Tính chất truyền dẫn quang từ và tính chất nhiệt của các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (tóm tắt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN NGỌC BÍCH TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN QUANG-TỪ VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA CÁC BÁN DẪN Demo Version - Select.Pdf SDK HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Huế, 2022 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN NGỌC BÍCH TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN QUANG-TỪ VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 44 01 03 Demo Version - Select.Pdf SDK LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS HUỲNH VĨNH PHÚC PGS TS LÊ ĐÌNH Huế, 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Các liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Tác giả luận án Trần Ngọc Bích Demo Version - Select.Pdf SDK i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Ban lãnh đạo Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm, Đại học Huế tạo điều kiện học tập nghiên cứu thuận lợi, giúp tơi hồn thành chương trình học tập nghiên cứu sinh hồn thành luận án Tơi xin gửi lời tri ân Thầy, Cô môn Vật lý lý thuyết, Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu học tập nghiên cứu khoa học, giúp tơi hồn thiện thân qua khóa học nghiên cứu sinh Đặc biệt, tơi xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy giáo hướng dẫn: PGS TS Lê Đình PGS TS Huỳnh Vĩnh Phúc Hai Thầy Demo Version - Select.Pdf SDK tận tình hướng dẫn, định hướng, dìu dắt tơi bước một, động viên, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm q báu cho tơi q trình nghiên cứu để tơi đạt kết luận án lớn trưởng thành nghiên cứu khoa học công việc sống Tơi xin trân trọng cảm ơn Tập đồn Vingroup Chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ nước Quỹ Đổi sáng tạo Vingroup, Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn tài trợ học bổng cho hai năm 2020 2021 Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Ban lãnh đạo Khoa Khoa học bản, Trường Đại học Quảng Bình nơi tơi cơng tác, tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ tơi hồn thành khóa học nghiên cứu sinh Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cơ, anh chị nhóm nghiên cứu hai Thầy giáo hướng dẫn, anh chị em đồng nghiệp Trường Đại học Quảng Bình, anh chị em nghiên cứu sinh khóa đồng hành, giúp đỡ, động viên tơi q trình học tập nghiên cứu đề tài luận án ii Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn đại gia đình tơi bên cạnh, yêu thương, động viên, ủng hộ, đồng hành để tơi n tâm học tập, hồn thành khóa học nghiên cứu sinh hồn thành luận án Tôi xin bày tỏ biết ơn trân trọng Nghiên cứu sinh Trần Ngọc Bích tài trợ Tập đồn Vingroup hỗ trợ chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ nước năm 2020 năm 2021 Quỹ Đổi sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (VinBigdata), mã số VINIF.2020.TS.72 VINIF.2021.TS.063 Tác giả luận án Trần Ngọc Bích Demo Version - Select.Pdf SDK iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục vi Danh mục từ viết tắt vii Danh mục hình vẽ xii Danh mục bảng biểu xiii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 10 Tổng quanVersion bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp 10 Demo - Select.Pdf SDK 1.1.1 Giới thiệu vật liệu bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp 10 1.1.2 Hàm sóng phổ lượng electron bán dẫn TMDC đơn lớp 12 1.1.3 Biểu thức Hamiltonian tương tác electron-phonon bán dẫn TMDC đơn lớp 21 1.1.4 1.2 Phonon bán dẫn TMDC đơn lớp 23 Tổng quan tính chất truyền dẫn quang-từ 26 1.2.1 Hệ số hấp thụ quang-từ ảnh hưởng tương tác electron-phonon 26 1.2.2 Độ rộng phổ hấp thụ Phương pháp profile 31 1.2.3 Hệ số hấp thụ quang-từ độ thay đổi chiết suất tuyến tính phi tuyến 33 1.3 Tổng quan tính chất nhiệt 44 iv 1.4 1.3.1 Tốc độ mát lượng electron 44 1.3.2 Công suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo 48 Kết luận chương 52 Chương TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐƠN LỚP DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ELECTRON-PHONON 2.1 53 Biểu thức giải tích hệ số hấp thụ quang-từ ảnh hưởng tương tác electron-phonon quang 53 2.2 Biểu thức giải tích hệ số hấp thụ quang-từ ảnh hưởng tương tác electron-phonon âm 56 2.3 Kết tính số thảo luận 58 2.3.1 Phương pháp tính số 58 2.3.2 Khảo sát hệ số hấp thụ quang-từ 59 2.3.3 Khảo sát độ rộng phổ hấp thụ Demo Version - Select.Pdf SDK 63 2.4 Kết luận chương 66 Chương TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ TUYẾN TÍNH VÀ PHI TUYẾN CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐƠN LỚP 3.1 67 Biểu thức giải tích hệ số hấp thụ quang-từ tuyến tính phi tuyến 67 3.2 Biểu thức giải tích độ thay đổi chiết suất tuyến tính phi tuyến 70 3.3 3.4 Kết tính số thảo luận 70 3.3.1 Hấp thụ quang-từ nội vùng 71 3.3.2 Hấp thụ quang-từ liên vùng 79 Kết luận chương 83 v Chương TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐƠN LỚP 4.1 84 Tốc độ mát lượng electron ảnh hưởng tương tác electron-phonon 84 4.1.1 Biểu thức giải tích tốc độ mát lượng electron 84 4.1.2 4.2 4.3 Kết tính số thảo luận 87 Công suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo 98 4.2.1 Biểu thức giải tích cơng suất nhiệt-từ 98 4.2.2 Kết tính số thảo luận 100 Kết luận chương 108 KẾT LUẬN CHUNG 109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 111 Version TÀI LIỆUDemo THAM KHẢO- Select.Pdf SDK 113 PHỤ LỤC P1 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 2D Dimensions Hai chiều 2DEG 2-Dimensional Electron Gas Khí điện tử hai chiều AC Acoustic Âm học ADP Acoustic Deformation Potential Th bin dng õm hc BG Bloch-Gră uneisen Bloch-Gră uneisen DoS Density of States Mật độ trạng thái DP Deformation Potential Thế biến dạng ELR Energy-Loss Rate Tốc độ mát lượng FWHM Full-Width at Half-Maximum Độ rộng phổ toàn phần Demo Version - Select.Pdf SDK nửa cực đại HP HomoPolar Đơn cực LA Longitudinal Acoustic Âm dọc LO Longitudial Optical Quang dọc MOAC Magneto-Optical Absorption Coefficient Hệ số hấp thụ quang-từ OAC Optical Absorption Coefficient Hệ số hấp thụ quang ODP Optical Deformation Potential Thế biến dạng quang học OP Optical Quang học PE Piezo-Electric Áp điện RIC Refractive Index Change Độ thay đổi chiết suất TA Transverse Acoustic Âm ngang TMDC Transition-Metal Dichalcogenides Kim loại chuyển tiếp nhóm dichalcogenides TO Transverse Optical Quang ngang vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình MX2 đơn lớp 11 Hình 1.2 Sự phụ thuộc vào từ trường mức Landau TMDC đơn lớp, có điện trường e∆z = 37.75 meV/d đặt vào trường Zeeman spin vùng Các hình phía trên: (a), (c), (e), (g) hình phía dưới: (b), (d), (f), (h) tương ứng biểu diễn vùng dẫn vùng hóa trị vật liệu Kí hiệu K (K ) ↑ (↓) biểu thị trạng thái điện tử vùng K (K ) với spin hướng lên (hướng xuống) 20 Hình 1.3 Độ rộng vạch phổ tính từ đồ thị hệ số hấp thụ phụ thuộc vào lượng photon 32 Demo Version - Select.Pdf SDK Hình 2.1 Sự phụ thuộc vào lượng photon MOAC TMDC đơn lớp ảnh hưởng tương tác electron-phonon âm quang ứng với giá trị từ trường khác Kết tính T = K, e∆z = 37.75 meV/d, spin hướng lên Zs , Zv = Các kí hiệu "ac" "op" tương ứng tán xạ phonon âm quang 60 Hình 2.2 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ giá trị đỉnh MOAC TMDC đơn lớp gây tán xạ phonon âm (kí hiệu "ac"), phonon quang (kí hiệu "op") tán xạ tạp chất (kí hiệu "im" với hệ số 104 ) Kết tính B = 10 T, e∆z = 37.75 meV/d, spin hướng lên Zs , Zv = 62 Hình 2.3 Sự phụ thuộc vào từ trường FWHM đỉnh cộng hưởng hình 2.1 63 viii Hình 2.4 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ FWHM gây tán xạ phonon vật liệu TMDC Kết tính trường hợp e∆z = 37.75 meV/d, spin hướng lên, Zs , Zv = B = 10 T 65 Hình 3.1 Sự phụ thuộc vào lượng photon MOAC TMDC đơn lớp gây dịch chuyển nội vùng dẫn điều kiện d∆z = B = 10 T ứng với spin hướng lên hướng xuống Các hình (a), (b), (c), (d) MOAC tuyến tính hai trường hợp khơng có xét đến trường Zeeman Các hình (e), (f), (g), (h) MOAC tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng xét đến trường Zeeman 72 Hình 3.2 Sự phụ thuộc vào lượng photon MOAC TMDC đơn lớp gây dịch chuyển nội vùng dẫn điều kiện d∆z = 0, Zs , Zv = spin hướng lên ứng với giá trị từ trường khác Các hình (a), (b), (c), (d) biểu diễn MOAC tuyến tính.Version Các hình- (e), (f), (g), (h) MOAC tuyến tính, phi Demo Select.Pdf SDK tuyến bậc ba tổng 74 Hình 3.3 Sự phụ thuộc vào lượng photon MOAC tuyến tính TMDC đơn lớp gây dịch chuyển nội vùng dẫn điều kiện B = 10 T, Zs , Zv = spin hướng lên ứng với hai giá trị khác điện trường: d∆z = 0, d∆z = (λv − λc )/4 75 Hình 3.4 Sự phụ thuộc vào lượng photon RIC tuyến tính, phi tuyến tổng TMDC đơn lớp gây dịch chuyển nội vùng dẫn điều kiện B = 10 T, Zs , Zv = d∆z = ứng với hai trạng thái spin hướng lên hướng xuống 77 Hình 3.5 Sự phụ thuộc vào lượng photon RIC tuyến tính, phi tuyến tổng TMDC đơn lớp gây dịch chuyển nội vùng dẫn trạng thái spin hướng lên, Zs , Zv = d∆z = ứng với giá trị khác từ trường 78 ix Hình 3.6 Sự phụ thuộc vào lượng photon MOAC tuyến tính, phi tuyến tổng TMDC đơn lớp gây dịch chuyển liên vùng điều kiện d∆z = 0, Zs , Zv = spin hướng lên: hình (a), (b), (c), (d) B = 10 T, hình (e), (f), (g), (h) biểu diễn ba dịch chuyển liên vùng ba giá trị khác từ trường 80 Hình 3.7 Sự phụ thuộc vào lượng photon RIC tuyến tính, phi tuyến tổng TMDC đơn lớp gây dịch chuyển liên vùng điều kiện d∆z = 0, Zs , Zv = spin hướng lên: hình (a), (b), (c), (d) B = 10 T, hình (e), (f), (g), (h) biểu diễn ba dịch chuyển liên vùng ba giá trị khác từ trường 82 Hình 4.1 Sự phụ thuộc vào từ trường ELR MoS2 đơn lớp chế tương tác electron-phonon âm khác (các hình (a), (b) (d)) -vàSelect.Pdf với giá trị mật độ electron khác Demo Version SDK (hình (c)) Hình (a) (b) có tính đến hiệu ứng chắn, hình (c) (d) khơng tính đến hiệu ứng chắn Kết thu Te = K T = K trạng thái điện tử khác nhau: hình (a) (c): Zs , Zv , d∆z = 0; hình (b) (d): Zs , Zv = 0, d∆z = (λv − λc )/4 Hình 4.2 89 Sự phụ thuộc vào từ trường ELR TMDC đơn lớp gây tương tác electron với phonon LA-DP khơng tính đến hiệu ứng chắn Kết thu Te = K, T = K, Zs , Zv = 0, d∆z = (λv − λc )/4 ne = n0 x 91 Hình 4.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ electron Te ELR gây tương tác electron với phonon âm với chế tương tác khác (hình (a) (b)), với giá trị mật độ electron khác (hình (c)), với giá trị nhiệt độ mạng tinh thể khác (hình (b) (c)) vật liệu TMDC khác (hình (d)) Kết thu Zs , Zv = 0, d∆z = (λv −λc )/4 B = T Dấu (•) đánh dấu nhiệt độ BG tương ứng 92 Hình 4.4 Sự phụ thuộc vào vectơ sóng phonon q tốc độ tán xạ electron-phonon quang Γ(q) đối với: (a) tương tác khác nhau, (b) nhiệt độ electron khác nhau, (c) mật độ electron khác (d) vật liệu khác 94 Hình 4.5 Sự phụ thuộc vào từ trường ELR gây tán xạ electron-phonon quang theo chế ODP bậc không Kết thu trường hợp Zs , Zv = 0, d∆z = (λv − λc )/4, ne = n0 , Te = 300 K, T = 4.2 K τp = ps 96 Demo Version - Select.Pdf SDK Hình 4.6 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ electron ELR đối với: (a) chế liên kết khác nhau, (b) vật liệu khác nhau, (c) (d): giá trị mật độ electron khác Kết thu trường hợp Zs , Zv = 0, B = T, d∆z = (λv − λc )/4, T = 4.2 K 97 Hình 4.7 Sự phụ thuộc mật độ trạng thái mức Fermi, DF , vào từ trường đối với: (a) trạng thái với cách định hướng spin vùng khác nhau, ne = n0 (b) giá trị mật độ electron khác nhau, γ = 0.2 meV T−1/2 100 xi Hình 4.8 Sự phụ thuộc công suất nhiệt-từ gây hiệu ứng g phonon-kéo MoS2 đơn lớp, Sxx , vào từ trường: (a) đóng góp từ trạng thái với cách định hướng spin vùng khác nhau, γ = 0.2 meV T−1/2 , (b) chế tương tác electron-phonon g khác Hình hình (a) Sxx gây tương tác TA-DP ứng với giá trị khác γ Kết tính ne = n0 T = K 102 Hình 4.9 Sự phụ thuộc công suất nhiệt-từ gây tương tác g phonon TA-DP, Sxx , vào từ trường: (a) với giá trị nhiệt độ khác ne = 1012 cm−2 , (b) với giá trị mật độ electron khác T = K 104 g Hình 4.10 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ cơng suất nhiệt-từ, Sxx , đóng góp từ chế tương tác electron-phonon khác tổng hợp chế, ne = n0 B = T Các dấu chấm (•) đánh dấu TBG tương ứng với nhánh phonon 106 Demo Version - Select.Pdf SDK g Hình 4.11 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ công suất nhiệt-từ Sxx , số g ∼ T δe Hình (a) (b) với giá mũ δe quy luật −Sxx trị từ trường khác ne = n0 Hình (c) (d) với giá trị mật độ electron khác B = T 107 xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng thông số đặc trưng cho tương tác spin-quỹ đạo nửa độ rộng vùng cấm TMDC đơn lớp Bảng 1.2 11 Bảng giá trị thông số liên quan đến tương tác electron- phonon TMDC đơn lớp 24 Bảng 2.1 Bảng giá trị để tính số MOAC cho TMDC đơn lớp Bảng 4.1 Bảng giá trị để tính số ELR cho MoS2 đơn lớp 88 Bảng 4.2 Bảng giá trị để tính số ELR cho TMDC đơn lớp 88 Demo Version - Select.Pdf SDK xiii 59 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, graphene nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu vật liệu sở hữu tính chất điện tử khác biệt [1] Tuy nhiên, cấu trúc vùng lượng graphene khơng có vùng cấm, đồng thời tương tác spin-quỹ đạo vật liệu yếu Những nhược điểm hạn chế khả ứng dụng graphene việc chế tạo thiết bị quang điện tử Chẳng hạn, cấu trúc khơng có vùng cấm nên tỷ số dịng đóng/mở graphene có giá trị thấp [2],[3] Chính thế, việc nghiên cứu chuyên sâu vật liệu có cấu trúc tương tự graphene tính chất ưu việt khắc phục chế của-graphene cần thiết Các ứng viên tiềm Demohạn Version Select.Pdf SDK trường hợp vật liệu hai chiều (2D) có vùng cấm hữu hạn silicene [4],[5], germanene [6] bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (transition-metal dichalcogenides-TMDC) có cơng thức hóa học MX2 , với M = Mo, W; X = S, Se [7],[8],[9],[10],[11],[12],[13] Trong số vật liệu có khả thay graphene, ý đến bán dẫn TMDC chúng có tính chất vật lý đặc biệt, hứa hẹn tiềm cao ứng dụng công nghệ quang điện tử có sức thu hút mạnh mẽ nhà nghiên cứu Thứ nhất, cấu trúc vùng lượng vật liệu TMDC đơn lớp có cặp thung lũng (valley) không đối xứng điểm K K , vùng dẫn vùng hóa trị phân tách vùng cấm thẳng có độ rộng nằm khoảng từ vùng hồng ngoại gần đến vùng khả kiến Độ rộng vùng cấm MoS2 , WS2 , MoSe2 WSe2 1.66, 1.80, 1.48 1.6 (eV) [13] Thứ hai, bán dẫn TMDC có tương tác spin-quỹ đạo mạnh thể giá trị đặc trưng độ dịch chuyển lượng tương tác spin vùng hóa trị vùng dẫn [14] Một đặc điểm thú vị khác vật liệu TMDC phụ thuộc cấu trúc vùng lượng vào số lớp: thay đổi từ cấu trúc có vùng cấm xiên hệ đa lớp đến cấu trúc có vùng cấm thẳng hệ đơn lớp [15] Những đặc trưng khác biệt khiến cho họ vật liệu TMDC sở hữu đặc tính điện tử quang học đáng ý [16] chủ đề nghiên cứu quan trọng năm gần Việc ứng dụng hệ có vùng cấm thẳng bán dẫn TMDC đơn lớp cho phép thiết bị quang điện tử tách sóng quang, pin mặt trời, diodes phát quang tận dụng exciton trung hòa exciton mang điện chất bán dẫn 2D [17],[18],[19],[20] Có thể nói rằng, ứng dụng bật bán dẫn vùng cấm thẳng tích hợp nguồn ánh sáng quang lượng tử dựa ống dẫn sóng quang học cộng hưởng [21],[22],[23] Gần người ta chứng minh MoS2 đơn lớp, bán dẫn TMDC điển hình, có độ linh động hạt tải ổn định nhiệt độ cao nên có khả tương thích tốt với công nghệ bán dẫn tiêu chuẩn [24] Với Demo Version - Select.Pdf SDK đặc tính bật, MoS2 đơn lớp có tiềm lớn nhiều ứng dụng, bao gồm phát quang vùng bước sóng khả kiến [25],[26], tách sóng quang với độ nhạy cao transistor liên kết [27],[28] Gần đây, Reed cộng chứng minh nguồn sáng với bước sóng tích hợp ngắn kích thích khả phát xạ MoS2 [29] Nghiên cứu mở đường cho công nghệ nano-photonic hệ nhằm chế tạo hệ cảm biến quang học có mơi trường hoạt động thang ngun tử Các tính chất quang bán dẫn thấp chiều thể ứng dụng thú vị thiết bị quang điện tử vi điện tử [30],[31],[32],[33],[34] Các ảnh hưởng phi tuyến hệ thấp chiều, đặc biệt có từ trường mạnh so với vật liệu khối hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh [35],[36],[37] Vì thế, tính chất hấp thụ quang-từ tuyến tính phi tuyến thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu khảo sát vật liệu thấp chiều giếng lượng tử, dây lượng tử, chấm lượng tử [38],[39],[40],[41],[42], graphene [43] hệ đơn lớp hai chiều khác, cụ thể phosorene đơn lớp [44] MoS2 đơn lớp [45],[46] Kết nghiên cứu cho thấy tính chất hấp thụ quang-từ khơng phụ thuộc vào cấu trúc hệ mà chịu ảnh hưởng mạnh từ trường Tuy nhiên, kết thú vị chưa khảo sát cách đầy đủ vật liệu họ TMDC khác MoSe2 , WS2 WSe2 Trong đó, nghiên cứu rằng, với đặc tính chịu ảnh hưởng mạnh trường Zeeman vùng cấm thẳng rộng, vật liệu TMDC thể phản ứng quang xảy vùng hồng ngoại gần vùng ánh sáng khả kiến [47] Điều hoàn toàn khác so với hệ thấp chiều thơng thường [48] graphene [49],[50] Vì thế, chúng tơi muốn nghiên cứu sâu có hệ thống tính chất truyền dẫn quang-từ bán dẫn họ TMDC, có tính đến ảnh hưởng trường Zeeman Bên cạnh tính chất truyền dẫn quang-từ, chúng tơi cịn bị thu hút tính chất nhiệt hệ điện tử bán dẫn thấp chiều Các đại lượng đặc trưng Demo Version - Select.Pdf SDK cho tính chất nhiệt vật liệu thường quan tâm nghiên cứu tốc độ mát lượng electron công suất nhiệt-từ Tốc độ mát lượng electron nóng (hot-electron) công suất làm lạnh electron (electron cooling power) ảnh hưởng tương tác electron-phonon nghiên cứu bán dẫn khối [51],[52], hệ khí điện tử hai chiều (2DEG) thông thường [53],[54],[55], graphene hai lớp [56],[57],[58], silicene [59], MoS2 đơn lớp TMDC khác [60], bán kim loại Dirac ba chiều [61] graphene hai lớp xoắn [62] Kết nghiên cứu cung cấp nhìn sâu sắc trao đổi nhiệt electron phonon vật liệu Trong tất nghiên cứu này, tốc độ mát lượng electron khảo sát điều kiện khơng có từ trường Tuy nhiên, nghiên cứu hệ 2DEG đặt từ trường cho thấy tốc độ mát lượng dao động theo từ trường [63],[64],[65] Như vậy, hướng nghiên cứu ảnh hưởng từ trường lên tốc độ mát lượng electron vật liệu thấp chiều TMDC cần thiết chưa thực Công suất nhiệt hệ số quan trọng để xác định hiệu suất nhiệt điện hệ Có hai phần đóng góp vào công suất nhiệt công suất nhiệt khuếch tán công suất nhiệt gây hiệu ứng phonon-kéo (phonon-drag) [66] Công suất nhiệt gây hiệu ứng phonon-kéo kết tương tác electron phonon âm [67] Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy cơng suất nhiệt MoS2 đơn lớp có giá trị lớn, nằm khoảng từ × 102 đến 105 µVK−1 [68],[69] Công suất nhiệt gây hiệu ứng phonon-kéo khảo sát lý thuyết MoS2 đơn lớp [70] Các nghiên cứu công suất nhiệt thực điều kiện từ trường Khi có từ trường ngồi, cơng suất nhiệt (trong trường hợp gọi công suất nhiệt-từ) gây hiệu ứng phonon-kéo khảo sát lý thuyết hệ 2DEG [66],[71],[72],[73],[74],[75],[76] MoS2 đơn lớp [77] Tuy nhiên, nhận thấy chưa có nghiên cứu ảnh hưởng từ trường lên công suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo MoS2 đơn lớp Demo Version - Select.Pdf SDK vật liệu TMDC khác vùng nhiệt độ thấp (dưới 100 K) Đây vùng nhiệt độ mà cơng suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo cho đóng góp trội vào cơng suất nhiệt [71],[77] Từ phân tích đây, chúng tơi chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ là: “Tính chất truyền dẫn quang-từ tính chất nhiệt bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp” Chúng hy vọng đề tài cung cấp nhìn tổng quát tính chất truyền dẫn quang-từ tính chất nhiệt vật liệu thuộc họ TMDC, đưa dẫn chứng so sánh đặc trưng vật lý vật liệu họ TMDC MoS2 , MoSe2 , WS2 WSe2 Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng quát Mục tiêu luận án khảo sát tính chất truyền dẫn quang-từ tính chất nhiệt bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 WSe2 2.2 Mục tiêu cụ thể - Khảo sát tính chất truyền dẫn quang-từ ảnh hưởng tương tác electron-phonon bao gồm hệ số hấp thụ quang-từ độ rộng vạch phổ hấp thụ bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 WSe2 đặt điện trường từ trường - Khảo sát tính chất truyền dẫn quang-từ khơng tính đến tương tác electron-phonon bao gồm hệ số hấp thụ quang-từ độ thay đổi chiết suất bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 WSe2 đặt điện trường từ trường ngồi - Khảo sát tính chất nhiệt ảnh hưởng tương tác electron-phonon bao gồm tốc độ mát lượng electron công suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 WSe2 đặt điện trường từ trường Nội dung nghiên cứu- Select.Pdf SDK Demo Version Nội dung luận án tập trung khảo sát vấn đề cụ thể sau đây: - Về tính chất truyền dẫn quang-từ + Tính giải tích tính số hệ số hấp thụ quang-từ hệ TMDC đơn lớp ảnh hưởng tương tác electron với loại phonon khác nhau, tính đến trình hấp thụ hai photon + Khảo sát độ rộng vạch phổ hấp thụ hệ TMDC đơn lớp ảnh hưởng tương tác electron với loại phonon khác nhau, tính đến q trình hấp thụ hai photon + Tính giải tích tính số hệ số hấp thụ quang-từ độ thay đổi chiết suất tuyến tính phi tuyến hệ TMDC đơn lớp khơng tính đến tương tác electron-phonon - Về tính chất nhiệt + Tính giải tích tính số tốc độ mát lượng electron ảnh hưởng tương tác electron với loại phonon khác hệ TMDC đơn lớp + Tính giải tích tính số cơng suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo hệ TMDC đơn lớp Phương pháp nghiên cứu Tất tính tốn luận án thực dựa phương pháp tính tốn lý thuyết trường lượng tử áp dụng cho hệ nhiều hạt, phương pháp sử dụng rộng rãi nghiên cứu thuộc lĩnh vực khoa học vật liệu Để tính hệ số hấp thụ quang-từ ảnh hưởng tương tác electronphonon, chúng tơi sử dụng phương pháp nhiễu loạn, xét đến trường hợp hấp thụ hai photon Độ rộng vạch phổ hấp thụ xác định phương pháp profile Khi không xét đến tương tác electron-phonon, sử dụng phương pháp gần ma trận mật độ để tính hệ số hấp thụ quang-từ độ thay đổi chiết suất tuyến tính phi tuyến Để khảo sát tính chất nhiệt, chúng tơi sử dụng phương pháp phương trình động lượng tử để tính tốc độ Demo Version - Select.Pdf SDK mát lượng electron phương pháp Π để tính cơng suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo Ngoài ra, kết tính số vẽ đồ thị thực phần mềm Mathematica Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu tính chất truyền dẫn quang-từ tính chất nhiệt bốn vật liệu bán dẫn TMDC đơn lớp MoS2 , MoSe2 , WS2 WSe2 Luận án sử dụng giả thuyết phonon khối, giam giữ lượng tử tác dụng lên electron nhằm đơn giản tính tốn Luận án xét tương tác electron phonon, bỏ qua tương tác khác tương tác electron-tạp chất, tương tác electron-electron với mục đích thu gọn phạm vi tính tốn, phù hợp với khuôn khổ luận án tiến sĩ Biểu thức tổng quát hệ số hấp thụ quang-từ ảnh hưởng tương tác electron-phonon trình bày luận án tính đến số photon hấp thụ bất kỳ, nhiên áp dụng để đưa biểu thức giải tích cuối từ để khảo sát số vẽ đồ thị, xét đến trường hợp hấp thụ hai photon Về tính chất truyền dẫn quang-từ, chúng tơi khảo sát đại lượng hệ số hấp thụ quang-từ, độ rộng phổ hấp thụ độ thay đổi chiết suất Về tính chất nhiệt, luận án khảo sát đại lượng tốc độ mát lượng electron công suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo Những đóng góp luận án Luận án nghiên cứu tính chất truyền dẫn quang-từ tính chất nhiệt bán dẫn TMDC đơn lớp có mặt từ trường vng góc với mặt phẳng lớp vật liệu Những đóng góp luận án là: - Về mặt lý thuyết, luận án phát triển góp phần hồn thiện lý thuyết phương pháp gần ma trận mật độ áp dụng cho hệ đơn lớp hai chiều cách đưa công thức cải tiến cho độ cảm quang tuyến tính phi tuyến bậc ba Từ áp dụng để thu hệ số hấp thụ quang-từ độ thay đổi chiết suất tuyến tính phi tuyến vật liệu TMDC đơn lớp - Về mặt Demo vận dụng, luận án: Version - Select.Pdf SDK + Đã khảo sát cách chi tiết hệ số hấp thụ quang-từ độ rộng vạch phổ trình hấp thụ hai photon bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp có mặt từ trường vng góc với mặt phẳng lớp vật liệu Kết cho thấy hệ số hấp thụ độ rộng phổ phụ thuộc mạnh vào từ trường, thông số vật liệu, chế tương tác electron-phonon loại phonon + Đã xác định cách tường minh vị trí đỉnh hấp thụ quang học Các đỉnh hấp thụ định vị hai vùng có tần số khác nhau: Đối với trình dịch chuyển nội vùng, vị trí đỉnh hấp thụ không phụ thuộc vào số mức Landau nằm vùng vi sóng đến vùng hồng ngoại gần; q trình dịch chuyển liên vùng, vị trí đỉnh hấp thụ phụ thuộc vào số mức Landau nằm vùng hồng ngoại gần đến vùng khả kiến Vị trí đỉnh hấp thụ hai trình dịch chuyển phụ thuộc mạnh vào định hướng spin, tương tác spin-quỹ đạo, điện trường trường Zeeman + Đã khảo sát cách chi tiết tốc độ mát lượng electron công suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo Khi có mặt từ trường ngồi, tốc độ mát lượng công suất nhiệt-từ gây hiệu ứng phonon-kéo dao động theo từ trường với biên độ tăng dần, phụ thuộc mạnh vào loại vật liệu, chế tương tác mật độ electron Ở vùng nhit thp hn nhit Bloch-Gră uneisen (TBG ), tốc độ mát lượng electron tăng nhanh theo nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ Khi nhiệt độ tăng cao TBG , tốc độ mát lượng tiếp tục tăng theo nhiệt độ với mức độ giảm dần + Đã có phát số mũ quy luật mô tả phụ thuộc công suất nhiệt-từ vào nhiệt độ: Số mũ số trường hợp khơng có từ trường mà dao động xung quanh giá trị không xét có xét đến hiệu ứng chắn Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Nội dung luận án nghiên cứu tính chất truyền dẫn quang-từ tính Demo Version - Select.Pdf SDK chất nhiệt bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp tác dụng trường ngồi Kết tính số vẽ đồ thị giải thích so sánh với kết lý thuyết cơng trình khác kết thực nghiệm công bố, qua khẳng định tính đắn kết mà luận án đạt Kết thu luận án cung cấp thêm thơng tin hữu ích tính chất vật lý hệ electron bán dẫn TMDC đơn lớp tác dụng trường ngồi, đóng góp phần nhỏ nhằm định hướng ứng dụng lĩnh vực chế tạo linh kiện điện tử quang điện tử, đồng thời góp phần xây dựng sở khoa học cho khảo sát thực nghiệm vật liệu TMDC thời gian tới Kết mà luận án đạt góp phần khẳng định tính đắn phương pháp sử dụng luận án việc khảo sát trình chuyển tải lượng tử bán dẫn thấp chiều nói chung vật liệu TMDC nói riêng Bố cục luận án Ngồi mục lục, danh mục từ viết tắt, danh mục hình vẽ, danh mục bảng biểu, danh mục công bố, tài liệu tham khảo phụ lục, nội dung luận án chia thành phần: - Phần mở đầu trình bày lý chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, đóng góp luận án, ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án bố cục luận án - Phần nội dung gồm chương: Chương 1: Tổng quan đối tượng phương pháp nghiên cứu Chương 2: Tính chất hấp thụ quang-từ bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp ảnh hưởng tương tác electron-phonon Chương 3: Tính chất hấp thụ quang-từ tuyến tính phi tuyến bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp Version - Select.Pdf Chương 4:Demo Tính chất nhiệt bán dẫnSDK họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp - Phần kết luận trình bày kết đạt luận án ... sát tính chất truyền dẫn quang- từ tính chất nhiệt bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 WSe2 2.2 Mục tiêu cụ thể - Khảo sát tính chất truyền dẫn quang- từ. ..ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN NGỌC BÍCH TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN QUANG- TỪ VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành: Vật... trội vào cơng suất nhiệt [71],[77] Từ phân tích đây, chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ là: ? ?Tính chất truyền dẫn quang- từ tính chất nhiệt bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp? ??