Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử InAs/AlAs tài liệ...
ĐẠI HỌC HUẾ 'TRƯỜNG NGUYEN KHAO DẠI HỌC SƯ PHAM THI THUY SAT CAU HINH NHAM NGA THONG MAT DO HAP THU TICH HGP QUA TRONG GIENG LUGNG TU InAs/AlAs ành: VAT LY LY THUYET VA VAT Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THEO DINH HUGNG NGHIEN CUU NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HOC PGS TS DINH NHU THAO Thừa Thiên Huế, năm 2017 LOI CAM DOAN Toi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố bắt kỳ công trình nghiên cứu khác Huế, thắng năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thúy Nga LOI CAM GN Hồn thành luận văn tốt nghiệp này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thây giáo PGS.TS.Đinh Như Thảo, người giảng day, định hướng động viên tơi suốt q trình thực đề tài ‘Toi cing xin chân thành cảm ơn Thầy, Cơ khoa Vật lý, phịng Dào tạo sau Dai học Trường Dại học Sư phạm - Dại học Huế giảng dạy, giúp đỡ t mốt hai năm học qua Cuối xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, bạn học viên cao học khóa 24 ln động viên, giúp đỡ, góp ý cho tơi suốt q trình học tập hoàn thành luận văn Huế, tháng năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thúy Nga MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục bing biểu Danh mục từ viết tất kí hiệu Danh sách hình vẽ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài II Mục tiêu để tài IIL Noi dung dé tài IV Phuong phap nghiên cứu V Phạm vi nghiên cứu VI Bồ cục khóa luận NỘI DUNG Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Tổng quan giếng lượng tử 1.1.1 ii iii x Điện tử hệ bán dẫn hai chiều 1.1.2 Giếng lượng tử vng góc sâu võ hạn 1.1.3 Giếng lượng tửthế vng góc sâu hữu hạn 1.1.4 Giếng lượng tử parabol 1.15 Giếng thể tam giác 1.2 So lược cấu hình 1.2.1 Tân xa nhám bề mặt (SR) Tân xa phonon (LO phonon va LA phonon) 1.2.3 1.3 Tổng 1.3.1 1.3.2 1.3.3 Tấn xa tạp chất ion hóa (II) Tần xạ trat ty hop kim ban din (AD) quan vật liệu bán dẫn InAs/AlAs Các thông số vật liệu bán dẫn InAs Các thông số vật liệu ban din AlAs Dị cầu trúc bán dẫn InAs/AlAs Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám bề mặt lếng lượng tử InAs/AlAs 2.1 Mơ hình giếng lượng tử hình thành dị cấu trúc bán din InAs/AIAs 2.1.1 Giếng lượng tử hình thành chuyển tiếp dị chất don InAs/AlAs 2.1.2 Giéng lượng tử hình thành chuyển tiếp dị chất p AIAs/TnAs/AlAs 2.1.3 Hàm sóng giếng lượng tử InAs/AlAs 3.2 Các đại lượng đặc trưng cầu hình nhám 3.3 Ảnh hưởng tán xạ nhám bề mặt đến độ rộng vạch phổ 2.4 Cách xác định chiều dài tương quan từ liệu quang học 41 43 đơn trị cầu hình nhám Chương 3: Kết tính toán thảo luận 3.1 Xác định giá trị chiều dài tương quan A 3.2 Xác định giá trị biên độ nhám A 3.3 So sánh cấu hình nhám vật liệu IAs/AlAs khí thay đổi tham số giếng lượng tử KẾT LUẬN TAI LIEU THAM KHAO PHU LUC 48 48 49 DANH MUC CAC BANG BIEU Bang 1.1 Các thông số vật liệu bán dẫn IAs nhiệt đội 300K " "` vật liệu bán dẫn AIAs nhiệt độ DANH MUC CAC TU VIET TAT VA Ki HIEU Cụm từ viết tắt | Nghĩa cụm từ viết tắt 2DEG AD H Khí điện tử hai chiều, Mất trật tự hợp kim Tạp ion hóa LO QW Phonon quang Giếng lượng tử LA SR Phonon âm Nham bẻ mặt DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình 12 Hình 13 Hình 14 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình L7 Mõ hình giếng lượng tử hình thành lép GaAs kẹp hai lớp AlGaAs Minh họa giếng lượng tử vuông góc sâu vơ hạn Đồ thị hàm sóng hạt giống lượng tử Vng góc 18 13 15 sâu vô hạn Minh họa giếng lượng tử vuông góc sâu hữu hạn Đồ thị xác định giá trị ; tương ứng với mức lượng Đồ thị hàm sóng hạt giếng lượng tử vng góc sâu hữu hạn Minh họa giếng lượng tử parabol 2L Đồ thị hàm sóng hạt giếng lượng tử parabol Minh họa giếng lượng tử tam giác Hình 18 Hình 1.9 Cấu trúc tủa giếng lượng tử Hình 110 Hình 1.11 Hình Hình Hình Hình Hình 1.12 1.13 1.14 1.15 2.1 Đồ thị hàm sóng hạt giếng lượng tử tam giác Cầu trúc tỉnh thé InAs, Cấu trúc tỉnh thé AlAs Sơ đỗ minh họa giếng lượng tử InAs/AlAs Bồ rộng khe vùng InAs/AlAs Minh họa giống lượng tử chuyển tiếp dị chất đơn InAs/AlAs Hình 2.2 Minh họa giếng lượng tử chuyển tiếp dị chất kép AlAs/InAs/AIAs 37 Hinh 23 Hình 3.1 h họa hai kích thước đặc trưng cấu hình nhám biên độ nhám A chiều dài tương quan A 42 Sự phụ thuộc cường độ hấp thu tich hgp I(L,n,; A) vào chiều đài tương quan A giếng lượng tử TInAs/AlAs với độ rộng giếng L = 90 Ä; đó, đường liền nét màu đỏ biểu diễn kết tính số Hình 3.2 theo lý thuyết, đường đứt nét màu xanh biểu diễn kết từ thực nghiệm dấu mũi tên giá tri cia A 49 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ +sz(A) = 3sa(E, nạ; A; Â) vào biên độ nhám A giống lượng tử InAs/AlAs với độ rộng giếng E = 90 Ả chiều đài tương quan lấy từ hình 3.1: A = 80 A đó, đường, liền nét màu đỏ biểu diễn kết tính số theo lý thuyết, đường đứt nét mầu xanh biểu diễn kết từ thực nghiệm dấu mi A Hình 3.3 + tên giá trị see + Sự phụ thuộc cường độ hấp thụ tích hợp /(1, n„; A) 50 vào chiều đài tương quan A giống lượng tử InAs/AlAs với độ rộng giếng L = 100 Á (tăng 10 Â so với ban đầu L = 90 Ả); đó, đường àu đỏ biểu diễn kết tính số theo lý thuyết, đường đứt nét màu xanh biểu diễn kết liền nét từ thực nghiệm dầu mũi tên giá trị A 51 Hình 34 phụ thuộc độ rộng vạch phổ +/sø(A) = ysn(L, na: A: A) vào biên độ nhám A giếng lượng tử IAs/AlAs với độ rộng giếng L = 100 A (tang 10 A so véi diu lA L = 90 A) chiều đài tương quan lấy từ hình 3.3: A = 85 Â; đó, đường liền nét diễn kết tính số theo lý thuyết, đường đút nét màu xanh biểu diễn kết từ thực màu đỏ nghiệm dấu mũi tên giá trị A 52 độ hấp thụ tích hợp 1(L,n,;A) nhiim xée định giá trị A Hình 3.3 đồ thị mô tả phụ thuộc cường độ hấp thụ tích hop 1(1, n„; A) chiều dài tương quan A với thông số giếng lượng tử biết vật liệu IIAs/AlAs, 0.034 LemeV) 0.032 90780 70 30 30 700 aa ink 3.3: Su phy thuge ea eudug hép thy tieh hop £(L,n,:A) vào chiều dài tướng mm A giếng lượng tử InAs/AlAs với độ rong giéng Z = 100 A (tăng 10 A so ‘i ban đần Z = 90 Â); đó, đường liền nết màu đỏ biển điễn kết tính số theo lý thuyết, đường đứt nét mầu xanh biểu điễn kết từ thực nghiệm đẫn mũi tên giá trị A Từ hình 3.3 chúng tơi xác định chiều dài tương quan cấu hình nhám có giá trị A = 85 A Tiếp theo, sử dụng kết chiều đài tương quan vừa thu để vẽ đỏ thị độ rộng vạch phổ nhầm xác định giá trị biên độ nhám A Hình 3.3 dé thi mo tả phụ thuộc độ rộng vạch phổ +sa(,n,; A; A) vào biên độ nhám A voi thông số giếng lượng tử cố định vật liệu IIAs/AlAs phần trước giá tủa A lấy từ hình 3.3 A = §5 Ả = 20 15 10 + aw ẹ s Tình 3.4: Sự phụ th e độ rộng vạch phổ 1sg(A) = +sg(1 Á¡ A) vào biên độ nhám A giếng lượng tử InAs/AIAs với độ rộng giếng Ƒ 100 A (tăng 10 A so với ban đâu ⁄ — 90 A) chiều dai tương quan lây từ hình 3⁄3: = A: đó, đường liền nót màu đỏ biểu diễn kết tính số theo lý thuyết, đường đút siết mầu xanh biểu diễn kết từ thực nghiệm dần tên giá trị cũa Á Từ th 3.4 xác định biên độ nhám cấu h nhám có giá trị A = 5,4 Ả Như vậy, xác định hai giá trị tham số đặc trưng cho cầu hình nhán vật liệu InAs/AlAs trường hợp Ƒ = 100 Ä A = 85 Â vàA 4A Từ kết trên, chúng tối nhận thấy thay đổi độ rộng giếng lượng tử InAs/AlAs hai kích thước đặc trưng cho cầu hình nhám vật liêu thay đổi Dây tính chất quan trọng, cần ý xem xét lựa chọn chế tạo vật liệu bán dẫn thấp chiều có đặc tính phù hợp với mong muốn mục dich sit dung cu thé 52 KET LUAN “Trong luận văn này, sử dụng mật độ hấp thụ tích hợp để xác định hai tham số đặc trưng cầu hình nhám giếng lượng, tử vng góc sâu hữu hạn InAs/AlAs Những kết chúng tối dat qua trình nghiên cứu thực luận văn sau Trình bày tổng quan vấn đề: ~ Các mơ hình giếng lượng tử khác nhau; Jigu InAs/AIAs giếng lượng tử hình thành từ vật liệu Nguyên nhân chế tán xạ hạt tải chủ yếu ảnh hưởng đến cầu hình nhám: Ảnh hưởng tán xạ nhám bề mặt đến độ rộng vạch phổ Xác định riêng lẻ hai tham số đặc trưng cầu hình nhám thơng qua mật độ hấp thụ tích hợp giếng lượng tử vng góc sâu hữu hạn InAs/AlAs Cầu hình nhám thu dựa việc xử lý liệu quang học trình điều chỉnh hai bước (¡) xác định A từ giao điểm hai đồ thị cường độ hắp thụ tích hợp, sau (ii) xée định A từ điểm giao điểm hai dé thi cia rong phé Với đô rộng giếng lượng tử = 90 Ả chúng tơi thu kích thước cấu hình nhám A = 80 Ä A = 4,5 Ả Khi thay đổi 1= 90 Â lên Z = 100 Ả kích thước cấu hình nhám cũng, thay đổi, kết thu A = 85 A va A = 5,4 Ả Như vậy, cầu hình nhám phụ thuộc vào thơng số giếng lượng tử chẳng hạn độ rộng giếng Do đó, để tạo vật liệu với đặc tính mong muốn việc xét đến tham số giếng lượng tử hình thành trình chế tạo vật liệu quan trọng Đề tài mở rộng theo hướng nghiên cứu khảo sát cấu hình nhám nhiều loại vật liệu khác hay cầu trúc 53 bán dẫn thấp chiều khác tìm hiểu thay đổi tủa cầu hình nhám thay đối tham số giếng lượng tử mật độ điện tử, độ sâu giếng TAI LIEU THAM KHAO Tiéng Viet Nguyễn Quang Báu, Đỗ Quốc Hùng, Vũ Văn Hùng, Lê Tuần (2004), Tý thuyết bán dẫn, NXB DHQG Ha Noi Lê Đình (2014), Bài giảng vật lý hệ thấp chiều, Trường Dại học Sư phạm - Dại học Huế Lê Đình, Trần Cơng Phong (2011), Giáo trình học lượng tử, Trường Dại học Sư phạm - Đại học Huế Phùng Hồ, Phan Quốc Phö (2008), Giáo trink vat liệu bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Trần Thị Hồng Lê (2016), Khảo sát cấu hành nhám từ mật hấp thụ tích hợp giếng lượng tử InN/GaN, Luận văn Thạc sĩ Vat lý, Trường Dại học Sư phạm - Đại học Huế Dương Đình Phước (2015), Khảo sát cấu hình nhám bề mặt giếng lượng tử InAs/GaAs, Luan van Thae sĩ Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế Dinh Như Thảo (2013), Giáo trình tính chất quang ật rắn, NXB Dai hoc Hué, § Phạm Thị Thủy (2013), Nghiên cứu chế tạo số chế kích thách uà chuyển hóa lượng tật liệu bán dẫn hợp chắt HII P cấu trúc nano, Luận án Tiến sĩ Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu Nguyễn Thành Tiên, Dặng Minh Thứ Lê Thị Thu Văn (2013) "Độ rộng vạch phổ hấp thụ tạo cấu trúc giếng lượng tit Al GaAs/GaAs/AlGaAs pha tap diéu bién tén xa nhém bề mặt” Tap chí Khoa học Trường Dại học Cần Thơ, s6 27, trang 95-102 10 Nguyễn Thị Trình (2014), Khảo sát cầu hành nhám giếng lượng tử tam giác AIGaN/GaN, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Dại học Huế 11 Phan Thị Văn (2013), Khảo sát cấu hành nhám giếng lượng tử tam giác InGaN/GaN, Luận văn Thạc sĩ Vật “Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế “Tiếng Anh 12, Doan Nhat Quang, Nguyen Nhu Dat, Nguyen Thanh Tien, and Dinh Nhu Thao (2012), "Single-valued estimation of the interface profile from intersubband absorption linewidth data”, Applied Physics Letters, 100, 113103 13 Dinh Nhu Thao, Nguyen Thanh Tien (2004), "Electron Distribution in AIGaN/GaN Modulation-Doped Heterostruetures”, Proceedings of the 36th Vietnam National Conference on Theoretical Physics, Qui Nhon City, Vietnam, August, pp.212-221 14, Dinh Nhu Thao, Nguyen Thanh Tien, Huynh Ngoc toan, Doan Nhat Quang (2016), "One-sample based Single-Valued Estimation of the Interface Profile from Intersubband Integrated Absorption Intensity Data”, Journal of the Physical Society, Japan, June, pp.074603-1 07460315 G Bastard (1990), Wave Mechanics Applied to Semiconductor Heterostructures, Les Ulis Cedex, France (1998), The phụsies of low-dimensional semiconduetors, Cambridge University Press 16 John H Davi 56 PHU LUC Phụ lục 1: Tìm hàm sóng lượng hạt giếng lượng tử vng góc sâu võ hạn Phương trình Schrưdinger cho hạt trạng thái dừng có dạng, @y(z) | mE aR '0(z) =0, (Pa) Dat k? = 2mE/h?, phuong trình (P.1) viết lại (2) Nghiệm tổng qt phương trình (P.2) có dạng U(z) = Asinkz+ Beoskz (P3) kiện liên tục hàm sóng 4/(0) = YL) = 0, ta suy B=0, sinkL = hay k= ng/L Như hàm sóng lượng hạt Asin Tan =1,2,3, ), (P4) d6 Ey = 77h?/2mL? goi lượng hạt trang thái Chuẩn hóa hàm sóng ta JeseM Hàm sóng hạt chuẩn hóa có dạng Zon a tu(z) VE (n=1,2,3, ) (5) (P.6) Phụ lục 2: Tìm hàm sóng lượng hạt giếng lượng tử vng góc sâu hữu hạn Phương trình Sehrưdinger cho hat giếng có dang đPú(2) „ 3m,E, dz Dat k? = 2meE,/h?, phuong trình (P.7) viết lại Nghiệm tổng qt phương trình (P.8) có dạng, U(2) = Asinks + Beoskz Phương trình Sehrưdinger cho hạt bên ngồi giếng có dạng “Pe, mE Wis) =0 &y 2m4(En — Vo) (P7) (P8) (P9) (P.10) Dit n? = 2ms(En — Vo)/h?, phurong trình (P.10) viết lại LY a: Nghiệm tổng quit cia phương trình (P.11) có dạng 92) = Ce +De“™ Hàm sóng ba miền thỏa mãn điều kiện hữu hạn Cơ (2 < -a) wy)(2) = Asinhz + Beaskz binl2)= De (za) (—a <