利用纳米级氮化硼和金量子点实现量子隧穿效应

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Ⅵ 　・ 　

科 技 信 息　

正 电子 与 电子相 反 。它除 了能在 实验 室创 造 出来 ， 　 还存在 于黑洞和脉 冲 星发 出的喷 流 中。迄今 为止 ， 要产　 生研 究 用 的正 电子 ， 所 用设备 都 是很 大且 昂贵 的机 器 ， 　

如 欧洲 粒子 物理 研 究所 （ Ｃ Ｅ Ｒ Ｎ） 的粒 子加 速 器 ， 美 国劳　

伦斯 ・ 利 物 浦 国 家 实验 室 的设备 ， 通 过 向一 个微 小的金　

示： “ 以 目前 的技 术发展 形 势 看 ， １ Ｏ年 到 ２ ０年 间 ，这 种　

晶体 管不 可能 变得 更 小。 半导体 还有 另一 个先 天不 足 ， 　 即会 以热 的形式 浪 费大量 能源。 ” 　

科 学 家们 尝试 使 用 不 同材料 和 半导 体设 计 方 法 来　

解决上述问题 ， 但都与硅等半导体有关。２ ０ ０ ７ 年， 叶跃　

进 开始 另辟 蹊径 ， 制造 没有 半导体 的 晶体 管 。 叶跃进 说 ： 　 “ 我 的想 法是 用纳米尺 度 的绝缘体 并在 其 顶部 安放 纳米　 金 属 来 制 造 晶 体 管 ，我 们 选 择 了 氮 化 硼 碳 纳 米 管　

（ Ｂ Ｎ Ｎ Ｔ ｓ ） 做 基 座 。” 随后 ， 他们 使 用激 光 ， 将 直 径 为 ３纳　

盘发 射 能量 极 高 的激光 来 产 生正 电子 。其他 最新 成 果　

还有得 克萨斯大学造 出的一 台桌 面级别的加速 器， 新　

研 究就是 以此 为基础 。 　 ． 　

研 究小组 造 出的设 备 不超 过 １ 米 长 ，能产 生短 促　 的 电子和 正 电子 脉 冲 ，而黑 洞和脉 冲星发 出的 喷射 和　 该研 究报 道 的脉 冲非常相 似 。为 了产 生正 电子 ， 他们 向　

米 宽的金 量子 点 （ Ｑ Ｄ ｓ ） 置 于氮化 硼碳 纳 米 管顶 端 ， 形 成　

了量 子 点 一氮化硼 碳 纳 米 管（ Ｑ Ｄ ｓ — Ｂ Ｎ Ｎ Ｔ ｓ ） 。对 于金 量　

氦 气样 本 中发 射 一 束激 光 ，这样会 产 生一束 高速 电子　

子点来说 ， 氮化硼碳纳米管是完美的基座 ， 其尺寸小、 可　

控 而且 直径 一 致 ， 同时还 绝缘 ， 也 能对其 上 的 量子 点 大　

小进行 限制 。 　

流。那些电子在一片极薄金属箔的引导下 ， 撞进单个的 　

金 属 原 子 中 ，而这种 撞 击会 导致 一束 电子和 正 电子 流　

被 发射 出来 ， 这 两种 电子 可 以通过磁 场分 离开 来。 　 据报告， 这种 正 电子 枪 每 次 “ 开火” 持 续 时 间仅 ３ ０ 　 飞 秒（ １ 秒＝ １ ０ １ ５飞秒 ） ， 但 每 次产 生 的正 电子达 到每 立　

方厘 米 １ ０ １ ５个 ， 这 一 密度水 平 能跟 Ｃ Ｅ Ｒ Ｎ生成 的 正 电　

子 密度相媲 美。 　

研 究人 员同橡 树岭 国 家实验 室（ Ｏ Ｒ Ｎ Ｌ ） 的科 学 家们　 携手 合作 ， 在 室温下让 量子 点 一氮化硼 碳 纳米 管两端 的　 电极

通 电。有趣 的事情 发 生 了 ： 电子 非常精 确地从 一 个　

量 子点跳 到 另一 个量子 点—— 这就 是量子 隧 穿效应 。 叶　

跃进 表 示 ： “ 这种 设备 的稳 定性非 常好 。” 　

叶跃 进 团队利 用这一 设备 制造 出了一 种 晶体 管 ， 其　

研 究人 员提 议 ，他 们 的设备 可用 来模 拟 黑洞 或 脉　

冲星发 出的喷 流 ， 有 望为相 关 问题提 供 一 些解 答 ， 如 喷　

中没有半导体的“ 身影” 。当施加足够的电压时， 其会打　

开到 导 电状 态 ； 当电压 低或 关闭 时 ， 它会 恢 复到 其 天 然　

流 中各种粒子的比例 ， 它们携带的能量 ， 喷流发 出后粒　

子与环 境相 互作 用方式 等 。 　

的绝缘体 状 态。 而且 ， 这 一设备 没有 “ 漏 网之 鱼 ” ： 没有 来　 （ 来源： 科技 日报 ） 　 自金 量 子 点 的 电子逃 进 绝 缘 的 氮化 硼 碳 纳 米 管 内 ， 因 　 此， 隧道 会一 直保持 冷 的状 态。 而硅 常遇到 泄露 ， 使 电子　 设备 中的 大量能量 以热 的形式被 浪 费掉 。 　

密歇根 理工 大学的物 理 学 家约翰 ・ 雅 什查 克 为新 的　

晶体 管研 究 出了理 论框 架。他 表 示 ， 此 前也有 其他 科 学　 家利 用量子 隧 穿制 造 出了晶体 管 ， 但 这 些设备 只在 液 氦　

温度 （ ４ ． ２ Ｋ） 下工作 ， 而新设备 则 可以在 室温 下工作 。 　 叶跃进 的金 一纳米 管设 备 的秘 密就在 于“ 小” ： 其仅 　

利 用 纳 米级 氮 化 硼 和 金 量 子点　 实现 量 子 隧穿 效应　 ； 　

美首 次制造 出不使 用半导体 的 晶体 管　

有１ 微米长、 ２ Ｏ纳米宽。 雅什查克解释道： “ 这个金岛的　

宽度 必须 在纳 米级 别 ， 这样 才 能在 室温 下控 制 电子 。如　 果 它们 太大 ， 有很 多电子 可 以在 其上 流动 。从 理论上 而　

言， 当电极 之 间的距 离近到 几 分之 一微 米 时 ， 这 些 隧道　 可 以 小到接 近 零 。” 　

科技 日报 讯 据 美国每 日科 学 网站 ６月 ２ １ 　 Ｅ ｌ 报　

道 ，美 国科 学 家首 次 利 用纳 米尺度 的 绝缘 体 氮化 硼 以 　 及 金 量子 点 ， 实现 量 子 隧穿效 应 ， 制造 出 了没 有 半导 体　 的晶体 管 。该 成果 有望 开启新 的 电子设 备 时代 。 　 几十年来， 电子设 备 变得越 来越 小 ， 科 学 家们 现 已　 能将数 百 万 个半 导体 集成在 单 个硅 芯 片 上 。该研 究的　

领导者、 密歇根理 工大学的物理 学家叶跃进 （ 音译 ） 表　

（ 来源： 科技 日 报）