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HAL Id: jpa-00207094

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Submitted on 1 Jan 1971

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Effet tunnel assisté par des niveaux liés

J.P. Hurault

To cite this version:

J.P. Hurault. Effet tunnel assisté par des niveaux liés. Journal de Physique, 1971, 32 (5-6), pp.421-426.

�10.1051/jphys:01971003205-6042100�. �jpa-00207094�

(2)

EFFET TUNNEL ASSISTÉ PAR DES NIVEAUX LIÉS

J. P. HURAULT

Laboratoire

d’Electronique

et de

Physique Appliquée, 3,

avenue

Descartes, 94,

Limeil-Brévannes

(Reçu

le 10 octobre

1970,

révisé le 4

janvier 1971)

Résumé. 2014 Nous étudions l’effet, sur le coefficient de transmission, de la présence d’un niveau lié virtuel à l’intérieur d’une barrière tunnel : l’augmentation du coefficient de transmission a une

variation lorentzienne en fonction de l’énergie, la largeur de cette lorentzienne étant égale à la largeur du niveau lié virtuel. La présence de plusieurs niveaux liés à l’intérieur de la barrière pourra introduire des structures de divers types dans la caractéristique courant-tension de la jonction.

Ces structures dépendent essentiellement des distributions spatiales et énergétiques des niveaux liés. Nous soulignons certaines différences entre notre traitement et d’autres théories récentes.

Si nous pouvons comparer avec succès notre approche aux expériences de Parker et Mead, une comparaison plus détaillée avec l’expérience nécessite une description expérimentale précise de la

structure de la barrière.

Abstract. 2014 We present a three dimensional treatment of the effect, on the transmission coeffi-

cient, of the présence of a virtual bound state inside a tunneling barrier. We find that the présence of this bound state assists the tunneling process. The increment of the transmission coefficient varies as a lorentzian as a function of energy and the width of this lorentzian is equal to the width

of the virtual bound state. The présence of several bound states may result in the observation of various structures in the current voltage characteristic of the junction. These structures depend mostly on the spatial and energetic distribution of the bound states. We outline some différences between our treatment and other recent theories and we compare successfully our approach to the experiments by Parker and Mead. However, a more detailed comparison with experiment could

be possible if microscopic experimental descriptions of the structure of the tunneling barriers

were available.

Classification

Physics Abstracts 17.10, 17.28

Introduction. - Il a été souvent

souligné

dans la

littérature que la

présence

d’états liés à l’intérieur d’une barrière

pouvait

favoriser considérablement le processus d’effet tunnel.

Ainsi,

l’effet tunnel résonnant

a été

invoqué

pour

expliquer

certaines structures dans l’émission de

champ

à travers les atomes adsorbés

[1], [2], [3], [4]

ou dans des

caractéristiques

d’effet

tunnel

[5], [6], [7], [8].

Cependant,

les traitements

théoriques

de ce

problème

ont été souvent soit des traitements unidimension- nels

[1], [2],

soit des traitements

phénoménologi-

ques

[4], [6], [8].

Or ce

problème

est un

problème

tridimensionnel

puisque

l’on doit considérer un niveau lié localisé situé dans la barrière. La difficulté vient alors de l’existence de ce centre diffuseur

qui

brise la

symétrie

par translation dans les directions

parallèles

à la barrière.

Le but de cet article est de

présenter

un traitement

microscopique

tridimensionnel de l’effet tunnel réson- nant à travers une barrière

plane

idéale contenant un

niveau lié localisé.

Nous exposons le

principe

de notre calcul dans la

partie

1. Dans la

partie

2, nous dérivons nos résultats

pour un

potentiel d’impureté

de

puits

carré. Le

coefficient de transmission est calculé dans la

partie

3

et les

conséquences

de notre calcul sont

analysées

dans la

partie

4.

I.

Exposé

de la méthode. - Nous considérons une

barrière idéale de

potentiel, d’épaisseur

L et de

hauteur

Uo (Fig. 1).

Si Oz est l’axe

perpendiculaire

au

plan

de la

barrière,

nous cherchons la fonction d’onde

électronique P(r)

solution de

l’équation.

Dans

l’équation (1), Uo(z)

=

Uo

pour 0 z

L, Uo

étant nul

ailleurs, V(r)

est le

potentiel

de

l’impureté

centrée en z = 1

(0

1

L)

et E est

l’énergie

de

l’électron.

L’équation (1)

peut être

également

écrite sous sa

forme

intégrale :

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003205-6042100

(3)

422

où, dans

(2),

G est solution de :

et

tp 0

est la fonction d’onde en l’absence

d’impuretés.

FIG. 1. - Représentation en coupe de la forme du potentiel

pour une barrière contenant une impureté attractive. Le plan

de section est perpendiculaire à la barrière et passe par le centre de l’impureté. Le potentiel représenté est ici un potentiel sphé- rique de puits carré. Cette figure illustre les notations utilisées

dans le texte.

Si nous supposons maintenant le

potentiel V(r) localisé,

il est suffisant de connaître

P(r)

sur le site

de

l’impureté, d’après (2)

pour connaître

Y’(r)

partout.

Lorsque l’impureté

ne

produit qu’une

faible modifi-

cation du

potentiel

de

barrière,

une méthode de

perturbation

est

suffisante,

et, sur le site de

l’impureté,

on peut supposer :

Par contre,

lorsque l’énergie

E est

proche

de

l’énergie

d’un état lié de

l’impureté,

la fonction d’onde sur le site de

l’impureté

ne doit pas être très différente de la fonction d’onde du niveau lié

correspondant, q>(r).

Nous supposerons donc que, sur le site de

l’impureté :

et nous écrivons donc

l’équation (2)

sous la forme

La détermination du coefhcient a se fait à l’aide de la méthode variationnelle

classique. Ainsi,

on trouve

aisément :

Les

intégrales figurant

dans

(8)

sont limitées à la

région

du

potentiel d’impureté.

Afin de

pouvoir

calculer a, il faut donc déterminer la forme de

G(r, r’)

quand

les

points

r et r’ sont voisins et situés tous

deux à l’intérieur de la barrière. La détermination de G peut alors être effectuée selon la méthode

indiquée

dans

[9].

Nous ne détaillerons pas ici les calculs et

nous donnerons

simplement

le résultat.

Si p

désigne

le vecteur

[(x - x’), (y - y’), 0]

et si

Z

désigne

le

module z - z’ ]

nous pouvons écrire G

sous deux

formes,

selon que 0 z

z’,

ou que

Dans

(9)

et

(10),

qo,

Ko

et

Go

sont tels que

Notons que, à l’ordre

zéro,

G est donné par le

premier

terme du membre de droite des relations

(9)

et

(10),

c’est-à-dire

l’expression (13).

Les termes

suivants ne

représentent

que des corrections d’autant

plus petites

que z’ est situé

près

du milieu de la bar- rière. Nous avions donné la forme

(13)

pour G dans

[9]

car nous n’avions pas besoin d’une détermination

plus précise

pour G.

Par contre, nous en avons besoin dans le cas

présent.

En

effet, d’après (9)

et

(10),

G peut être mis sous la forme :

où,

en ordre de

grandeur :

(4)

avec

Maintenant,

nous nous reportons à la formule

(8)

et nous remarquons

qu’au voisinage

de la résonance,

le

ket 1 Go * Vep

> est peu différent du

ket 1 ep

>. En utilisant la relation

(14),

il vient alors pour a

Pour illustrer la formule

(17),

nous allons calculer a

dans le cas d’un

puits carré, lorsque

l’état résonnant est un état s.

II. Calcul de a dans le cas d’un

puits

carré. - Nous

supposons donc que le

potentiel V

est un

potentiel sphérique

centre en 1

(0, 0,

z

= 1)

et tel que

Nous supposons de

plus

ici que l’état lié résonnant est ici un état s. C’est-à-dire que la

fonction q

a la

forme :

En supposant que la barrière s’étend

indéfiniment,

la fonction cp décrit l’état lié

d’énergie Eo.

Avec

E -

Eo,

nous calculons maintenant a en utilisant les formules

(9), (10)

et

(17).

Nous trouvons ainsi pour

lal2

Dans

(22), 00 désigne l’angle

d’incidence de l’électron

sur la barrière et AE = E -

El, Eô

étant

l’énergie

renormalisée de l’état lié. Il ne nous semble pas nécessaire de donner une forme

analytique

détaillée

pour la constante C

figurant

dans

(22). Signalons simplement

que, dans le cas

présent

Comme nous l’avons

indiqué,

la formule

(22)

est

obtenue en

supposant

1

L/2.

Plus

généralement, d’après (15)

et

(16)

nous aurons

pour 1 a12 :

Nous pouvons faire les commentaires suivants sur

cette dernière formule.

- La formule

(23)

est très semblable au résultat

obtenu par Fano

[10],

ainsi

qu’aux

formules usuelles

relatives aux états liés virtuels dans les solides

[11], [5].

Au

voisinage

de la

résonance, 1 a l’

se comporte

comme une lorentzienne en fonction de

l’énergie.

La

largeur

de l’état lié virtuel dans le cas

présent

est

égale

à 2

AE1

tel que

Cette

largeur

est d’autant

plus

faible que

l’impureté

est

plus éloignée

des électrodes et atteint son minimum

lorsque l’impureté

se situe au milieu de la barrière.

- Comme pour toute méthode

variationnelle,

il est

difficile de déterminer la limite de la validité de notre méthode.

Cependant,

notre

approche

semble d’autant

plus valable,

que

l’impureté

est située

plus

loin des

bords de la

barrière,

c’est-à-dire au milieu de la bar- rière et que la barrière est

épaisse.

A cet

égard,

on peut s’attendre à une

description théorique plus

satisfaisante des effets de résonance dans une barrière tunnel pour des

impuretés

sufbsam-

ment

éloignées

des

électrodes,

que dans le cas de l’effet de

champ

l’élargissement

des niveaux élec-

troniques

peut être

important [4].

- La formule

(22)

a été obtenue dans le cas d’un

puits

carré et d’un état résonnant s, parce que le calcul

algébrique

peut être mené

jusqu’au

bout assez facile-

ment. Bien

entendu,

une telle forme

pour 1 a l2

restera

qualitativement

valable pour d’autres formes de poten- tiel et pour d’autres types d’états

liés,

comme on peut s’en convaincre par la considération de la formule

(8) (*).

Très

généralement

nous pourrons écrire

pour 1 a 12

au

voisinage

de la résonance :

où les constantes

Cl

et

C2 dépendent

de la forme du

potentiel

et de la fonction d’onde de l’état lié considéré.

Nous avons

également supposé

une barrière carrée idéale. Dans le cas d’une barrière de

Schottky

par

exemple,

il semble raisonnable de

remplacer

les

exponentielles figurant

dans

(25)

par des

expressions équivalentes

déduites de la théorie W. K. B. J.

Après

avoir déterminé la fonction

d’onde,

nous

passons maintenant au calcul du coefficient de trans- mission d’une barrière contenant une

impureté

réson-

nante.

(*) Nous avons supposé en particulier que l’impureté avait

un potentiel d’extension finie. Cela n’est pas nécessaire ; il

suffit que la fonction d’onde ait une extension spatiale définie

ce qui est toujours réalisé pour un état lié.

(5)

424

III. Calcul du coefficient de transmission T. - Pour calculer le coefficient de

transmission,

nous avons

besoin d’évaluer les flux

03A6f

et

Ob

diffusés par

l’impu-

reté

respectivement

vers l’avant

(forward)

et vers

l’arrière

(backward).

Ces deux flux peuvent être évalués en utilisant la forme

asymptotique

de la

fonction de Green dérivée dans

[9].

Ces calculs ne

présentent

pas de difficultés.

Cependant,

avant de

présenter

les résultats pour T dans le cas

présent,

nous voulons revenir au

problème général

de l’in-

fluence d’une

impureté

située dans la barrière sur T.

a)

CALCUL DE T DANS LE CAS GÉNÉRAL. - Il a été

souvent admis que la

présence

d’une

impureté

dans

la barrière allait favoriser la transmission. De nom-

breux auteurs ont notamment

supposé

que

l’impureté

ouvrait un nouveau canal à travers la barrière

[12].

De telles

hypothèses

semblaient d’ailleurs être

justifiées

à

posteriori

par

l’expérience.

Par contre, il a été

soutenu dans

[9]

que la

présence

d’une

impureté

allait diminuer le coefficient de

transmission,

ce

qui s’opposait

à la notion de nouveau canal. Nous reconsidérerons ici le raisonnement

présenté

dans

[9]

et montrerons que c’est le concept de nouveau canal

qui

est en fait exact.

En

effet,

soit

03A6i

le flux incident sur une barrière de surface unité. Nous définissons

2f

et

03A3b

tels que :

27f, 03A3b

et Z

représentent respectivement

les sections

efficaces vers

l’avant,

vers l’arrière et totale.

En

présence

de

l’impureté,

le flux transmis

provient

de deux sources : le flux diffusé et le flux non diffusé.

Si

To

est le coefficient de transmission de la barrière

idéale,

le flux total

et

devient :

ou, en divisant les deux membres

par ei :

D’après (28)

et comme

To

est une

quantité

très

petite,

Si

l’impureté

est située à l’intérieur de la

barrière,

on peut se

persuader

aisément

que 03A3f

est

toujours supérieur

à

To 03A3b’

En

particulier,

si on

éloigne l’impu-

reté des bords de la

barrière, To lb

devient très vite

négligeable

par rapport à

03A3f

et on a :

Donc, nous augmentons le coefficient de transmission si nous

plaçons

une

impureté

à l’intérieur de la barrière.

Notons que cela n’est

plus

vrai si

l’impureté

est

située à l’extérieur de la barrière.

Enfin,

le coefficient de transmission est

pratiquement inchangé lorsque l’impureté

est située sur l’un des bords de la barrière.

Un tel résultat

s’oppose

au résultat

présenté

dans

[9].

Dans la référence

9,

les sections efficaces étaient définies par rapport au flux transmis en l’absence

d’impuretés,

ce

qui

conduisait à la conclusion

opposée.

On peut

cependant

constater que la loi de la conser-

vation du flux est vérifiée dans le cas

présent,

alors

qu’elle

ne l’est pas dans

[9].

Donc certaines des conclusions tirées dans

[9]

doivent être

annulées,

notamment les conclusions relatives à

l’asymétrie

de

la conductance de la

jonction,

en fonction de la

polarité

de la

tension,

pour des barrières dans les-

quelles

les

impuretés

sont concentrées par

exemple

sur

un seul côté de la barrière.

Nous passons maintenant à l’évaluation du coeffi- cient de transmission dans le cas

présent.

b)

EVALUATION DE T DANS LE CAS PRÉSENT. - En nous reportant à la définition

(26)

ainsi

qu’au

calcul de la forme

asymptotique

de G effectué dans

[9],

nous trouvons pour

27f

dans le cas du

puits

carré :

Lorsque

la

particule

a une incidence normale

(on

suppose

toujours

que la

particule

vient de la

gauche

de la

barrière)

Plus

généralement

nous aurons pour

If, d’après (25)

Finalement nous constatons que

l’augmentation

du

coefficient de transmission due à la

présence

d’une

impureté

résonnante à l’intérieur de la barrière est

proportionnelle (dans

le cas de l’incidence

normale) :

- A la section efficace de

sphère

dure rcb2 de

l’impureté (b

étant soit la

portée

du

potentiel,

si ce

dernier est

localisé,

soit la

portée

de la fonction d’onde pour un

potentiel

de

portée infinie).

- Au coefficient de transmission habituel.

- A un facteur

d’augmentation

de forme lorent- zienne dont la

largeur

en

énergie

est

égale

à la

largeur

de l’état lié virtuel.

(6)

Nous allons maintenant tirer les

conséquences

de

notre

analyse.

IV.

Conséquences.

- Nous avons

jusqu’à présent

étudié le coefficient de transmission pour une

particule.

Si nous nous intéressons maintenant aux situations

expérimentales auxquelles

notre traitement peut être relié

(effet tunnel,

émission de

champ, impuretés

adsorbées en surface ou situées au

voisinage

d’inter-

faces

métal-isolant)

le

problème

devient alors un

problème

à N corps. Notre traitement peut alors être valable si de tels effets peuvent être traités dans

l’approximation

du

potentiel

self-consistent

qui néglige

les effets de

corrélation,

notamment sur le site

d’impu-

reté

[5].

Dans ce cas nous pouvons

affirmer, d’après

les

chapitres précédents,

que la

présence

d’états liés dans

la barrière pourra induire des structures de diverses

natures dans les

caractéristiques j(V)

des fonctions.

De telles structures

dépendront

surtout de la

position

et de la densité de tels niveaux liés par rapport au niveau de Fermi des électrodes à tension nulle.

Supposons

par

exemple

que la barrière ne contienne

qu’une

seule

impureté

située en son milieu et que la

jonction

considérée soit une

jonction métal-oxyde-

métal à

température

nulle

(nous négligeons

les effets

supraconducteurs).

Si le niveau

d’impureté

est situé

en

énergie

à une

position

W par rapport au niveau de Fermi des deux électrodes à

l’équilibre (Fig. 2a),

on devrait observer une

augmentation

du courant

step » de

courant)

pour une

tension vo

= 2 W

(Fig. 2b).

En

effet,

pour v vo, aucun courant ne

passe par le niveau lié

virtuel,

alors

qu’un

courant

fini passe par le niveau lié virtuel pour v > vo. Cette

augmentation

devrait être associée à un

pic

dans la

courbe

dj/dv, pic

centré autour de la tension 2 vo et de

largeur égale

à la

largeur

de l’état lié virtuel corres-

pondant (Fig. 2c).

Dans la référence

[7], Esaki,

Stiles et

Chang

aflîr-

ment avoir ainsi observé de tels

pics

dans une

jonction métal-oxyde-semiconducteur

et identifient ces

pics

à

un effet tunnel résonnant à travers la série des niveaux liés

d’impuretés

situées dans la barrière. Pour

qu’il

en

soit

ainsi,

il est nécessaire que tous les niveaux d’im-

pureté

soient

alignés

à toute

tension,

ce

qui

nécessite

notamment que les

impuretés

aient les mêmes

positions

par

rapport

aux bords de la barrière. Nous ne discu- terons pas ici les détails de

préparation

des

jonctions,

mais

signalerons simplement qu’une

telle condition ne

semble pas facile à

remplir.

Nous pouvons

également

corréler les résultats

pré-

cédents à

l’expérience

de Parker et Mead

[6].

Dans

cette

expérience,

on observe deux

régimes,

l’un à

haute tension où le coefficient de transmission est

normal,

l’autre à basse tension où le coefficient de transmission est

beaucoup plus

élevé.

Dans ce dernier

régime,

tout se passe comme si la

longueur

effective de la barrière était réduite de moitié. Parker et Mead attribuent l’existence de ce

FIG. 2a. - Représentation schématique d’une fonction métal-

oxyde-métal à l’équilibre. La barrière de la jonction contient

un niveau lié situé en son milieu. La distance en énergie du

niveau lié par rapport au niveau de Fermi est égale à W.

FIG. 2b. - Représentation qualitative de la caractéristique j(v)

pour la jonction de la figure 2a.

FIG. 2c. - Représentation qualitative de la caractéristique dj/dv

en fonction de J pour la jonction de la figure 2a. l’ dénote la largeur du niveau lié.

(7)

426

second

régime

à basse tension à l’effet tunnel assisté par niveaux

liés,

dans

l’hypothèse

où les

impuretés

sont situées au milieu « effectif » de la barrière. Nous pouvons

également

retrouver ce résultat en

appliquant

la formule

(35).

En

effet,

supposons que les

impuretés

soient situées

au milieu de la barrière et soient distribuées de

façon

continue en

énergie,

leur densité en

énergie

étant

supposée

constante. Le coefficients de transmission dû à l’effet tunnel assisté par ces

impuretés

sera propor- tionnel à

Ta,

tel que

On reconnaîtra dans

l’intégrale (36)

la contribution des niveaux liés considérés au coefficient de trans- mission assisté. Nous retrouvons donc bien que le coefficient de transmission assisté est celui que l’on obtiendrait en réduisant la

longueur

de la barrière

par un facteur 2. Nous

soulignons

que ce résultat estau fait que les niveaux

d’impureté

sont distribués

de

façon continue,

une telle

hypothèse

n’étant pas

indiquée

dans la dérivation

phénoménologique

de

[6].

Finalement de nombreux types de structures pour- ront être

observés, qui dépendront

de la nature de la

barrière,

des

électrodes,

mais surtout de la

position spatiale

des

impuretés,

ainsi que de la

position

en

énergie

des niveaux liés. Ces effets

dépendront égale-

ment de la

température

et deviendront moins

abrupts

si on augmente la

température.

Une

comparaison critique

de notre

approche

avec

l’expérience

ne pourra vraiment être réalisée que si les conditions

expérimentales

permettent de

préciser

les

paramètres

ci-dessus mentionnés. Ceci semble

particu-

lièrement difficile dans le cas des

jonctions

tunnel. A

cet

égard,

la situation rencontrée dans l’effet de

champ

semble être

plus

favorable.

Conclusions. - Nous avons

présenté

une théorie

microscopique

tridimensionnelle de l’effet tunnel réson- nant par l’intermédiaire d’un niveau lié virtuel d’une

impureté

située à l’intérieur de la barrière et nous avons fait

apparaître

certaines différences entre notre théorie et des théories récentes

[4], [8].

Comme

résultat,

nous trouvons que la

présence

d’un tel niveau lié augmente le coefficient de transmission.

Cette

augmentation

a la forme d’une lorentzienne en

fonction de

l’énergie

de la

particule

incidente. Cette lorentzienne est centrée à

l’énergie

du niveau lié virtuel et sa

largeur

est

égale

à la

largeur

de l’état lié virtuel.

La

largeur

de cet état décroît

exponentiellement lorsque l’impureté s’éloigne

des bords de la barrière et est minimale

lorsque l’impureté

est située au milieu

de la barrière. De même

l’augmentation optimale

du

coefficient de transmission est obtenue

quand l’énergie

est

égale

à

l’énergie

du niveau lié virtuel et

quand l’impureté

est située au milieu de la barrière.

L’existence de

plusieurs impuretés

résonnantes dans la barrière pourra augmenter considérablement le coefficient de

transmission,

pour certaines

énergies

des

particules

incidentes et pourra conduire à l’observation de structures dans la

caractéristique j(v).

Ces structures

pourront être très

différentes,

selon la

disposition spatiale

des

impuretés

et la

disposition

en

énergie

des

niveaux liés virtuels.

Si nous avons

relier nos calculs à

l’expérience

de

Parker et

Mead,

une vérification de notre théorie ne sera

possible

que si la structure de la barrière est connue avec

précision.

Remerciements. - Nous remercions G. Schreder pour des discussions intéressantes.

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[11] FRIEDEL

(J.),

Suppl. Nuov. Cimento, 1958, 7, 287.

ANDERSON (P. W.), Phys. Rev., 1961, 124, 41.

[12] Voir par exemple :

DUKE (C.

B.),

SILVERSTEIN (S. D.), BENNETT (A. J.), Phys. Rev., 1968, 176, 969.

SCALAPINO (D.

J.),

MARCUS (S. M.), Phys. Rev.

Letters, 1967, 18, 459.

Références

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