【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 ， 故熱應力使金絲的窄收縮區(qū)受到壓縮而使直徑增大 ， 從而導致電導的急劇升高 。 窄收縮區(qū)直徑變化的時間與受光照的面積相關(guān) ， 如果光照區(qū)的長度為 1mm，直徑馳豫時間為 ms級；長度為 1?m， 馳豫時間可降至 ?s級 。因此 ， 調(diào)節(jié)窄收縮區(qū)的長度和直徑可改變馳豫時間從而控制電導振蕩的固有頻率和初始電導值 。 納米尺寸金屬材料的這種光 電耦合現(xiàn)象可用于設計和制造能在室溫下工作的 由 巨 電 導 效 應 控 制 的 納 米 光 電 晶 體 管 。 單 電子效應的基礎知識 單電子效應的定義 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 能操縱電子一個一個地運動，這就是單電子效應或單電子現(xiàn)象。 這完全不同于在宏觀導體內(nèi)導電過程中轉(zhuǎn)移 電子的 連續(xù)性，因為電流是由電子云相對于原子晶格的定向偏移形成的。 量子遂穿的定義及描述 單電子效應的主要研究對象是超小隧道結(jié) 。 隧道結(jié)是由兩個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 ， 那么一個電子在隧穿前后引起隧道結(jié)的靜電能的變化與一個電子的庫侖能大體相當 ， 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 ， 如果對納米尺度材料的表面進行修飾 ， 能通過改變勢阱的深度 、 壁厚 、形狀來改變其對電子的約束 。 量子遂穿可以將臨近的納米尺度材料直接耦合在一起 ， 形成無導線的連接 。 適當?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 庫侖阻塞效應的定義及描述 理想 恒流源驅(qū)動的單隧道結(jié)在電子隧穿時兩極板電荷的變化 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。假設開始時兩極板上的電荷分別為 和 。電子隧穿前，電容器的靜電能為 ，一個電子隧穿后，靜電能變?yōu)? 。根據(jù)熱力學第二定律，隧穿必須朝著使體系能量降低的方向進行。因此，只有當體系的自由能變化 時隧穿才能發(fā)生。由此可得出隧穿的條件為 。當 時， ，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。當恒流源對電容開始充電，使電極板的電量由零開始遞增，當電量 達 時 ，便有一 個電子 從負極隧穿至正極 。上圖顯示 單個電子遂穿前后兩個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)動的 單 隧道結(jié)電壓隨時間的振蕩 電子隧穿使的極板電壓躍變 時，以致原正極的電位從 降至 ，從而阻止了下一個電子的隧穿。但隨著電流源對電容器充電的繼續(xù)，正極的電荷再次增至 ，于是第二次發(fā)生隧穿，重復以上的過程。如此循環(huán)往復，形成電荷或電導和電壓的周期振蕩，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)電壓隨時間的振蕩現(xiàn)象，圖中 ，時間 。 Ce )2( Ce)2( Ce?2eeIf ?)2( CeU ? Iet ?庫侖平臺的定義及描述 理想 恒壓源驅(qū)動的單隧道結(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 時 , 即 時，因隧穿過程不能發(fā)生，則沒有電流通過，當 時，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，稱作庫侖臺階。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 兩個隧道結(jié) J1 和 J2 串聯(lián)在一起，其中心電極就組成一個孤立的庫侖島， 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)動的串聯(lián)雙結(jié) IU 曲 線 上的庫侖臺階 假設 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 eU1 ?E時 ， 庫侖阻塞被克服 ， 電子才能隧穿 。 每當入射勢壘的勢能變化 eU1為 ?E 的整數(shù)倍時 ， 進入島中的電子數(shù)就增加一個 ， 同時電流亦發(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)為臺階形的曲線 （ Coulomb Staircase） ， 如圖 425所示 。 圖 中，臺階的個數(shù)表示島上積蓄的電子數(shù)目。 產(chǎn)生庫侖臺階的條件 臺階形 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)不對稱 。 臺階的高度為 ， 為單個電子隧穿擊射壘所需的平均時間 。 在 J1 和 J2 串聯(lián)組成的庫侖島上加一個柵電極 ， 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)象的實驗觀察 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納米的數(shù)量級。