Nghiên cứu hiệu ứng stark quang học và hiện tượng phách lượng tử trong một số cấu trúc bán dẫn thấp chiều

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ THỊ DIỆU HIỀN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC VÀ HIỆN TƯỢNG PHÁCH LƯỢNG TỬ TRONG MỘT SỐ CẤU TRÚC BÁN DẪN THẤP CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Huế, 2023 Luận án tiến sĩ ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ THỊ DIỆU HIỀN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC VÀ HIỆN TƯỢNG PHÁCH LƯỢNG TỬ TRONG MỘT SỐ CẤU TRÚC BÁN DẪN THẤP CHIỀU Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 44 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học PGS TS ĐINH NHƯ THẢO Huế, 2023 Luận án tiến sĩ LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, em xin tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến Thầy giáo PGS TS Đinh Như Thảo, người thầy tận tình hướng dẫn hỗ trợ em suốt thời gian học tập nghiên cứu Ngoài kiến thức chun mơn, Thầy cịn người ln động viên tinh thần giúp em học cách tiếp cận giải vấn đề khoa học vấn đề liên quan khác Những em học từ Thầy hành trang giúp em theo đuổi đam mê nghiên cứu khoa học sau Em xin chân thành cám ơn: Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế; Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế; Phòng Sau đại học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian học tập nghiên cứu để hoàn thành luận án Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa toàn thể quý Thầy Cô giáo Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế tận tình giảng dạy, hướng dẫn, động viên quan tâm em suốt trình em học tập thực luận án khoa Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban chủ nhiệm khoa tồn thể q Thầy Cơ khoa Điện, Điện tử Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế bên cạnh giúp đỡ cổ vũ tinh thần cho em suốt trình học tập thực luận án Em xin cảm ơn anh chị i Luận án tiến sĩ nhóm nghiên cứu SNS Huế ln động viên nhiệt tình hỗ trợ cho em mặt chuyên môn kinh nghiệm hoạt động học tập nghiên cứu khoa học Cuối cùng, em xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ba Mẹ, chồng người thân gia đình, bạn bè ln ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành tốt luận án Nghiên cứu sinh Lê Thị Diệu Hiền ii Luận án tiến sĩ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, hình ảnh kết nghiên cứu nêu luận án trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả luận án Lê Thị Diệu Hiền iii Luận án tiến sĩ MỤC LỤC Lời cảm ơn i Lời cam đoan iii Mục lục iv Danh mục bảng vii Danh mục hình vẽ xiv Mở đầu Nội dung 10 Chương Cơ sở lý thuyết 10 1.1 Tổng quan chấm lượng tử bán dẫn 10 1.2 Exciton chấm lượng tử 14 1.3 Phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa 15 1.4 Kết luận chương 19 Chương Hiệu ứng Stark quang học ba mức exciton chấm lượng tử 20 2.1 Hiệu ứng Stark quang học chấm lượng tử dạng quạt cầu với vng góc sâu vơ hạn 20 2.1.1 Hàm sóng phổ lượng điện tử lỗ trống 20 2.1.2 Phổ hấp thụ exciton khơng có tác dụng laser bơm iv Luận án tiến sĩ 24 2.1.3 Phổ hấp thụ exciton tác dụng laser bơm - Hiệu ứng Stark quang học 28 2.1.4 Kết tính số thảo luận 34 2.2 Hiệu ứng Stark quang học chấm lượng tử dạng đĩa với vng góc sâu vơ hạn 41 2.2.1 Hàm sóng phổ lượng điện tử lỗ trống 41 2.2.2 Phổ hấp thụ exciton khơng có tác dụng laser bơm 45 2.2.3 Phổ hấp thụ exciton tác dụng laser bơm - Hiệu ứng Stark quang học 47 2.2.4 Kết tính số thảo luận 49 2.3 Hiệu ứng Stark quang học chấm lượng tử dạng đĩa với parabol 54 2.3.1 Hàm sóng phổ lượng điện tử lỗ trống 54 2.3.2 Phổ hấp thụ exciton khơng có tác dụng laser bơm 57 2.3.3 Phổ hấp thụ exciton tác dụng laser bơm - Hiệu ứng Stark quang học 59 2.3.4 Kết tính số thảo luận 61 2.4 Kết luận chương 67 Chương Phách lượng tử exciton chấm lượng tử 69 3.1 Phách lượng tử chấm lượng tử dạng quạt cầu với vng góc sâu vơ hạn 69 3.1.1 Cường độ hấp thụ exciton khơng có tác dụng laser bơm v Luận án tiến sĩ 69 3.1.2 Cường độ hấp thụ exciton tác dụng laser bơm - Phách lượng tử 73 3.1.3 Kết tính số thảo luận 77 3.2 Phách lượng tử chấm lượng tử dạng đĩa với vng góc sâu vơ hạn 85 3.2.1 Cường độ hấp thụ exciton khơng có tác dụng laser bơm 85 3.2.2 Cường độ hấp thụ exciton tác dụng laser bơm - Phách lượng tử 87 3.2.3 Kết tính số thảo luận 89 3.3 Phách lượng tử chấm lượng tử dạng đĩa với parabol 94 3.3.1 Cường độ hấp thụ exciton tác dụng laser bơm 94 3.3.2 Cường độ hấp thụ exciton tác dụng laser bơm - Phách lượng tử 96 3.3.3 Kết tính số thảo luận 98 3.4 Kết luận chương 103 Kết luận chung 105 Danh mục cơng trình liên quan đến luận án 107 Tài liệu tham khảo 108 Phụ lục P.1 vi Luận án tiến sĩ DANH MỤC CÁC BẢNG 2.1 Các không điểm χn hàm Bessel Jν+ 21 (ke,h r) với góc đỉnh θ0 = 30 ◦ vii Luận án tiến sĩ 24 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1.1 Giản đồ mức lượng exciton lượng liên kết exciton 1.2 14 Giản đồ mơ hình hệ ba mức lượng lượng tử hóa điện tử lỗ trống Laser bơm có lượng ℏωp cộng hưởng với hai mức E1e E2e điện tử, laser dị có lượng ℏωt kích thích chuyển dời quang từ mức E0h lỗ trống lên mức E1e điện tử 16 2.1 Hình ảnh 3D chấm lượng tử dạng quạt cầu [105] 20 2.2 Hình ảnh chấm lượng tử dạng quạt cầu phép chiếu y = 2.3 Giản đồ mơ hình hệ ba mức điện tử lỗ trống hệ chưa chịu tác dụng laser bơm 2.4 21 24 Giản đồ tách mức lượng điện tử hệ chịu tác dụng laser bơm mạnh cộng hưởng với hiệu hai mức lượng điện tử 2.5 28 Tốc độ chuyển dời exciton hai trường hợp: khơng có tác dụng laser bơm có tác dụng laser bơm với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = meV 2.6 35 Tốc độ chuyển dời exciton trường hợp có mặt laser bơm hàm độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω ◦ với θ0 = 60 R = 50 ˚ A viii Luận án tiến sĩ 37   i e+ i h i e− V21 − e− ℏ E2 t − e− ℏ E2 t uc (⃗r) Ψe2 (⃗r) ⃗n · p⃗ˆ uv (⃗r) Ψh1 (⃗r) e− ℏ E1 t 2ℏΩR   ∗ i e+ qAt e−iωt t  − i E1e− t − E t + α2 e ℏ =− α1 e ℏ m0 iωt 2ΩR D E i h ˆ e h × uc (⃗r) Ψ1 (⃗r) ⃗n · p⃗ uv (⃗r) Ψ1 (⃗r) e− ℏ E1 t   ∗ i e+ qAt e−iωt t V21  − i E2e− t − E t e ℏ −e ℏ + m0 iωt 2ℏΩR D E i h ˆ h e × uc (⃗r) Ψ2 (⃗r)