Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Hấp thụ phi tuyến hai photon trong MoS2 đơn lớp do tương tác electron - phonon âm

„ĐẠI HỌC HUẾ, TRUONG DAT HOC SU PHAM TRAN THI LE PHI HAP THU PHI TUYEN HAI PHOTON 'TRONG MOS; ĐƠN LỚP DO TƯƠNG TÁC ELECTRON-PHONON AM Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN Masé — : 60 4401 03, LUAN VAN THAC SI VAT LY Người hướng dẫn khoa hoc PGS.TS HUỲNH VĨNH PHÚC “Thừa Thiên Huế, năm 2017 LOI CAM DOAN Toi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu nữu tron luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố xuột cí ig trink nghiên cứu kh Tế, tháng năm 2017 “Tác giả luận văn Trần Thị Lệ Phi LOI CAM GN Toàn thành luận văn tốt nghiệp này, tối xin bày tở lòng biết ơn sâu sắc ‘én thiy PGS.TS Huỳnh Vĩnh PI ie tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt trình thực Qua đầy, tối xit chân thành cảm ơn quý Thầy, Cỡ giáo khoa Vật Lý phòng Đào tạo San đại học, Trường Dại học Sư phạm, Dại học Huế; bạn bọc viên Cao học khóa 24 gia đình, bạn bề động viên, góp ý, giáp đổ, tạo điều kiện cho tơi tình học tập thực luân văn Huế, tháng năm 2017 “Tác giả luận văn Trần Thị Lệ Phi MỤC LỤC Tang phụ bia Tài cam đoạn Tài cảm ơn anh sách hình MỞ ĐẦU NOL DUNG Chung TONG QUAN VE MO HINH KHAO SAT VA PHUONG PHAP NGHIEN CUU 1.1, Tổng quan MoS; đơn lớp 1-11 M6 hình MoS; đơn lớp 1.L2 Phổ lượng, him sóng clectron tương tác clectron1.13 1.2 Tổng 1.2.1 1.2.2 1.2.3 phonon MoS; đơn lớp Phonon âm MoS; đơn lớp quan phương pháp nghiên cứu Hamiltonian tương tée electron-photon Xée suét duyén doi twang tée electron-photon He sb hép thy quang học 1.24 Sit hip thu Hen ving 1.25 Phương pháp profiles "¬ - Chương TÍNH TỐN GIAI TICH HE SO HAP THU TRONG MOS, DON LOP 2.1 Biển thức tổng quát hệ số hấp thụ quang tit MoS» đơn lớp 2.2 Hệ số hấp thụ quang từ MoS; đơn lớp tương tá electron-phonon Chương KẾT QUẢ TÍNH SỐ VÀ THẢO LUẬN 3.1, Điền kiến cộng hưởng cyclotron-phonon 3.2 Hệ số hấp thụ quang từ độ rộng vạch phổ 32.1 Ảnh hưởng từ trì 3.22 Ảnh hưởng nhiệt độ KẾT LUẬN PHỤ LỤC 10 10 10 “ 15 16 1" 18 19 ” 24 26 3a 32 33 36 39 PA DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 12 13 Lá 1s aa 32 44 34 Mô hành chiều hành ảnh nhàn từ suing cia MoS, dé mầu tầng nguyên tử S, nà mầu xanh zẩm nguyen tt Mo, Sơ đồ cúc cấu trúc dn hình: 2H (lục giác đốt mừng, hai lớp cho mỗt đơn tì lấp lại, tà kết hợp lăng trụ tam giác), SlR ( mặt thơi đối xứng, ba lp cho đơn vị lp lai, tà kết hợp lãng trụ lam giác), tà 17 ( tử giác đái ứng, lp cho đơn vỉ lấp lạ, kết hợp bát đin), XS tần sắc phonơn MoS; đơn lớp tính tốn phương pháp đao động nhỏ sử dưng ö møng x Các tẫn số moức Bay tà Aụ, link dng Raman quang học tương ứng 48 50 meV hòa lợp tayệt rời trang thực nghiệm gần đâu (a) Một giếng lượng tử đơn giản có nồng độ pha tạp nhỏ (b) Điều biến cách pha tạp lượng đáng kể giếng lượng tử nỗng độ lạp lớn (c) Sơ đồ lượng tùng không gian k, zảu chuyển mức liên tiếp tì quy lắc lạc lưn k trung mặt phẳng giếng lượng tử Do rong wach phé ` "¬ Si ph the iu eb hip the ung từ tà ROY tomy MoS, đơn lớp tương tác clecton-TA-PE phonon XS phụ thuậc MOAC vào tỉ số hÀ/hec MoS; đơn lấp tướng tic electron-TA-PE phonon tai = TT giá trị khác từ trường B: đường liền (màu den), đường gach-gach (mầu sanh) dường chắm chấm (màu đổ) tương ứng với B = 95 T, B = 10 T tà = 10.5 T Hinh (a) tà (b) tương sing wi spin up vt spin doum Kết tính cho q trình hip thy mt photon “ưng tế lành 3.2 kết tph củo gu bình hấp tự hai photon Su phu thuge cia FWHM tào từ trường MoS, đơn lớp tương tác ckectron-LAPE phonon tai T = 77 K Hinh (a) tà (b) tưng ting vi spin up va spin down 10 u “ a ” 34 ” 35 Sit phụ thuộc MOAC tỉ số he, MoS; đơn lớp tương tác cleetron-TA-PE phonon tai B = 10 T tối giá trị Mác nhiệt độ T: đường liền (mau den), đường gach-gach (màu zanh) vi đường chấm chấm (mầu đỏ) tương ứng wii T = K, T7 K tà 900 K Hlink (a) tà (b) tương dừng nối spin up wa spin down Két qu date tinh cho qué trink hap thu mot photon 36 ương tự hành 3.5 kết tính cho tình hấp thụ hai photon 47 XS phụ thuậc FIWHM tảo nhiệt độ trang MoS; đơn lắp tương tác clectron-LAPE phonon toi B = 10 T Hình (a) tà (b) tương spin up va spin down 36 36 MG DAU I Ly chon dé “Trong năm gần đây, việc khám phá vật liệu mỏng hai chiều (2D) mở hướng hiên cứu hoàn toàn ¡ Những vật liệu có nhiều hứa họn cho việc áp dụng dụng cụ quang diện tử chất lượng cao [25j Gần đây, người ta chế tao nhiều loại vật liệu 2D đơn lớp am có dạn MX2 wi M = Mo, W, Nb, Ta, Ti, vi X = S, Se, Te, Các loại vật liệu 2D bình thành cấu t đa lớp có dang X-M-X, nguyên tử thuộc nhóm chalcogen mặt phẳng lục giác ngăn cách mặt phẳng tạo nên nguyên Lử kim loại 23, 50) Các cầu trúc thuộc dang di-chaleogen kim loại chuyển tiép (transition mmetal dịchalcogcnidcs-TMIDCS) có độ rộng vùng cắm gián tiếp lớn Độ rộng thay đổi từ cầu trúc đa lớp đến cầu trúc đơn lớp [5| Ví dụ, vật liệu molybdenum disulfide (MoS;) có độ rộng vùng cắm thay đổi từ 1.29 eV vật liệu khối đến 1.90 eV vật liệu có cầu trúc đơn lớp [33/ từ chế tạo, MoS, nghiên cứu cách chuyên sân nhờ tính chất quang tính chất điện thú vị (23) Gin đây, người ta chứng MoS; có độ lình động lớn 200 cin3/(V s) [37/ Người ta chứng minh thực nghiêm rằng, nh kiên diện tử dựa Mo8; sử dụng tạo cảm biển khí [21], transistor quang đầu dị quang với độ nhạy cao |5) Hiện nay, việc nghiên cứu MoS; đơn lớp lĩnh vực nghiên cứu có tốc độ phát triển nhanh mạnh nhờ ứng dụng nồ lĩnh "vực điện tử, quang học quang điện tử Đối với vật liệu GaAs/AIGaAs, tính tính chất phân cực tự nhiên chúng, nên tương tác electron với phonon “quang có cực đóng vai trị chủ đạo, bên cạnh tương tác khác như: tương tác eletron-phonon aan, hoge electron-phonon quang khơng có cực Một tính chất quan trọng xết đến tương tác elects xphonon có mặt từ trường dẫn hấp thụ quang từ tuyển tính phí tuyến “Các tính chất quang phí tuyến, bao gồm q trình hắp thụ bai photon, hệ bán dẫn thấp chiều thụ hút quan tâm: nghiền cứu nhiềÚ kỉ qua Trong ngthú với tạo hài bậc hai tặc ba (16, 43, bệ số chỉnh hưu quang từ 63], hệ số hấp thụ quang từ (15, 61, 61] Khi đưa từ trường (tính) vào hệ, hì phổ lượng mặt phẳng vng góc di từ trường bị lượng tử hóa Điền dẫn đến thay đổi cầu trúc vàng tính chất quang hệ bán dẫn thấp chiều Sự hấp thu quang từ phi tuyến có mặt từ trường nghiên cứu hồ 6, 43, 60, 61), dây lượng tử J0) chấm lượng tử [35j, vành lượng tử [3], graphene [57] Các kết nghiên “cứu tính hấp thụ quang từ bị ảnh hưởng khơng cầu trúc vùng mà cịn từ trường “Các kết nghiên cứu gần cho thấy nồng dé electron thf, cỡ 3% 10! em- [1, HỊ, ảnh hưởng tương tác lectron- clertron khơng đáng kể [52] bỏ qua [I9], Điều chấp nhận tướng tác clectronsleetron dẫn đến phân bố lại không gian È, điều quan trọng hệ điện tử thông thường (13) Thay vào đó, tương tác olectron-phonon đóng vai tồ trọng yếu tính chất chuyển dời phì tuyển tính chất quang ph tuyển (1, 8, #1J Vì vây, hấp thụ quang từ phi tuyến nhờ tương tic electron-phonon nghiên cứu rộng rai Huang cộng đưa lý thuyết ab inido để nghiên cứu tính chất quang diện tử, tuyến Lính phỉ tuyến CdSe [9j Yu cộng tầm tính chất quang học phí tuyển bậc hạt nano vàng (Au-NBP+) cách sử dựng phương pháp hiệu ting Kerr [58] Khordad Bahramiyan khảo sát nhiều kiểu phonon quang mơ hình hình bình ảnh hưởng tưởng tác clecron-phonon mức lượng electron trang thấi trang thất ích thích tính phương pháp nbiéu loan [11], Sota công nghiên cứu hiệu ứng quang phi tuyến bậc chất cách điện Mott chiền liên kết với phonon phương pháp động học ma trân mật độ tái chuẩn hóa [13] Trong cơng tình trước [29, 31], hi tổng cộng hưởng cyclotron-phonon (Phonon-assisted vclotron resonance-PACR) nghiên cứu hồ lượng tit parabol dối xứng nhờ trình hắp thy hai photon, nhiên hấp thụ phí tuyến bai photon hệ MoS; đơn lớp chưa quan tâm nại phân tích trên, chúng tơi ng, việc nhĩ cứu “hấp, thy phi tuyến hai photon MoS, don lép tutdng tac electron-phonon” có phonon âm vấn để có tính thời cin thiết TI Mục tiêu để tài "Mục tiêu đề tà khảo sát hắp thụ phi tuyén hai photon MoS» dn lớp đo tướng tác clectron-phonon âm Kết so 1h với trình hấp thụ photon để Khác THỊ Nội dụng nghiên cứu - Thiết lập biển thức giả tích hệ số hấp thụ sóng điện từ clectron AMoS; đơn lớp có mặt trường ngồi giải thích ý nghĩa vật lý tượng dịch chuyển clectron mức lượng - Khảo xố vẽ đồ thị phụ thuộc hệ số hấp thu vào lượng phoLon biện luận điều kiện cộng hưởng cyclotron-phonon - Ấp dụng phương pháp profile để xác định độ rộng vạch phổ cộng hưởng yelotron-phonon, khảo sát phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cầu trúc vật liệu trường TV Lịch sử nghiên cứu đề tài Trong nước © nic ta, năm gần đây, cơng trình nghiên cứu tượng công hưởng độ rộng vạch phố chủ yếu thuộc nhóm nghiên cin GSTS Tran Cơng Phong cơng Có thể kể số công inh tien biển mint + "Sự hấp thụ quang phi tuyến giếng lượng tử Gaus bắt đối xứng nhờ “quá trình hấp thụ hai photon” nhóm tác giả Huỳnh Vĩnh Phúc, Lương Văn Tùng, Pham Tuần Vĩnh, Lê Đình (33 Trong nhóm tác giả sử dụng phương pháp nhiều oạn kết hợp với phương pháp hàm Green để thu biển thức hệ số hấp thụ xà phương pháp profile để thu độ rộng vạch phổ Các kết thu cho thấy việc tang Uo, B, va L, quang phổ hấp thụg dịch chuyển xanh và/hoặc dịch chuyển tương ứng, Khi đó, vị trí inh cộng hưởng Không phụ thuộc theo thay đ nhiệt độ Ben canh dé, mữa độ rộng vạch phổ tăng theo tăng, từ trường nhiệt độ giảm theo tăng thể giam giữ Gauss độ rộng "hổ cảhai trường hợp hai photon + Nhóm tác giả Huỳnh Vĩnh Phí „ Nguyễn Ngọc Hiểu khảo sất: “Sự bắp thụ “quang phi tuyển graphene nhờ trình hấp thụ hai photon’ [28) Nhom tác giả sử dung phương pháp gần nhiều loạn để thu biểu thức hộ số hấp thụ Kết thu cho thấy từ trường tăng độ lớn quang phổ hắp thụ tăng Mật khác, nhóm tác giả sử dụng phương php profiledé thu nửa độ ông vạch phổ Kết cho thấy độ rộng vạch phé gần không phụ # lộc vào nhiệt độ tỉ lệ thuận với bậc hai từ trường, Kết thu phù họp tốt với giá trị thực nghiệm 3+ Khi “khảo sát hấp thụ quang phi tuyển hồ lượng tử GaAs/Gai _„A,As nhờ trình hấp thụ bai phonon” tác giả Huỳ Ih Vĩnh Phúc [20 sử dụng phương pháp gần nhiễu loạn để thu biểu thức hệ số hấp thu phương pháp, profile dé thu độ rông vạch phổ Kết cho thấy độ rộng vach phổ phụ thuộc áp suất thủy tĩnh tỉnh, nồng độ nhôm, nhiệt độ bé rong hồ thé hai trường hợp hai photon + Trong cơng trình “hấp thụ quang học phi tuyến hai photon giống lượng tử bán parobol đối xứng”, nhóm tác giả Lương Vã Ting H nh Vĩnh Phúc [6] di sit dung phương pháp proRle, phương pháp tính số để MOAC tăng theo «40 lớn gây dịch chuyển xanh vỉ trí với tăng tần số giam giữ từ trường, nhiệt độ ảnh hưởng đến độ lớn MOAC mà khơng ảnh hưởng đến vi trí đình quang phổ hấp thụ Bên cạnh đó, kết nghiên cứu cho thấy HWHM tang tuyển tính với tham số + Nh6m tác giả Huỳnh Vĩnh Phúc, Đoàn Quốc Khoa, Nguyễn Văn Hiểu, Nguyễn XNgọc Hiểu khảo sát “sự hấp thụ quang từ phí tuyến tuyến tính hồ lượng từ parabol" [30 Nhóm tác giả sử dụng phương pháp tính số để giải phương trình Schrodinger hồ lượng tử parabol đối xứng hữu hạn (FSPQW), kết sử dụng để tính tốn hệ số hấp thu quang tir (MOAC) Mat khác, nhóm tác giả sử dung phương pháp profile dé thu dude độ rộng vạch phổ Kết thu được, MOAC va FWHM ph thade vio thay đổi từ trường, nhiệt độ bề rộng hồ, Các đình cơng hưởng MOAC tn chun phía có lượng cao từ trường tăng, địch chuyển xuống vùng lượng thấp tăng bể rộng hỗ không thay đổi theo nhiệt độ Ngoài ra, FWWHM tăng theo từ trường nhiệt đồ, giảm theo bề ơng hồ, + Nhóm tác giả Huỳnh Vĩnh Phúc, Nguyễn Duy Anh Tuấn, Lê Đình (32) khảo sắt “hấp thụ từ quang tuyến tính phi tuyển giống lượng tử biến điệu trường laser cường độ cad? Nhóm tác giả sử dụng phương pháp tính số để giải phương trình Schrodinger dé thu cí trúc vùng lượng, kết sử «dungđể tính tốn MOAC Bên cạnh đó, nhóm tác giả sử dụng phương phap profile dé thu độ rộng vạch phổ Kết thu cho thấy MOAC va FWHM phụ thuộc đáng kể vào thay đổi từ trường, nhiệt độ trường laser Các định cộng hưởng MOAC dịch chuyển phía lượng cao từ trường tăng, không thay đổi theo nhiệt độ Ngoài ra, FWHM tăng theo từ trường nhiệt độ hai trình hấp thụ hai photon Nước ngồi © mde ngồi năm trở lại photon, hiệu ứng quan trọng vật nghiên cứu tính thiết thực Ta kể số nhóm tác giả nghiên cứu vấn đề kể trẻ