特性使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的物理、化学性质,出现一些“反常现象”。例如金属为导体,在低温时纳米金属微粒由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性;一般PbTiO3,BaTiO3和SrTiO3等是典型铁电体,但当其尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体;铁磁性的物质进入纳米尺度(~5nm)时,由多畴变成单畴,于是显示极强顺磁效应;当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成了纳米陶瓷时,已不具有典型共价键特征,界面键结构出现部分极性,在交流电下电阻很小;化学惰性极高的金属铂制成纳米粒子(铂黑)后,却成为活性极好的催化剂;金属由于光反射现象呈现出各种美丽的颜色,而金属的纳米粒子光反射能力显著降低,通常可低于1%,由于小尺寸和表面效应使纳米粒子对光吸收表现极强能力;由纳米粒子组成的纳米固体在较宽谱范围显示出对光的均匀吸收性,纳米复合多层膜在7~17GHz频率的吸收峰高达14dB,在10dB水平的吸收频宽为2GHz;颗粒为6nm的纳米Fe晶体的断裂强度较之多晶Fe提高12倍;纳米Cu晶体自扩散是传统晶体的1016至1019倍,是晶界扩散的103倍;纳米金属Cu的比热是传统纯Cu的两倍;纳米固体Pd热膨胀提高一倍;纳米Ag晶体作为稀释致冷机的热交换器效率较传统材料高30%;纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩是普通金属的1/2。

折叠 编辑本段 低温

各种元素原子具有特定的光谱线,如原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释,由无数的原子构成固体时,单独原子的能级就并合成能带,由于电子数目很多,能带中能级的间距很小,因此可以看作是连续的,从能带理论出发成功地解释了大块金属半导体绝缘体之间的联系与区别,对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言,大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性,称之为量子尺寸效应。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此,对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应,原有宏观规律已不再成立。

折叠 编辑本段 波动性

电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而溢出器件,使器件无法正常工作,经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

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