电子隧穿:在物理化学过程中,电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。
图:金属/金属氧化物界面杂化和电子从金属衬底穿过氧化物赋予CoOx的隧穿具有卓越的电化学活性和更高的耐毒性的超薄膜。ACS Catal. 2018, 8, 3, 2343-2352
可以大概理解为电子的穿墙术。
一般情况下,电子很难穿过绝缘层,只能穿过导电层。电子隧穿特指电子能够穿过本身不易穿过的物质,如绝缘体氧化物,这种绝缘体又称为势垒。
电子具有波动性,其运动用波函数描述,而波函数遵循薛定谔方程,从薛定谔方程的解就可以知道电子在各个区域出现的概率密度,从而能进一步得出电子穿过势垒的概率。该概率随着势垒宽度的增加而指数衰减。因此,在宏观实验中,不容易观察到该现象。
电子隧穿效应一般不发生在宏观尺度,一般发生于微观尺度。例如,电子隧穿效应的可修复电子材料、可愈合和可变形的导电材料等。电子隧穿是扫描隧道显微镜的基本原理。福勒诺德海姆隧道用于闪存存储器和场发射显示器。电子隧穿控制着磁隧道结、磁随机存取存储器中的关键元件和铁电隧道结的特性,这些特性有可能超过基于铁电电容的传统随机存取存储器。
量子力学隧穿的一种普遍情况假设是,随着电子能量的增加,有效势垒高度减小,导致电子波的衰减变慢。例如,如果U是势垒高度,EF是费米能量,则衰减常数由ke^2=2me(U−EF)/ℏ^2给出,其中me是电子质量。假设EF与绝缘子的导带最小值(CBM)足够接近,因此电子隧穿控制传输,势垒高度由CBM能量决定,即U=ECBM.然而,如果EF位于足够接近绝缘子的价带最大值(VBM),衰变常数由kh^2=−2mh(U−EF)/ℏ^2,mh是洞质量和势垒高度VBM能量,即U=EVBM.在这种空穴隧穿情况下,有效势垒高度随EF的增加而增加,导致更高的衰减常数。