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隧道效应目录 定义 概述 原理 发现者 用途 隧道二极管 隧道巨磁电阻效应 宏观量子隧道效应 隧道效应 tunnel effect编辑本段定义 由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿 。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外,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,粒子贯穿势垒。理论计算表明,对于能量为几电子伏的电子,方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时,粒子透射概率减小到10-10 ,已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应,对于宏观现象,实际上不可能发生。 在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按经典力学,粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒,实际也正是如此,这种现象称为隧道效应。对于谐振子,按经典力学,由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在,此现象也是一种隧道效应。 隧道效应是理解许多自然现象的基础。编辑本段概述 在两层金属导体之间夹一薄绝缘层,就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结,即电子可以穿过绝缘层,这便是隧道效应。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,为了简化运算,把势垒简化成一个一维方势垒。 所谓隧道效应,是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层(厚度大约为1nm(10-6mm),如氧化薄膜),当两端施加势能形成势垒V时,导体中有动能E的部分微粒子在E<V的条件下,可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。 产生隧道效应的原因是电子的波动性。按照量子力学原理,有能量(动能)E的电子波长=(其中,——普朗克常数;——电子质量;E——电子的动能),在势垒V前:若E>V,它进入势垒V区时,将波长改变为λ′=;若E<V时,虽不能形成有一定波长的波动,但电子仍能进入V区的一定深度。当该势垒区很窄时,即使是动能E小于势垒V,也会有一部分电子穿透V区而自身动能E不变。换言之,在E<V时,电子入射势垒就一定有反射电子波存在,但也有透射波存在。编辑本段原理 经典物理学认为,物体越过势垒,有一阈值能量;粒子能量小于此能量则不能越过,大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡,先用力骑,如果坡很低,不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高,不蹬自行车,车到一半就停住,然后退回去。 量子力学则认为,即使粒子能量小于阈值能量,很多粒子冲向势垒,一部分粒子反弹,还会有一些粒子能过去,好像有一个隧道,故名隧道效应(quantum tunneling)。可见,宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下,隧道效应并不影响经典的宏观效应,因为隧穿几率极小,但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。编辑本段发现者 1957年,受雇于索尼公司的江崎玲於奈(Leo Esaki,1940~)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,江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后,江崎利用这一效应制成了隧道二极管(也称江崎二极管)。 1960年,美裔挪威籍科学家加埃沃(Ivan Giaever,1929~)通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释,单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。 1962年,年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森(Brian David Josephson,1940~)预言,当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS(Superconductor-Insulator- Superconductor)时,电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层(厚度约为10埃)时发生了隧道效应,于是称之为“约瑟夫森效应”。 宏观量子隧道效应确立了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穿透绝缘层,使器件无法正常工作。因此,宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。编辑本段用途 隧道效应本质上是量子跃迁,电子迅速穿越势垒。隧道效应有很多用途。如制成分辨力为0.1nm(1A)量级的扫描隧道显微镜,可以观察到Si的(111)面上的大元胞。但它适用于半导体样品的观察,不适于绝缘体样品的观测。在扫描隧道显微镜(STM)的启发下,1986年开发了原子力显微镜(AFM),其工作原理如图5所示。利用金刚石针尖制成以SiO2膜或Si3N4膜悬臂梁(其横向截面尺寸为100μm×1μm,弹性系数为0.1~1N/m),梁上有激光镜面反射镜。当针尖金刚石的原子与样品的表面原子间距离足够小时,原子间的相互作用力使悬臂梁在垂直表面方向上产生位移偏转,使入射激光的反射光束发生偏转,被光电位移传感器灵敏地探测出来。原子力显微镜对导体和绝缘体样品都适用,且其分辨力达到0.01mm(0.1A),可以测出原子间的微作用力,实现原子级表面观测。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_624047_1602049_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200811517289_01_1602049_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2008115172816_01_1602049_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2008115172825_01_1602049_3.jpg[/img]
为提升我国桥隧建设整体安全水平和促进桥隧行业创新和可持续发展,2017(第六届)国际桥梁与隧道技术大会将于2017年5月25-26日在上海召开,本届大会以“深入推进基础设施工程信息化”为主题,将汇聚800余位国内外路桥隧工程行业的高层及精英共襄盛会,关注路桥隧重大工程项目,从产业链各个环节进行探讨,切实推进路桥隧学术研究与技术创新。同期举办2017中国国际桥梁与隧道工程技术装备展,为国内外业内人士搭建首屈一指的展示平台,更好的推动我国路桥隧技术的发展。一、大会主题:深入推进基础设施工程信息化二、会议时间、地点会议时间: 2017年5月25-26日 会议地点: 中国·上海光大国际大酒店三、组织结构主办单位:中国工程院土木、水利与建筑工程学部 上海市土木工程学会 同济大学土木工程学院协办单位: 中国土木工程学会桥梁及结构工程分会 中国土木工程学会隧道及地下工程分会 中国土木工程学会市政工程分会 中国岩石力学与工程学会岩土工程信息技术与应用分会 中国公路学会桥梁和结构工程分会 中国工程机械工业协会掘进机械分会 盾构及掘进技术国家重点实验室 中国工程院院刊-Frontiers of Structural and Civil Engineering (FSCE)《结构与土木工程前沿》支持单位:国际隧道协会(ITA)承办单位: 上海闻鼎信息科技有限公司承办媒体: 《桥梁与隧道》杂志官方网站: www.IBTCevents.com四、日程安排时间内容安排5月24日签到5月25日开幕论坛5月25日下午主论坛 & 高峰对话:桥隧产业化发展机遇与挑战5月26日桥梁与道路工程专题论坛隧道与地下工程及装备专题论坛 五、大会部分拟邀嘉宾王梦恕 中国工程院院士,北京交通大学教授杜彦良 中国工程院院士,石家庄铁道学院副校长葛耀君 同济大学桥梁工程系教授,国际桥协副主席郭陕云 中国土木工程学会隧道及地下工程分会名誉理事长赵宪忠 同济大学土木工程学院院长朱合华 同济大学土木工程学院教授何 川 西南交通大学校长助理、科学技术发展研究院院长朱瑶宏 宁波市轨道交通副总指挥、总工程师洪开荣 中铁隧道集团公司总工程师陈湘生 深圳地铁集团有限公司总工程师程永亮 中国铁建重工集团有限公司总经理、总工程师王杜娟 中铁工程装备集团有限公司总工程师宋神友 深中通道管理中心总工程师曹文宏 上海市隧道工程轨道交通设计研究院副院长朱雁飞 上海隧道股份工程有限公司总工程师杨国伟 上海轨交13号线发展有限公司总工程师钟长平 广州轨道交通建设监理有限公司副总经理齐梦学 中铁十八局集团隧道工程有限公司副总经理吴煊鹏 中铁十六局集团有限公司副总工程师姜 弘 上海市城市建设设计研究总院副总工程师袁木林 吉林省水务集团有限公司工程建设与管理部部长梁文灏 中国工程院院士,中国铁道建筑总公司副总工程师秦顺全 中国工程院院士,中铁大桥勘测设计院董事长傅德明 上海市土木工程学会秘书长赵君黎 中国公路学会桥梁和结构工程分会副秘书长宋振华 中国工程机械工业协会掘进机械分会秘书长肖汝诚 同济大学桥梁工程系教授孙利民 同济大学桥梁工程系副主任,教授卜一之 西南交通大学土木工程学院桥梁工程系教授潘东发 中铁大桥局集团有限公司总工程师张喜刚 中国交通建设股份有限公司总工程师高宗余 中铁大桥勘测设计院集团有限公司总工程师韩振勇 天津城建集团总工程师、天津城建设计院董事长Mark Wallace 香港ARUP基础设施部主管,2018ACCUS主席Mr. Michael Lim 新加坡陆路交通管理局董事会主席Soren Degen Eskesen ITA主席马 骉 上海市政工程设计研究总院副总工程师赵达斌 中铁山桥集团有限公司副总经理周 良 上海市城建设计研究总院副院长、总工程师方明山 港珠澳大桥副总工程师、教授级高级工程师田启贤 中铁大桥科学研究院有限公司总经理张永涛 中交第二航务工程局有限公司研发中心总经理六、大会部分议题主论坛桥隧产业化发展机遇与挑战国内外典型综合路桥隧工程项目群设计理念与施工技术现代桥梁和隧道的设计理念及发展前景中国公路钢桥建设情况及政府指导意见介绍公路、地铁建设运营维护信息化中国盾构机市场前景与需求分析建设维护一体化创新体系在路桥隧工程中的应用路桥隧工程投融资模式实践应用分析 桥梁与道路工程专题论坛大型跨海桥梁工程技术热点问题大跨径桥梁的设计与施工—沪通铁路长江大桥工程沪通长江大桥主桥沉井施工关键技术峡谷跨径世界第一的云南龙江特大桥关键技术突破宁波梅山春晓大桥先进设计理念桥梁全预制拼装技术研究与实践桥梁抗震、加固及耐久性研究和应用港珠澳大桥全寿命周期管理基础设施大数据平台与桥隧运营维护桥梁安全运行大数据采集及处理关键技术研究及装置桥梁防水、防腐工程新技术、新工艺及新材料的应用与发展隧道与地下工程及装备专题论坛北横通道地下道路工程施工技术“集约、高效”理念在诸光路通道工程中的设计体现珠海横琴隧道工程施工技术吉林引松供水工程关键技术突破非开挖新技术在地下工程的开发和应用珠三角城际铁路穿越深圳机场盾构施工技术复杂地质下TBM卡机处理方法及地质预报系统春风隧道超大直径盾构机选型探讨蒙华铁路马蹄形盾构机研制及应用轨道交通建设管理信息化集成——基于BIM,超越BIM深圳地铁施工关键技术及信息化运营管理青岛地铁安全风险监控与管理基坑工程风险预警自动化系统及安全管理系统基于全生命周期理念的隧道及地下工程建养技术隧道病害分析、预防性维护及快速抢修技术隧道通风、防水、防火新技术、新材料七、会议费用 普通参会 2800元/人(会议费含会议注册费、餐费、资料费);指定收款帐户:开户名称:上海闻鼎信息科技有限公司开户银行:招商银行上海分行大宁支行银行帐号:1219 0973 2310 603八、论文征集本届大会将征集近年来未在国内外刊物或论文集上发表过的有关桥梁与隧道设计、施工、运营养护管理、设备管理、关键技术及投融资等内容。经论文编委会审评后择优发表在《2017(第六届)国际桥梁与隧道技术大会论文集》、中国工程院院刊-《结构与土木工程前沿》或《隧道建设》杂志,且同时被中国知网、万方数据进行论文收录。1.论文全文投稿截止日期 :2017年 4月 10 日2.投稿邮箱:rainbow.zhou@wintimechina.com3.投稿要求:提交论文时请注明“会议投稿”,并严格按照格式排版(WORD版),详细要求可登录“国际桥梁与隧道技术大会”官方网站http://www.IBTCevents.com,点击“论文征集”下载查看。九、联系方式 联系人: 王钦(先生)手机:183 2187 7086邮箱wang.qin@wintimechina.com官方网站http://www.IBTCevents.com
二十世纪七十年代末德裔物理学家葛.宾尼和他的导师海.罗雷尔在IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室进行超导实验时,他们并没有把自己的有关超导隧道效应的研究与新型显微镜的发明联系到一起。但是真空中超导隧道谱的研究已经为他们今后发明扫描隧道显微镜准备了坚实的理论和实验基础。一次偶然的机会,他们读到了物理学家罗伯特杨撰写的一篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章中有关驱动探针在样品表面扫描的方法使他们突发奇想:难道不能利用导体的隧道效应来探测物体表面并得到表面的形貌吗?以后的事实证明,这真是一个绝妙的想法。经过师生两人的不懈努力,1981年,世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜终于诞生了。 扫描隧道显微镜的英文名称是 ScanningTunneling Microscope,简称为STM。STM具有惊人的分辨本领,水平分辨率小于0.1纳米,垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲,物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下,导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。下图显示的是硅表面重构的原子照片,照片上,硅原子在高温重构时组成了美丽的图案。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/01/201001181030_197432_1601358_3.jpg[/img]根据量子力学理论的计算和科学实验的证明,当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定程度时,电子将存在一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应,而跃迁形成的电流叫做隧道电流。之所以称为隧道,是指好象在导体之间的势垒中开了个电流隧道一样。隧道电流有一种特殊的性质,既对两导体之间的距离非常敏感,如果把距离减少0.1纳米,隧道电流就会增大一个数量级。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/01/201001181031_197435_1601358_3.jpg[/img]