【文章內(nèi)容簡介】 前圖中虛線所示的直徑 。 脈沖激光產(chǎn)生的瞬間高溫 （ 10KT） 可使長度為 1mm的光照區(qū)的長度在 1～ 10ns內(nèi)增加 100nm。 由于在長度方向上的熱膨脹受到約束 ， 故熱應(yīng)力使金絲的窄收縮區(qū)受到壓縮而使直徑增大 ， 從而導(dǎo)致電導(dǎo)的急劇升高 。 窄收縮區(qū)直徑變化的時(shí)間與受光照的面積相關(guān) ， 如果光照區(qū)的長度為 1mm，直徑馳豫時(shí)間為 ms級(jí)；長度為 1?m， 馳豫時(shí)間可降至 ?s級(jí) 。因此 ， 調(diào)節(jié)窄收縮區(qū)的長度和直徑可改變馳豫時(shí)間從而控制電導(dǎo)振蕩的固有頻率和初始電導(dǎo)值 。 納米尺寸金屬材料的這種光 電耦合現(xiàn)象可用于設(shè)計(jì)和制造能在室溫下工作的 由 巨 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 控 制 的 納 米 光 電 晶 體 管 。 單 電子效應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí) 單電子效應(yīng)的定義 在低維納米固體結(jié)構(gòu)中，通過 一定的控制手段，比如加偏壓、門壓等 能操縱電子一個(gè)一個(gè)地運(yùn)動(dòng)，這就是單電子效應(yīng)或單電子現(xiàn)象。 這完全不同于在宏觀導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)電過程中轉(zhuǎn)移 電子的 連續(xù)性，因?yàn)殡娏魇怯呻娮釉葡鄬?duì)于原子晶格的定向偏移形成的。 量子遂穿的定義及描述 單電子效應(yīng)的主要研究對(duì)象是超小隧道結(jié) 。 隧道結(jié)是由兩個(gè)金屬電極及夾在其間的絕緣介質(zhì)構(gòu)成 。 與通常的電容相比 ， 隧道結(jié)中的絕緣介質(zhì)足夠的薄 ， 同時(shí)起著勢壘的作用 。 由于電子具有量子屬性 ， 所以它能以一定的概率隧穿通過勢壘 ， 這一現(xiàn)象稱作量子隧穿 。 若 C為隧道結(jié)的電容 ， 那么一個(gè)電子在隧穿前后引起隧道結(jié)的靜電能的變化與一個(gè)電子的庫侖能大體相當(dāng) ， 即 ， 如果 隧道 結(jié)的面積 為 ?m2 ， 絕緣層厚度為 1nm， 那么將 拆算成溫度 ， 大約為100K。 量子遂穿的概率與勢阱的 深度 、 壁厚和形狀 有關(guān) 。 因此 ， 如果對(duì)納米尺度材料的表面進(jìn)行修飾 ， 能通過改變勢阱的深度 、 壁厚 、形狀來改變其對(duì)電子的約束 。 量子遂穿可以將臨近的納米尺度材料直接耦合在一起 ， 形成無導(dǎo)線的連接 。 適當(dāng)?shù)馗淖儾牧系某叽?、 界面 間距以及外界的電場，可以直接調(diào)制材料之間的耦合。 )2(2 CeE c ?cE1eV=11600K 庫侖阻塞效應(yīng)的定義及描述 理想 恒流源驅(qū)動(dòng)的單隧道結(jié)在電子隧穿時(shí)兩極板電荷的變化 在一隧道結(jié)兩端加上一恒流電源，構(gòu)成如 圖所 示的電路，圖中構(gòu)成隧道結(jié)的兩電極分別為電容的兩極。假設(shè)開始時(shí)兩極板上的電荷分別為 和 。電子隧穿前，電容器的靜電能為 ，一個(gè)電子隧穿后，靜電能變?yōu)? 。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，隧穿必須朝著使體系能量降低的方向進(jìn)行。因此，只有當(dāng)體系的自由能變化 時(shí)隧穿才能發(fā)生。由此可得出隧穿的條件為 。當(dāng) 時(shí)， ，靜電場封鎖了電子通道，隧穿過程不能發(fā)生，這就是庫侖阻塞效應(yīng)。當(dāng)恒流源對(duì)電容開始充電，使電極板的電量由零開始遞增，當(dāng)電量 達(dá) 時(shí) ，便有一 個(gè)電子 從負(fù)極隧穿至正極 。上圖顯示 單個(gè)電子遂穿前后兩個(gè)電極上的電荷量的變化。 )2(2 CQ)2()( 2 CeQ ?0)2()2()( 22 ????? CQCeQE2eQ ? 2eQ ? 0??EQ Q2e庫侖振蕩的定義及描述 理想恒流源驅(qū)動(dòng)的 單 隧道結(jié)電壓隨時(shí)間的振蕩 電子隧穿使的極板電壓躍變 時(shí)，以致原正極的電位從 降至 ，從而阻止了下一個(gè)電子的隧穿。但隨著電流源對(duì)電容器充電的繼續(xù)，正極的電荷再次增至 ，于是第二次發(fā)生隧穿，重復(fù)以上的過程。如此循環(huán)往復(fù)，形成電荷或電導(dǎo)和電壓的周期振蕩，即單電子隧穿振蕩，或稱庫侖振蕩 (Coulomb Oscillation) ，振蕩頻率 。上圖示意地表示出單隧道結(jié)電壓隨時(shí)間的振蕩現(xiàn)象，圖中 ，時(shí)間 。 Ce )2( Ce)2( Ce?2eeIf ?)2( CeU ? Iet ?庫侖平臺(tái)的定義及描述 理想 恒壓源驅(qū)動(dòng)的單隧道結(jié) 的 IU曲線 如果將前面圖中的理想恒流源換上理想恒壓源，當(dāng) 時(shí) , 即 時(shí)，因隧穿過程不能發(fā)生，則沒有電流通過，當(dāng) 時(shí)，因電子隧穿則產(chǎn)生電流，電流與電壓的變化呈線性關(guān)系。這樣，在 IU曲線上在 至 段將出現(xiàn)電流平臺(tái)，稱作庫侖臺(tái)階。在宏觀體系中，因 值極小，通常很難在曲線中觀察到庫侖臺(tái)階。 )2( CeU ?2eQ ?)2( CeU ?)2( Ce? )2( Ce)2(2 Ce庫侖島的 定義及描述 串聯(lián)的雙隧道 結(jié) 形成庫倫島示意圖 兩個(gè)隧道結(jié) J1 和 J2 串聯(lián)在一起，其中心電極就組成一個(gè)孤立的庫侖島， J1 和 J2 中的絕緣介質(zhì)分別構(gòu)成隔離庫侖島的勢壘。在串聯(lián)結(jié)上加上一個(gè)理想的 恒壓源 ，構(gòu)成 圖所 示的串聯(lián)的雙隧道結(jié)。 恒壓源 驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)雙結(jié) IU 曲 線 上的庫侖臺(tái)階 假設(shè) 在 上 圖 所 示 串聯(lián)的雙隧道結(jié)上的電壓 U=U1+U2 , U1 和 U2 分別為 J1 和 J2 上的電壓 。 電子從 J1 結(jié)開始隧穿 ， 那么加在入射勢壘兩端的勢能 差為 eU1 ， 電子隧穿到庫侖島上 ， 則系統(tǒng)的庫侖能將增加 ?E=e2/[2(C1 + C2)] ，C1 和 C2 分別為 J1 和 J2 的電容 。 只有當(dāng) eU1 ?E時(shí) ， 庫侖阻塞被克服 ， 電子才能隧穿 。 每當(dāng)入射勢壘的勢能變化 eU1為 ?E 的整數(shù)倍時(shí) ， 進(jìn)入島中的電子數(shù)就增加一個(gè) ， 同時(shí)電流亦發(fā)生一次躍變 。 這樣 ， 在 eU1 的能量范圍內(nèi) ，包 含 在 島 上 電 子 態(tài) 的 數(shù) 目 將 隨 外 加 電 壓 的 增 大 呈 量 子 化 的 增 加 , IU曲線上表現(xiàn)為臺(tái)階形的曲線 （ Coulomb Staircase） ， 如圖 425所示 。 圖 中，臺(tái)階的個(gè)數(shù)表示島上積蓄的電子數(shù)目。 產(chǎn)生庫侖臺(tái)階的條件 臺(tái)階形 I U 曲線產(chǎn)生的條件是 R2C2 R1C1（ 為什么 ？ ） ， R1 和 R2 分別為 J1 和 J2 的電阻 ， 即雙結(jié)不對(duì)稱 。 臺(tái)階的高度為 ， 為單個(gè)電子隧穿擊射壘所需的平均時(shí)間 。 在 J1 和 J2 串聯(lián)組成的庫侖島上加一個(gè)柵電極 ， 在控制柵極上外加 Ue的電壓 ， 通過電容 C 的靜電耦合可以連續(xù)改變庫侖 島的靜電勢 ， 亦可以周期性的滿足發(fā)生隧穿事件的 條件。 ?e ?單 電子現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀察 單電子現(xiàn)象 產(chǎn)生的條件 ? 要保證隧道結(jié)的靜電勢遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度引起的漲落能，即 e2 / (2C) KBT， 否則單電子現(xiàn)象將被熱起伏所淹沒。因此，室溫下觀察單電子隧穿要求庫侖島的尺寸小至幾個(gè)納米的數(shù)量級(jí)。