VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ VÕ THỊ HOA LÝ THUYẾT EXCITON VÀ BIEXCITON LOẠI HAI TRONG HỆ HAI CHẤM LƯỢNG TỬ VÀ LỚP KÉP GRAPHENE Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số chuyên ngành: 62 44 01 03 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt 2. TS. Ngô Văn Thanh HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả mới mà tôi công bố trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày......tháng năm 2014 Tác giả Võ Thị Hoa
VIỆNHÀNLÂMKHOAHỌCVÀCƠNGNGHỆVIỆTNAM VIỆNVẬTLÝ VÕTHỊHOA LÝTHUYẾTEXCITONVÀBIEXCITONLOẠIHAITRONGHỆ HAICHẤMLƯỢNGTỬVÀ LỚPKÉPGRAPHENE Chunngành:VậtlýlýthuyếtvàVậtlýtốn Mãsốchunngành:62440103 Ngườihướngdẫnkhoahọc: GS TSKH.NguyễnÁiViệt TS.NgôVănThanh HÀNỘI–2014 LỜI CAMĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kếtquả mà công bố luận án trung thực chưa công bố trongbấtkỳcơngtrìnhnàokhác HàNội,ngày tháng .năm2014 Tácgiả VõThịHoa LỜICẢMƠN Để học Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ ViệtNam, trước hết xin chân thành cảm ơn giúp đỡ TS Lê Duy Phát, nguyênhiệu trưởng trường Đại học Quảng Nam, TS Huỳnh Trọng Dương, hiệu trưởngtrườngĐạihọc QuảngNam tậpthể cán bộgiảngviênKhoa Lý -Hóa -Sinh Trong q trình học tập làm việc Viện Vật lý, hướng dẫn củaGS TSKH Nguyễn Ái Việt TS Ngô Văn Thanh, học hỏi nhiềukiến thức Vật lý, Tốn học ứng dụng máy tính để mơ tốn.Để hồn thành Luận án Tiến sĩ để trở thành người có khảnăng độc lập nghiên cứu Khoa học, tơi xin gửi đến hai người thầy hướng dẫn trựctiếp lời cảm ơn sâu sắc với tất tình cảm u q lịng kínhtrọngcủamình Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thành viên nhóm Vật lý lýthuyết vật lý tốn giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình thực luận ánnày Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Vật lý tạo điều kiện thuận lợi cho họctập nghiên cứu Viện, phòng sau đại học hỗ trợ tơi hồn thành thủ tụcbảovệluậnán Cuối cùng, xin dành tất thành học tập mìnhdâng tặng người thân yêu gia đình, người ln bên cạnh độngviênvàgiúpđỡtơivượtquamọikhókhăn MỤCLỤC LỜICAMĐOAN .i LỜICẢMƠN ii MỤCLỤC iii DANH MỤCCÁCHÌNH .vii DANH MỤCCÁCBẢNG .xi MỞ ĐẦU Chương1.TỔNG QUANVỀHỆTHẤPCHIỀU 1.1 KHÁINIỆMHỆTHẤP CHIỀU 1.2 ĐIỆNTỬTRONGHỆTHẤPCHIỀU 1.2.1 Hạtchuyểnđộngtronghốthếvnggóc 1.2.2 Điệntử tronghệhaichiều 1.2.3 Điệntử tronghệmộtchiều 1.2.4 Điệntử tronghệkhôngchiều 1.3 ĐẠICƯƠNGVỀEXCITONVÀBIEXCITON 10 1.3.1 Exciton–Excitonloại1–Excitonloại2 10 1.3.2 Biexciton–Biexcitonloại1–Biexcitonloại2 14 1.4 EXCITONLOẠI1TRONGCÁCHỆTHẤPCHIỀU 15 1.4.1 PhươngtrìnhWannier 15 1.4.2 Trườnghợphệhaichiềuvàbachiều 19 1.4.3 Trườnghợphệmộtchiều 20 1.4.4 Trườnghợphệkhôngchiều .21 1.5 BIEXCITONLOẠI1TRONGCÁCHỆTHẤPCHIỀU 24 1.5.1 Biexcitontronggiếnglượng tử .24 1.5.2 Biexcitontrongốngnanô 27 1.5.3 Biexcitontrongchấmlượngtử 30 1.6 KẾTLUẬNCHƯƠNG1 35 Chương 2.EXCITON VÀ BIEXCITONLOẠI2 TRONGHỆHAICHẤMLƯỢNGTỬ .37 2.1 MÁYTÍNHLƯỢNGTỬ 37 2.1.1 Mơhìnhmáytínhlượngtử spin 38 2.1.2 Mơhìnhmáytínhlượngtửquang .40 2.1.3 Biexcitontrongbándẫnkhối 41 2.2 EXCITON LOẠI2TRONG HAICHẤMLƯỢNGTỬ .46 2.2.1 Mơhìnhexcitonloại2 tronghaichấmlượngtử 46 2.2.2 Nănglượngliênkếtcủaexcitonloại2 tronghaichấmlượng tử 51 2.3 BIEXCITON LOẠI2TRONG HAICHẤMLƯỢNGTỬCÙNG KÍCH THƯỚC 57 2.3.1 Mơhìnhbiexciton loại2 tronghaichấm lượngtửcùngkíchthước .57 2.3.2 Năng lượngcủabiexcitonloại2tronghaichấmlượng tửcùngkíchthướckhi chưatínhđếnthếtươngtác 59 2.3.3 Nănglượngliênkếtcủabiexcitonloại2tronghaichấmlượngtửcùngkích thước .60 2.4 BIEXCITON LOẠI2TRONG HAICHẤMLƯỢNGTỬCĨ KÍCH THƯỚCKHÁCNHAU 66 2.4.1 Mơhìnhbiexcitonloại2tronghaichấmlượngtửcókíchthướckhácnhau.66 2.4.2 Nănglượngcủa biexcitonloại 2tronghaichấmlượngtửkháckíchthướckhi chưa tính đếnthếtươngtác .68 2.4.3 Thơngsốtươngtác Fưrster(biểuthị quanănglượngliênkếtbiexcitonloại 2) 69 2.5 KẾTLUẬNCHƯƠNG2 73 Chương EXCITON VÀ BIEXCITON LOẠI TRONG HỆ CÁC LỚPGRAPHENE 75 3.1 GRAPHENE 75 3.2 EXCITON LOẠI2TRONGLỚPKÉPGRAPHENE 78 3.2.1 Cấu trúcnăng lượngtronglớpkép graphene 78 3.2.2 Excitonloại2tronglớpképgraphene 81 3.3 BIEXCITON TỪTRONG HỆLỚPTAMGRAPHENE 84 3.3.1 Mơhìnhbiexciton tronghệ lớptamgraphene 85 3.3.2 Thếcủahệexcitontừtronghệlớptamgraphene 85 3.3.3 GầnđúngthếMorse .88 3.3.4 Sựphụthuộccủacácmứcn ă n g lượngvàokhoảngcáchgiữacáclớpgraphenevà từtrường 90 3.4 KẾTLUẬNCHƯƠNG3 95 KẾT LUẬN 97 Danhsáchcáccông bốkhoahọc .99 TÀILIỆUTHAMKHẢO 100 DANHMỤCCÁCCHỮVIẾTTẮT 0D (Zero dimension) : Không chiều 1D(Onedimension) :Mộtchiều 2D (Two dimensions) : Hai chiều 3D(Threedimensions) :3D CB(Conductionband) :Vùngdẫn GS (Groundstate) :Trạngtháicơbản Q1D(Quasionedimension) :Giảmộtchiều Q2D(Quasi two dimensions) :Giảhaichiều QD (Quantumdots) :Chấmlượngtử QW(Quantumwell)) :Giếnglượngtử QWs(Quantumwires) :Dâylượngtử VB (Valenceband) :Vùnghoátrị DANHMỤCCÁCHÌNH Hình 1.1 Sơ đồ hình thành khơng cộng hưởng exciton giếng lượng tử.lànănglượngcủấnhsángkíchthích,c h ỉ độrộngcủagiếng,PL lànănglượngphátquang, lầnlượtlàđộlệchvùngdẫnvàvùnghoátrị[86] 11 Hình 1.2 Exciton xiên theok h n g g i a n ; a) Exciton mặtt i ế p giáp; b ) e x c i t o n t r o n g Q W , c)excitontrongchấmlượngtử[2] .13 Hình1.3.Excitonxiêntheokhơnggianxunglượngk[2] 13 Hình1.4 Sơđồ4mứcminhhọasựhìnhthànhgiảhạtbiexciton[116,117] 14 Hình1.5.Mơhình biexciton haichiều giamgiữtrong giếnglượng tửcóbềrộng hẹpsovới kíchthướccủabiexciton[88] 24 Hình1.6.Cấutrúchìnhhọc củatrạngtháibiexcitontrênbềmặtcủa hìnhtrụ[83] 28 Hình1.7.Nănglượngliênkếtcủabiexcitontrongốngnanơ[83] 29 Hình1 8.Nănglượngliênkếtcủabiexcitonkhitỉsốkhốilượngme/mh0,1 (đường 1);0,2 (đường2); 1(đường3).Đườngđứtnétchothấykếtquảcủagần đúngbậc3theolý thuyếtnhiễuloạn[8] .33 Hình1 N ă n g l ợ n g l i ê n k ế t c ủ a b i e x c i t o n p h ụ t h u ộ c v o bán kínhchấmkhi (đườngliềnnét); (đường đứtnét)[8] .34 Hình2.1.Ngunlýhoạtđộng củamáytính lượngtử[119] 37 Hình 2.2 Thế tương tác exciton-exciton Đường không liền nét đường chấm làkếtquảcủaHeitlervàLondon[40]vàBrinkman[15] .43 Hình 2.3 Năng lượng liên kết biexciton hàm (đường liền nét).Đường không liền nét đường chấm kết Akimoto Hanamura [6] vàBrinkman[15] 44 Hình2.4.Các mức năngl ợ n g củabiexciton ,và sos n h vớisốl i ệ u thu đượctừthựcnghiệm 45 Hình2.5.Sơđồ dảinănglượng củachấmlượng tử 46 Hình2.6.Mơhìnhcặp điệntử-lỗtrốngtronghaichấmlượng tử(excitonloại2) 47 Hình2.7.Nănglượngliênkếtcủaexcitonloạihaitronghaichấmlượngtửphụthuộcvàokhoảng cách ( )giữahaichấm 53 Hình2.8.Nănglượngliênkếtcủaexcitonloạihaiphụthuộcvàobánkínhhiệudụngcủachuy ểnđộngtươngđối Hình2.9 Nănglượngliênkếtcủaexcitonloại2phụthuộcvàohằngsốđiệnmơi 54 Hình2 N ă n g l ợ n g l i ê n k ế t c ủ a e x c i t o n l o i p h ụ t h u ộ c v o k h o ả n g c c h g i ữ a h a i chấm vàhằngsốđiệnmôi 55 Hình 2.11 Nănglượngliên kếtcủa exciton loại hai phụ thuộc tỉ lệnghịch với kích thướcchấmtheoTomasulovàRamakrishna[95] 56 Hình2.12.Nănglượngcủaexcitontiếpgiápphụthuộcvào [66] 56 Hình2.13.Mơhìnhhaiexcitonnằmtronghaichấmlượngtử 57 Hình2.14.Đường biểudiễncủathế Morse 61 Hình2 N ă n g l ợ n g l i ê n k ế t c ủ a h a i e x c i t o n n ằ m t r o n g h a i c h ấ m v i t h ế t n gtác Morsephụ thuộcvào 63 Hình2 N ă n g l ợ n g l i ê n k ế t c ủ a h a i e x c i t o n n ằ m t r o n g h a i c h ấ m v i t h ế t n gtác Morsephụthuộcvào 63 Hình2 N ă n g l ợ n g l i ê n k ế t c ủ a h a i e x c i t o n n ằ m t r o n g h a i c h ấ m v i t h ế t n gtác Morsetheo .64 Hình 2.18 Năng lượng liên kết hai exciton nằm hai chấm tính gần đượcbiểudiễntheo(giảsử ) 65 Hình2.19.Mơhìnhbiexcitontrong haichấmlượngtửkháckíchthước .67 Hình2.20.SựphụthuộccủatỉsốtươngtácFưrsternhưlàhàmcủatỉsốkíchthướcchấm(vớigiảđ ịnh ) 71 Hình3 G r a p h e n e v c c d n g h ì n h t h ù b ề n c ủ a c a c b o n đ ợ c h ì n h t h n h t g r a p h e n e [118] 75 Hình3.2.Lớp đơngraphenevàphổnănglượngtánsắcđốivớilớp đơngraphene[121] 76