Reflection and Transmissionat Potential StepReflection and Transmissionat Potential Step
 Outline
- Review: Particle in a 1-D Box
- Reflection and Transmission - Potential Step
- Reflection from a Potential Barrier
- Introduction to Barrier Penetration (Tunneling)
Reading and Applets:
   .Text on Quantum Mechanics by French and Taylor
   .Tutorial 10 – Quantum Mechanics in 1-D Potentials
Schrodinger: A Wave Equation for Electrons
(free-particle)
(free-particle)
..The Free-Particle Schrodinger Wave Equation !
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Erwin Schrödinger (1887–1961)
Erwin_Schrödinger.jpg
Image in the Public Domain
Schrodinger Equation and Energy Conservation
The Schrodinger Wave Equation
The quantity ||2 dx is interpreted as the probability that the particle can befound at a particular point x  (within interval dx)
0
x
L
n=3
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
© Dr. Akira Tonomura, Hitachi, Ltd., Japan. All rights reserved. This content isexcluded from our Creative Commons license. For more information, seehttp://ocw.mit.edu/fairuse.
txp_fig
txp_fig
txp_fig
EIGENENERGIES for1-D BOX
EIGENSTATES for1-D BOX
PROBABILITYDENSITIES
Schrodinger Equation and Particle in a Box
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
WaveDist3.jpg
WaveDist1.jpg
WaveDist2.jpg
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
ProbDist2.jpg
ProbDist1.jpg
ProbDist3.jpg
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Semiconductor Nanoparticles
Red: bigger dots!
Blue: smaller dots!
Semiconductor Nanoparticles
(aka: Quantum Dots)
Determining QD energyusing the Schrödinger Equation
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Core Shell
Core
Quantum
Dot
LRED QD
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
LBLUE QD
Photo by J. Halpert
Courtesy of M. Bawendi Group, Chemistry, MIT
Solutions to Schrodingers Equation
The kinetic energy of the electron is related to thecurvature of the wavefunction
Tighter confinement
Nodes in wavefunction
Higher energy
Higher energy
The n-th wavefunction (eigenstate) has (n-1) zero-crossings
Even the lowest energy bound state requires some wavefunctioncurvature (kinetic energy) to satisfy boundary conditions
latex-image-1.pdf
            corresponds to a physically meaningful quantity –
- the probability of finding the particle near x
                 is related to the momentum probability density -
- the probability of finding a particle with a particular momentum
PHYSICALLY MEANINGFUL STATES MUST HAVE THE FOLLOWING PROPERTIES:
(x) must be single-valued, and finite
(finite to avoid infinite probability density)
(x) must be continuous, with finite d/dx
(because d/dx is related to the momentum density)In regions with finite potential, d/dx must be continuous
(with finite d2/dx2, to avoid infinite energies)
There is usually no significance to the overall sign of (x)
(it goes away when we take the absolute square)
(In fact, (x,t) is usually complex !)
The Wavefunction
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
(x)
x
L
In what energy level is the particle?  n = …
What is the approximate shape of thepotential V(x) in which this particle isconfined?
(a)
V(x)
E
L
(b)
V(x)
E
L
(c)
V(x)
E
L
(a)  7
(b)  8
(c)  9
Solutions to Schrodingers Equation
WHICH WAVEFUNCTION CORRESPONDS TO WHICH POTENTIAL WELL ?
(A)
(B)
(C)
(1)
(2)
(3)
NOTICE THAT FOR FINITE POTENTIAL WELLS WAVEFUNCTIONS ARE NOT ZERO AT THE WELL BOUNDARY
A SimplePotential Step
Region 1
Region 2
CASE I : Eo > V
In Region 1:
In Region 2:
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
A SimplePotential Step
CASE I : Eo > V
     is continuous:
        is continuous:
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Region 1
Region 2
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
A SimplePotential Step
CASE I : Eo > V
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Region 1
Region 2
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Quantum Electron Currents
Given an electron of mass
that is located in space with charge density
 and moving with momentum             corresponding to
… then the current density for a single electron is given by
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
A SimplePotential Step
CASE I : Eo > V
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Region 1
Region 2
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
A SimplePotential Step
CASE I : Eo > V
1
1
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Region 1
Region 2
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Cu111 steps
Cu111 steps
IBM Almaden STM of Copper
Image originally created by the IBM Corporation.
© IBM Corporation. All rights reserved. This content is excluded from our Creative Commonslicense. For more information, see http://ocw.mit.edu/fairuse.
assembly of the corall
IBM Almaden
Image originally created by the IBM Corporation.
© IBM Corporation. All rights reserved. This content is excluded from our Creative Commonslicense. For more information, see http://ocw.mit.edu/fairuse.
many coralls
IBM Almaden
Image originally created by the IBM Corporation.
© IBM Corporation. All rights reserved. This content is excluded from our Creative Commonslicense. For more information, see http://ocw.mit.edu/fairuse.
A SimplePotential Step
CASE II : Eo < V
In Region 1:
In Region 2:
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Region 1
Region 2
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
A SimplePotential Step
     is continuous:
        is continuous:
CASE II : Eo < V
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Region 1
Region 2
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
A SimplePotential Step
CASE II : Eo < V
Total reflection  Transmission must be zero
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Region 1
Region 2
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Quantum Tunneling Through a Thin Potential Barrier
Total Reflection at Boundary
Frustrated Total Reflection (Tunneling)
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
KEY TAKEAWAYS
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
Region1
Region2
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
CASE II : Eo < V
A Simple Potential Step
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
CASE I : Eo > V
txp_fig
txp_fig
txp_fig
Region1
Region2
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
txp_fig
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
txp_fig
txp_fig
TOTAL REFLECTION
PARTIAL REFLECTION
CASE II : Eo < V
txp_fig
Region 1
Region 2
Region 3
In Regions 1 and 3:
In Region 2:
A RectangularPotential Step
for Eo < V :
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
A RectangularPotential Step
for Eo < V :
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Flash Memory
Erased
1
StoredElectrons
Programmed
0
InsulatingDielectric
SOURCE
      FLOATING GATE
CONTROL GATE
CHANNEL
Tunnel Oxide
Substrate
Channel
FloatingGate
Electrons tunnel preferentially when a voltage is applied
DRAIN
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Image is in the public domain
MOSFET: Transistor in a Nutshell
Tunneling causes thin insulating layersto become leaky !
Conducting Channel
Image is in the public domain
C:\Users\Pouya\Desktop\HoytGroup\1-1.jpg
Conduction electron flow
K-14.jpg
Control Gate
Semiconductor
Image courtesy of J. Hoyt Group, EECS, MIT.
  Photo by L. Gomez
Image courtesy of J. Hoyt Group, EECS, MIT.
  Photo by L. Gomez
CONTROL GATE
FLOATING GATE
SILICON
CONTROL GATE
FLOATING GATE
UNPROGRAMMED
PROGRAMMED
To obtain the same channel charge, the programmed gate needs ahigher control-gate voltage than the unprogrammed gate
Reading Flash Memory
How do we WRITE Flash Memory ?
0
L
V0
x
Eo
metal
metal
air
gap
Question:  What will T be if we double the width of the gap?
 Example: Barrier Tunneling
Lets consider a tunneling problem:
An electron with a total energy of Eo= 6 eVapproaches a potential barrier with a height ofV0 = 12 eV.  If the width of the barrier isL = 0.18 nm, what is the probability that theelectron will tunnel through the barrier?
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
latex-image-1.pdf
Consider a particle tunneling through a barrier: 
1.  Which of the following will increase the
likelihood of tunneling?
a. decrease the height of the barrier
b. decrease the width of the barrier
c. decrease the mass of the particle
2. What is the energy of the particles that have successfully escaped?
a. < initial energy
b. = initial energy
c. > initial energy
Multiple Choice Questions
0
L
V
x
Eo
Although the amplitude of the wave is smaller after the barrier, noenergy is lost in the tunneling process
Application of Tunneling:Scanning Tunneling Microscopy (STM)
Due to the quantum effect of barrier penetration, theelectron density of a material extends beyond its surface:
material
STM tip
~ 1 nm
One can exploit thisto measure theelectron density on amaterials surface:
stm2
Sodium atoms
on metal:
STM images
Single walled
carbon nanotube:
V
E0
STM tip
material
Image originally created
by IBM Corporation
Image is in the public domain
© IBM Corporation. All rights reserved. This content is excluded from our CreativeCommons license. For more information, see http://ocw.mit.edu/fairuse.
MIT OpenCourseWare
6.007 Electromagnetic Energy: From Motors to Lasers
Spring 2011
For information about citing these materials or our Terms of Use, visit: http://ocw.mit.edu/terms.