量子力学论文.docx

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量子力学论文
量子理论及技术的发展
【摘要】 本文简述了在量子力学的发展过程中所带动的激光、半导体、扫描隧道显微镜、量子信阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体。随后，英国物理学家威尔逊于１９３１年据导电机理，将半导体分为“本征半导体”与“杂质半导体”，并提出半导体所有变化多端的性质和广泛的应用价值，都是由杂质导电机理决定的。１９３９年肖特基、莫特和达维多夫，建立了解释金属一半导体接触整流作用的扩散理论。这样，在量子理论的基础上发展起来的能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。
技术上，贝尔实验室的固体物理研究组于１９４７年终于成功发明了晶体管；１９５８年第一块集成电路研制成功；１９６４年中规模电路研制成功并于１９７３年开始进入工业化生产阶段，踟年代则进人了超大规模集成电路时代。集成电路发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的。以集成电路为核心的微电子技术渗透到现代通信、信息技术、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用。
三、从“势垒隧穿”到扫描隧道显微镜技术
量子力学不仅为了解物质结构奠定了理论基础，还开发了探测物质结构的重要技术手段。经典物理中，粒子不能越过能量大于它的势垒而进入到另一个区域。但在量子力学中，即使粒子能量小于势垒高度，粒子在垒区、甚至在垒后的波函数也都不为零，这就是说，粒子有一定的率处于势垒内。甚至还有一定的概率能穿透势垒而进入垒后区域，好像在势垒中有一个“隧道”能使少量粒子穿过而进入垒后，所以人们就形象地称之为隧道效应。
１９８１年，ＩＢＭ公司苏黎世实验室的两位科学家宾尼希和罗雷尔利用电子的隧道效应制成了扫描隧道显微镜（ＳＴＭ，Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）。其原理是，若将两块平行放置的相同导体平板电极用一非常薄的绝缘层隔开，并在两极之间施一直流电压，则在绝缘导区域将形成一势垒，负电极中的电子可以穿过绝缘层的势垒到达正电极，形成隧穿电流，据量子力学知识，这种情形下隧道电流密度随绝缘层厚度呈指数关系变化，因此ＳＴＭ具有高精度。
ＳＴＭ发明以后，相继诞生了一系列在工作模式、组成结构及主要性能与ＳＴＭ相似的显微仪器，构成了一个不断发展的“扫描探针显微镜”家族，用来获取有关表面结构的各方面信息。这其中有１９８６年宾尼希等人在ＳＴＭ的基础上发明的原子力显微镜，克服了ＳＴＭ只能用于导体、半导体的不足；扫描噪声显微镜，不仅可用于观测表面形貌，还提供了一种控制隧道间隙的新方法，可用于热电子电压等测量；扫描隧道电位仪，由反馈系统利用交流电压控制隧道间隙的恒定，可用来测量纳米尺度的电位变化；弹道电子发射显微镜，利用的样品是金属一半导体构成的肖特基势导电结，是目前唯一能够在纳米尺度上无损伤探测表面和界面结构的先进分析仪器；此外，还有用光代替探针的近场扫描光学显微镜、光子扫描隧道显微镜等。
扫描探针显微术的诞生，使人类能够实时地观测原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质，大大缩短了宏观世界和