真实存在的“穿墙术”——量子隧穿效应

根据经典力学，当一个运动的球遇到坚固的障碍物时，它必须从障碍物的顶部翻越过去才能通过，从能量的角度来讲，如果这个运动的球所具备的能量低于障碍物顶部的势能，那么这个球就绝对无法通过这个障碍物的阻挡。

这样的描述符合我们的常识，所以通常我们都会认为这是非常正确的结论，然而量子力学却告诉我们，这个结论是错误的，因为如果把这个运动的球换成量子世界里的微观粒子，那么我们就会发现，在自身能量不足的情况下，微观粒子依然有一定的概率直接穿过障碍物。

这就是我们今天要讲的，在量子世界里真实存在的“穿墙术”——量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）。

在过去的日子里，科学家发现量子世界中的微观粒子神出鬼没，它们不但具有“不确定性”，而且还具有“波粒二象性”（即同时具备波和粒子的双重性质），为了正确地描述微观粒子，奥地利物理学家埃尔温.薛定谔（Erwin Schrodinger）提出了著名的薛定谔方程，在给定了某个微观系统的边界以及初始条件的情况下，人们就可以利用薛定谔方程了解到这个微观系统的性质。

这里需要科普一个名词——“势垒”，这是一种势能比周围的势能都高的空间区域，根据经典力学，如果微观粒子的能量不够的话，它就不可能通过“势垒”，所以我们可以简单地将其理解为，对于能量不够的微观粒子而言，“势垒”就是一堵不可穿越的墙壁。

上图为一维薛定谔方程（我们看一下就行了），通过解这个方程可以得出一个结果，即当量子波遇到“势垒”的时候，虽然其振幅将会指数级地下降，但在“势垒”另一侧的振幅却会有一定的概率不为零，这就意味着，微观粒子有一定的概率直接“穿墙而过”。

看到这里可能有人会问了，以上所述只是理论上的东西，那有没有实例证明量子隧穿效应真实存在呢？

这就要从α衰变说起了，α衰变是一种很常见的衰变，其衰变的方式其实就是某个原子核释放出了一个由2个中子和2个质子组成的α粒子，同时其原子序数也会减2。

我们都知道，在宇宙四大基本力之中，强相互作用力排名第一，这种力就存在于原子核之内，它的作用就是将组成原子核的质子和中子紧紧地束缚在一起，这就意味着，在原子核内存在着一种由强相互作用力打造的“势垒”，在原子核内的微观粒子必须要有足够的能量才可以从原子核跑出去。

然而实际情况却是，α衰变所产生的α粒子根本就没有足够的能量，那它又是怎么从原子核里跑出来的呢？其实对于这个问题，当时的科学家们纠结了很长一段时间，直到1928年，美国物理学家乔治.伽莫夫（George Gamow）才利用量子隧穿效应完美地解释了这个现象，并在此基础上推导出了描述α衰变的相关方程式。

注意，量子隧穿效应并非只存在于α衰变中，其实在1927年，德国物理学家弗里德里希.洪德（Friedrich Hund）在计算“双阱”电势的基态能量时就注意到了量子隧穿现象，而在同一年，美国物理学家沃尔夫冈.诺得汉（Wolfgang Nordheim）在观察电子从各种表面的反射情况时，又发现了另一种量子隧穿现象——“场电子发射”。

时至今日，人们早已对各式各样的量子隧穿现象习以为常，甚至在一些领域里，这种在量子世界里真实存在的“穿墙术”还得到了实际应用，其中最典型的例子，就是我们所使用的用于观察和定位原子的扫描隧道显微镜（STM）。

这种显微镜的原理就是利用原子级的导电探针来扫描材料的表面，当材料原子和针头之间距离足够近时，就会产生量子隧穿效应，进而形成隧道电流，而随着针头位置的改变，这种隧道电流就会出现差异，将这些数据收集起来再加以分析，我们就可以建立起一个非常详细的表面图片了。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们 ，我们下次再见`

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中科院研发异质结隧穿晶体管，用于更低功耗的半导体器件技术中

他叫苗金水，目前的工作单位也是自己获得硕士学位的地方。2014 年，在中科院读完硕士之后，他来到美国密歇根州立大学攻读电子工程博士，后在宾夕法尼亚大学完成博士后研究。

2020 年 9 月，他回到自己曾经读书的地方——中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，从当初的学生蜕变为老师，担任研究员、博士生导师。

图 | 苗金水（来源：苗金水）

近日，苗金水团队设计出一款基于二维原子晶体和硅半导体的范德华异质结隧穿晶体管，借此在栅极与漏极电压协同调控下，研究了隧穿电子的输运行为，获得了高电流密度和低功耗的晶体管。

据介绍，通过电容耦合的栅极静电场调控半导体异质结的能带结构，可以有效调控电子的带带隧穿效率。实验中，隧穿晶体管获得了最低 6.4mV/decade 的极低亚阈值摆幅，以及较高的电流开关比（106）和开态电流密度。

对于二维原子晶体与体半导体范德华异质结构在高性能电子与光电子器件的应用上，这一成果提供了理论与实验基础。

此外，考虑到二维原子晶体的晶圆级外延技术的不断发展，二维原子晶体与体半导体的混合维度异质集成方法，为下一代高性能、低功耗电子与光电子器件的研制带来了光明前景。

在电子器件方面，这种范德华异质结器件兼具低功耗和三维集成等优点，而这也是目前集成芯片的主流发展方向，因此有望用于更高集成的半导体芯片技术上。

在光电子器件方面，例如光电探测器，当下也正朝着更高分辨率、更低功耗、更小体积、更高性能的方向发展，而此次提出的二维原子晶体与三维体半导体的范德华异质结构，在光电子调控和输运方面同样表现出优异的特性，因此有潜力用于光电子芯片技术上。

对于相关论文评审专家表示，该工作将二维原子晶体优异的局域场调控特性、与硅半导体完善的掺杂技术完美结合了起来。呈现出了令人信服的结果，其中包括极低的亚阈值摆幅、高的开关比和开态电流。

器件的高性能进一步证明了二维原子晶体/硅半导体异质结清晰的能带边界、以及高质量的异质界面。

总体而言，该工作代表着超低功耗和大规模逻辑开关设计的突破，报告了令人振奋的新结果，将推动电子学领域的发展。

（来源：Nature Electronics）

为研制高性能电子或光电子器件提供新思路

据介绍，当前的半导体芯片由数十亿个晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）组成。

晶体管就像水龙头一样，而流经晶体管的电流就像水流，通过栅极电压控制晶体管沟道的电流，可以实现开启（高电流态）和关闭（低电流态）状态，输出二进制“1”和“0”信号，进而完成各种复杂的逻辑计算功能。

栅极电压对晶体管电流的控制能力，主要通过亚阈值摆幅表示，其单位为 mV/decade，即实现电流一个量级的变化所需要施加的栅极电压大小。显然，亚阈值摆幅越小，晶体管工作所需要施加的栅极电压就会越小，芯片的功耗就越低。

然而，室温下晶体管的亚阈值摆幅受玻尔兹曼热力学极限的制约，难以突破 60mV/decade 的理论极限。

另外，随着晶体管尺寸的不断微缩，密度不断增加，功耗大大增加。因此，降低功耗成为半导体芯片技术发展长期面临的巨大挑战。

针对这一挑战，隧穿晶体管（Tunnel Field-Effect Transistor, TFET）的概念被提出来。与传统晶体管的热电子发射理论相比，隧穿晶体管可以通过控制电子的隧穿过程，实现晶体管的开启和关闭。

隧穿过程表现为电子总能量低于能量势垒时，也存在一定的几率穿越过势垒，是一种典型的量子化行为。

这种量子隧穿机制不符合人们的常规经验，但却赋予了微观粒子和晶体管器件无限的可能，可以突破亚阈值摆幅的理论极限，实现更低功耗的半导体芯片。

过去几十年间，隧穿晶体管吸引了众多学者的关注，基于硅和 III-V 族半导体异质结的隧穿晶体管已被成功研制出来。

但是，受限于隧穿界面结构的质量以及隧穿电子的调控效率，使得隧穿晶体管难以满足应用需求，是该领域亟需解决的关键科学问题。

针对这些问题，苗金水团队设计并研制了上述晶体管。二维原子晶体的厚度在纳米量级（比普通 A4 纸薄 1000 倍以上），在这一微观尺度下材料表现出了很多独特的物理特性。这为二维原子晶体与硅半导体集成、以及研制高性能电子或光电子器件提供了新思路。

一方面，二维原子晶体表面无悬挂键，易与体半导体（硅、锗、III-V 族、Ⅱ-Ⅵ 族）集成，形成低缺陷范德华异质界面、以及局域场可调控的能带结构和电子浓度，这为实现更低的亚阈值摆幅提供了可能。

另一方面，硅半导体成熟的工艺和多样化应用场景，也为研制基于二维原子晶体/硅半导体异质结多功能器件，提供了更多的可能性。

近日，相关论文以《基于二维金属硒化物和三维硅的异质结隧道三极管》（Heterojunction tunnel triodes based on two-dimensional metal selenide and three-dimensional silicon）为题发表在 Nature Electronics 上，苗金水是第一作者兼通讯作者，美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系教授迪普·贾里瓦拉（Deep Jariwala）担任共同通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）

面向国家重大需求，开展红外光电探测器研究

苗金水表示，二维原子晶体与三维体半导体的异质集成，结合了不同维度材料体系的各自优势，不仅能够应用于低功耗晶体管。同时，相关结构和思路也可用于光电子领域、特别是光电探测器方面。

目前，他所在的中科院上海技物所红外物理国家重点实验室，主要面向国家重大需求，开展红外光电探测器领域的研究。

所以，其下一步的主要计划是将这种混合维度异质集成的结构，应用在高性能红外光电探测器领域。

他的另一个研究方向是仿生智能红外光电芯片，通过模仿人类的视觉系统（视网膜和大脑神经网络），结合三维堆叠技术，将类视网膜的红外光电探测器与类脑的神经网络硬件进行一体化集成，实现仿生的红外感存算一体化集成芯片。

目前，他和团队提出了不同维度材料体系异质集成的方法，非常适用于构筑三维结构的仿生红外感存算一体化集成器件。

“回国从事科研工作，有种当家作主的感觉”

而关于回国发展，苗金水讲了这样一个故事：“我们中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室有这么一位老先生，他在新中国成立之前留学美国芝加哥大学，并在高压物理领域取得了卓悦的成就。

新中国成立之后他更是毫不犹豫地放弃了在美国的优越生活和科研条件，放弃了继续攻读博士的机会，成为了我们新中国成立后留美留学生中第一批回国的 11 人之一。”

这位老先生就是中国半导体学科和红外学科创始人之一的汤定元院士。20 世纪 50 年代初，中国正处于百废待兴的时刻，回国之后的汤定元很快注意到事关国防建设的核心红外科学与技术在国内几乎为空白状态，于是他一连给国家有关部门写了“三封信”。

正是由于他的建议，红外技术与应用光学并列成为国家的科研发展重点。“在他的带领下，我们中科院上海技物所成为了红外探测方向的主要科研单位。

直到今天，业内人士仍用‘力挽狂澜’和‘中流砥柱’来形容汤定元先生，他是我国红外科学领域当之无愧的奠基人。”苗金水说。

图 | 汤定元院士（来源：资料图）

随着汤定元的这三封信，中国红外技术从基础研究发展至空间应用等广阔领域。

“而在 2011 年至 2014 年，我在上海技物所红外物理国家重点实验室攻读硕士研究生的时候，汤先生的这种为国为民的‘科学家精神’就一直影响着我。”苗金水表示。

他继续说道：“当今中国已经为我们青年人才创造了最好的条件，现阶段我们的科研条件要比老一辈科学家年轻时候好太多，我们没有理由不回国。

中国科学院也积极响应国家号召，出台了很多扶持青年人才的政策，例如中国科学院‘基础研究十条’，就提出要加快建设面向 2030、以青年科学家为主体的高水平基础研究人才队伍。”

而苗金水目前从事的红外光电探测芯片领域，被广泛应用于国防安全、深空探测、夜间监测、红外遥感等领域，正是国家急需的重大战略研究方向。

他补充称：“回国从事科研工作，有种当家作主的感觉。同时，作为一名中科院的科研工作者，我们更要有作为‘国家队’‘国家人’、心系国家事、肩扛国家责的精神。”

参考资料：

1.Miao, J., Leblanc, C., Wang, J. et al. Heterojunction tunnel triodes based on two-dimensional metal selenide and three-dimensional silicon. Nat Electron 5, 744–751 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00849-0