Tunneliefekt

Allikas: Vikipeedia

Kvantmehaanikas nimetatakse tunneliefektiks ehk tunneleerumiseks mikroosakese läbiminekut potentsiaalibarjäärist. Tegemist on kvantnähtusega, kus nt elektronid on suutelised läbima lõpliku paksuse ja kõrgusega potentsiaalibarjääri ehk potentsiaalse energia barjääri, kuna omavad laineomadusi. Osakesed kas peegelduvad tagasi (tungides osaliselt barjääri sisse) või läbivad selle. Klassikalise teooria kohaselt on osakeste poolt barjääri läbimine võimatu. Mikroosakeste korral on see aga võimalik, olgugi, et barjääri läbimise tõenäosus on üldiselt väike.[1][2]

Kui vaadelda elektroni, mis on ainelaine, siis on sel lõplik tõenäosus lekkida või imbuda (öeldakse ka: tunneleeruda) läbi barjääri ja ilmuda välja selle vastasküljel. Tunneleerumine toimub olukorras, kus elektroni mehhaaniline energia E on barjäärile lähenedes suurem kui barjääri enda kõrgus ehk barjääri potentsiaalne energia Ub, st kui E>Ub, siis suudab elektron selle barjääri ületada.[1][3][2]

Joonis 1. Potentsiaalibarjäär

Võime vaadelda lõpliku laiusega potentsiaalibarjääri U=\begin{Bmatrix} U_0,  0\leqslant x \leqslant a,\\ 0,  x<0, x>a. \end{Bmatrix}, mida kirjeldab samanimeline energiadiagramm (vt Joonis 1). Diagrammil kujutatud V0 on potentsiaalibarjääri kõrgus ning a potentsiaalibarjääri paksus, E aga elektroni elektriline potentsiaalne energia. Piirkonnas x<0 on barjäärile langevate ja sellelt peegeldunud osakeste voog, piirkonnas x>a saab olla vaid barjääri läbinud osakeste voog. Barjääri seest, piirkonnast 0<x<a, on osakeste leidmise tõenäosus nullist erinev.

Tõenäosust iseloomustab tõenäosustihedus, mis leitakse Schrödingeri võrrandist arvutatud lainefunktsiooni abil; seega, tunnelefekti olemasolu tõestamiseks kasutatakse Schrödingeri võrrandit.[2]

Osakeste läbiminekut potentsiaalibarjäärist iseloomustab barjääri läbilaskvuskoefitsient, mis üldiselt sõltub nii barjääri kõrgusest kui ka barjääri laiusest. Potentsiaalibarjäärile võib omistada ka ainelaine läbitavusteguri T, mis iseloomustab tunneleerumise tõenäosust. [4]

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tunnelefekti tõttu esineb hulk nähtusi, mis klassikalise teooria järgi oleks võimatud. Tänu nendele nähtustele on tunnelefektil mitmeid olulisi tehnilisi rakendusi:

Näide tunneldioodist (vasakul).
  • Tunnelefektil on palju rakendusi tehnikas, näiteks tunneldioodis, mida elektronid läbivad tunneleerumise teel, mistõttu elektronide voogu saab kärmelt muuta potentsiaalibarjääri kõrguse muutmise kaudu. Seade on sobiv erilist kiiretoimelisust nõudvais rakendustes.[1][5]
  • Tunnelefektil rajaneb ka skaneeriv tunnelmikroskoop (STM)(vt tööpõhimõtte animatsiooni paremal), kus kasutatakse elektronide ainelaineid. Need palju lühemad lained ei haju pinnalt nii nagu valguslained optilises mikroskoobis, mistõttu on võimalik vaadelda palju väiksemaid detaile. Kujutis tekitatakse elektronidega, mis tunneleeruvad läbi potentsiaalibarjääride STM teravikul. Teraviku ja uuritava objekti pinna vahele on rakendatud nõrk elektripinge ( u 10 mV). Kui viia teravik küllalt lähedale, siis saavad elektronid uuritavast näidisest läbi selle vahemiku (barjääri) tunneleeruda ning tunnelvoolu tekitada. Vool muutub tugevamaks, kui vahemaa pinna ja mikroskoobi otsa vahel väheneb. Kui mõõta tunnelvoolu suurust teraviku skaneerimisel objekti pinna kohal, on võimalik saada infot pinnaaatomite kohta. Vool muundatakse kõrguse arvutamise teel ning see annab materjali pinna nanomeetrilise tüpograafia - saadud videokujutise abil on näha uuritava proovi pinnareljeefi. Tunnelmikroskoobiga on võimalik ka aatomeid ja molekule mööda pinda nihutada.Tänapäeval toodetakse tunnelmikroskoope tööstuslikult ja neid kasutatakse paljudes laborites üle kogu maailma.[1][2]

Puudused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Moodsas tehnoloogias kasutatavate väljatransistorite puhul on oluliseks nende mõõtmete (ja ka nende komponentide mõõtmete) vähendamine. Et väljatransistor töötaks, peab elektrimahtuvus tema voolu juhtiva kanali ja voolu tüüriva elektroodi ehk paisu vahel olema piisavalt suur. Imelühikese kanalipikkuse juures peab kanalit ja paisu eraldav dielektrik olema väga õhuke, tagamaks vajalikku mahtuvust. Üliõhuke oksiidkiht metalloksiid-pooljuht-väljatransistori (MOSFET)(vt samanimelist joonist) komponendina vähendab transistoris lätet ja kanalit eraldava potentsiaalibarjääri laiust, mistõttu elektronidel on kergem tunneleeruda läbi isolaatorkihi. Traditsiooniliste väikese dielektrilise läbitavusega materjalide (nt ränidioksiidi, räninitriid) kasutamisel on nõutava kihi paksus (1-2 nm) liiga väike naaberaatomite vahelise kauguse (0,2-0,3 nm) tõttu. Nii õhukestes dielektrikutes hakkab mõjuma tunnelefekt, mis viib dielektriliste omaduste halvenemiseni tunnelvoolu tõttu. Selline tunnelvool võib olla ka peamiseks lekkeallikaks seadmes - tekib lekkevool, mis põhjustab vigase vooluringi ning suurendab MOSFETi reservvõimsust.[7][8]

MOSFETi lihtsustatud ehitust kujutav skeem: läte (S), pais (G), neel (D) ja substraat (B).

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

1973. aasta Nobeli füüsikaauhinda jagasid kolm "tunnelisti": Leo Esaki (tunnelnähtuste avastamise eest pooljuhtides), Ivar Giaver (tunnelnähtuste avastamise eest ülijuhtides) ja Brian Josephson, kes leiutas Josephsoni siirde - nobeda kvantlüliti, mille aluseks on taas tunnelefekt. 1986. aasta Nobeli preemia said Gerd Binning ja Heinrich Rohrer samuti tunnelefektil rajaneva skaneeriva tunnelmikroskoobi loomise eest.[3][1]

Huvitavad faktid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Efekti hakati nimetama just tunnelefektiks, kuna piltlikult kujutati barjääri läbimist selliselt, et osake nagu läheks läbi barjääri sees oleva tunneli. See ettekujutus muidugi õige ei ole, sest mingit tunnelit barjääri ei teki.[2]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Füüsika põhikursus. Teine köide. Halliday, Resnick, Walker. Lk 1068-1070.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Sissejuhatus kvantmehaanikasse. Rein-Karl Loide. 2007. Lk 48-50.
  3. 3,0 3,1 Eksperimentaalmeetodid materjalifüüsikas, STM. Loengumaterjal.
  4. Tallinna Tehnikaülikool, Kaasaegne Füüsika I, loengumaterjalid.
  5. Kvantmehaanika I. Tartu Ülikooli Füüsika Instituut. Loengumaterjalid. Lk 1-5
  6. Taylor, J., Modern Physics for Scientists and Engineers, Prentice Hall, 2004. Lk 479.
  7. Chaudry, A. Fundamentals of Nanoscaled Field Effect Transistors. 2013, Springer, Chapter 2. Lk 26.
  8. Teadusmõte Eestis. Täppisteadused. Ilmar Koppel, Peeter Saari. Eesti Teaduste Akadeemia. Lk 81.

Kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. Füüsika põhikursus. Teine köide. Eesti Füüsika Selts, 2008, ISBN 978-9985-9078-9-4
  • Rein-Karl Loide. Sissejuhatus kvantmehaanikasse. Avita, 2007, ISBN 978-9985-2-1282-0
  • Taylor, J., Modern Physics for Scientists and Engineers, Prentice Hall, 2004, ISBN 978-0138057152
  • Chaudry, A., Fundamentals of Nanoscaled Field Effect Transistors, Springer, 2013, ISBN 978-1-4614-6821-9
  • Ilmar Koppel, Peeter Saari. Teadusmõte Eestis. Täppisteadused. Eesti Teaduste Akadeemia. Lk 81. ISBN 9985-50-389-9