Hiệu ứng sinh đa Exciton trong pin mặt trời chấm lượng tử

1 IăH CăQU CăGIAăHĨăN I TR NG I H C CÔNG NGH  KI UăTH ăQUYểN HI U NG SINH A EXCITON TRONG PIN M T TR I CH M L NG T LU NăV NăTH CăS HƠăN iăậ 2007 IăH CăQU CăGIAăHĨăN I TR NG I H C CÔNG NGH  KI UăTH ăQUYểN HI U NG SINH A EXCITON TRONG PIN M T TR I CH M L NG T ChuyênăngƠnh:ăCôngăngh ănanô Mƣăs :ă LU NăV NăTH CăS NG IăH NGăD NăKHOAăH C: GS.ăNguy năV năHi u HƠăN iăậ 2007 L I CAM OAN Tôiăxinăcamăđoană đơyălƠă côngătrìnhănghiênăc uăkhoaă h că c aătôiăd iăs ă h ngă d nă c aă GS.ă Nguy nă V nă Hi uă (Tr ngă đ iă h că côngă ngh iă h că Qu căgiaăHƠăn i).ăCácăk tăqu ătrongălu năv nălƠăhoƠnătoƠnătrungăth căvƠăch aă t ngăđ căaiăcôngăb ă ăb tăkìăcôngătrìnhănƠoăkhác 4 L IC M N Emăxinăg iăl iăc mă năchơnăthƠnhăđ năGs.ăVSKH.ăNguy năV nă Hi uăng iăđƣăt nătìnhăch ăb o,ăgiúpăđ ăvƠăh tăs căt oăđi uăki nătrongă quáătrìnhăh ngăd năemăhoƠnăthƠnhălu năv năth căs ănƠy Emăc ngăxinăđ căg iăl iăc mă năt iăcácăth yăcôătrongăkhoa,ăgiaă đìnhăvƠăb năbèăđƣăgiúpăđ ăvƠăt oăđi uăki năt tăđ ăemăcóăđ ăth iăgiană vƠăph ngăti năđ ăhoƠnăthƠnhălu năv nănƠy 5 M CăL C Trang Trangăph ăbìa L iăcamăđoan L iăc mă n M căl c M ă U.ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ Ch ngă 1:ă PH NGă PHỄPă L NGă T ă HOỄă TRONGă Lệă THUY Tă H ă NHI UăH T.ăLệăTHUY TăNHI UăLO Nầầ 1.1ăPh ngăphápăl ngăt ăhóaătrongălíăthuy tăh ănhi uăh tầ 1.1.1ăL ngăt ăhóaătr ngăđi năt ầầầầầầầầầầầầầầ 1.1.2ăL ngăt ăhóaătr ngăvôăh ngầầầầầầầầầầ 1.1.3ăL ngăt ăhóaătr ngăspin ầầầầầầầầầầầầầầầ 1.2ăLíăthuy tănhi uălo năầầầầầầầầầầầầầầầ ầầầầ 1.2.1ăHamilt năt ngătácăvƠăbi uădi năt ngătác ầầầầầầầầầ9 1.2.2ăMaătr nătánăx ầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ 11 Ch ngă 2:ă Y Uă T ă MAă TR Nă C Aă QUỄă TRỊNHă SINHă Aă EXCITONă TRONGăCH MăL NGăT ăBỄNăD NăKHIăH PăTH ăM TăPHOTON ầ14 2.1.ăPhép g năđúngăb căm tăầầầầầầầầầầ ầ ầầầầầ 16 2.2.ăPhép g năđúngăb căhaiăầầầầầầầầầầ ầ ầầầầầ 17 2.3.ăPhépăg năđúng b căbaăầầầầầầầầầầầầầầầầầầ 18 2.4.ăPhépăg năđúngăb căb nầầầầầầầầầầầầầầầầầ 34 2.5.ăPhépăg năđúngăb măầầầầầầầầầầầầầầầầầ 35 Ch ngă3:ăXỄCăSU TăC AăCỄCăQUỄăTRỊNHăSINHă AăEXCITON ầầ 44 3.1ăQuáătrìnhăsinhăm tăexciton ầầầầầầầầầầầầầầầầ 44 3.2ăQuáătrìnhăsinhăhaiăexciton ầầầầầầầầầầầầầầ 46 3.3ăQuáătrìnhăsinhăraăbaăexciton 48 K TăLU N ầầầầầầầầầầầầầầầ.ầầầầầầầ 51 TĨIăLI UăTHAMăKH Oầ ầầầầầầầầầầ ầầầầầ 53 M ă U Trongă nh ngă n mă g nă đơyă khoaă h că k ă thu tă vƠă côngă ngh ă trênă th ă gi iă ngƠyăcƠngăcóănhi uăb căti nănh yăv t,ănhi uăv tăli uăm i,ănhi uăhi năt ngăm iă đ cătìmăth yăb ngăconăđ ngăth cănghi măvƠălíăthuy t.ăHi uă ngăsinhăexcitonă trongă bánă d nă kh iă đƣă đ că nghiênă c uă t ă r tă lơuă songă quáă trìnhă sinhă nhi uă excitonăch aăđ căchúătr ngămƠăng iătaăm iăch ănghiênăc uăs ăsinhăbiexcitonă khiă h pă th m t photon, trongă ch mă l ngă t ă doă cácă m că n ngă l ngă lƠă giánă đo nănênăxácăsu tăsinhăđaăexcitonăt ăvi căh păth ăm tăphoton t ngălênăsoăv iăbánă d năkh i.ăH năn a, vìăánhăsángăm tătr iăcóăd iăph ăr ngăchoănênăkhiăh păth ăánhă sángăm tătr iăcóăth ăđ ngăth iăx yăraăquáătrìnhăsinhănhi uăexciton Hi uă ngăsinhăđaăexcitonătrongăpinăm tătr iăch măl ngăt ăđƣăđ cănhómă cácănhƠănghiênăc uăc aăM ătìm th yăb ngăth cănghi măvƠoăn mă2005.ăVìăv y,ă yêuăc uăđ tăraălƠăph iăxơyăd ngăm tămôăhìnhălíăthuy tăđ ăsoăsánh Vìăv yătrong lu năv năth căs nƠyătôiăxinătrìnhăbƠyăhi uă ngăsinhăđaăexcitonă trongăpinăm tătr iăch măl ngăt ăb ngălíăthuy tăthôngăquaăthuy tăl ngăt ăhóaă l năhaiăc aăh ănhi uăh tăvƠălíăthuy tănhi uălo n Ph ngăphápănghiênăc uăđóălƠăd aăvƠoăthuy tăl ngăt ăhóaăl năhaiăc aăh ă nhi uăh tăđ ăvi tăhƠmăsóngăc aăđi năt ătrongăbánăd năch măl ngăt ,ăhƠmăsóngă c aă tr ngă nă t ,ă s ă d ngă tínhă ch tă c aă cácă toánă t ă sinhă vƠă toánă t ă h yă h tă trongă tínhă toán.ă D aă vƠoă líă thuy tă nhi uă lo nă đ ă vi tă Hamiltonă t ngă tácă gi aă tr ngăđi năt ăvƠătr ngăspin , tínhăy uăt ămaătr n,ătínhăxácăsu tăx yăra c aăquáă trình sinhă đaă excitonă khiă h ă nă t ă trongă ch mă l ngă t ă bánă d nă khiă b ă kíchă thíchăb iăm tăphotonăvƠăb ăkíchăthíchăb iăánhăsángăm tătr i lƠăm tădòngăphotonă cóăn ngăl ngăthayăđ iăliênăt căt ăvùngăt ăngo iăđ năvùngăh ngăngo i 7 NG PHÁP L NG T HOÁ TRONG Lệ THUY T H NHI U H T 1.1 Ph ng pháp l ng t hóa lí thuy t h nhi u h t 1.1.1 L ng t hóa tr ng n t [1] H ă ph ngătrìnhăMaxwellă choă cácă c ngă đ ăđi nă tr ngăvƠă t ă tr ngă cóă d ng: Ch ng 1: PH divH  0, H  0, rotE  t E  j, rotH  t divE   Taăbi uădi năvect ăc th ăvôăh ngă  nh ăsau: ngăđ ăđi nătr (1.1) ngăvƠăt ătr ngăquaăth ăvect ăAăvƠă H  rotA E   grad  Xétă tr (1.2) A t (1.3) ngă nă t ă trongă chơnă không,ă t că lƠă đ tă j  0,   ă Vìă A,  khôngăđ căxácăđ nhăđ năgiáănênătaăch năchúngăsaoăchoănóăth aămƣnăđi uă ki nă Lorentză vƠă trongă chơnă khôngă   khiă đóă nătr ngăvƠăt ătr divA  ă Vect ă c ngă đ ă ngăbi uădi năquaăchúngănh ăsau: A t H  rotA E (1.4) Cácăsóngăph ngăđ năs căd ngăt ngăquátăcóăd ng Ai  a i cos[ (t  nr )   i ]  a i sos(t  kr   i ) k   n (1.5) (1.6) ăđơyătaăđ aăthêmăvƠoăthƠnhăph năph c: i   i exp[i(t  kr )] trongăđóă (1.7)  i  a i exp( i ), a i  (1.8) Khiăchu năhóaătrongăhìnhăh păch ănh tăVăvƠăs ăd ngăđi uăki năbiênătu nă hoƠnătaăcóăth ăvect ăchu năhóaănh ăsau:  vk exp[ i(t  kr )], v  1,2 V vk  (1.9) v iăcácăđi uăki năchu năhóa:  vk  v'k   vv' (1.10)  (1.11)  v'k ' vk dr   vv' kk ' V  ThƠnhăph năth căc aăth ăvect ăs ălƠă A     Khaiătri năc ngăđ ăđi nătr ngăvƠăt ătr ngănh ăsau: E    q (t )e (r ) (1.12) H   p (t )h (r ) (1.13)   N ngăl ngătoƠnăph năc aătr ngăđi năt ăs ălƠ: 1 2 ( E H ) d r ( p2  2 q2 )     2   T ăcácăcôngăth că ătrênătaăd ădƠngărútăraăđ q   p vƠăăă p    (1.14) că  q (1.15) Haiă ph ngă trìnhă trênă hoƠnă toƠnă cóă th ă bi nă đ iă v ă d ngă c aă h ă ph ngă trìnhăMaxwell,ăngh aălƠă cácă ph ngătrìnhăc aă tr ngăđi năt ăcóăth ă đ că bi uă di năd iăd ngăcácăph ngătrìnhăHamiltonăn uăcoiă q vƠă p nh ălƠăt aăđ ăvƠă xungăl ngăsuyăr ngăcònăn ngăl ngătoƠnăph năHănh ălƠăHamilton Khiăl ngăt ăhóaătr ngăđi năt ătaăthayăth ăt aăđ ăvƠăxungăl ngăsuyăr ngă b ngăcácătoánăt ăvƠăchúngăth aămƣnăcácăh ăth căgiaoăhoán: qˆ   , qˆ   0, pˆ   , pˆ   0, qˆ   , pˆ   i ij (1.16) N ngăl ngătoƠnăph n,ăxungăl ngătoƠnăph n,ăvƠăcácăđ iăl ngăv tălíăkhácă c aătr ngăđi năt ăc ngătr ăthƠnhăcácătoánăt ăH ăth c c aăHamiltonătr ngăđi nă t ălƠ: Hˆ   ( pˆ 2  2 qˆ2 )  Th ăvect ăc aătr d ng:ăă ˆ   V  2 cˆ (1.17) ngăđi năt xétătrongăkhôngăgianăh uăh năth ătíchăV cóă vk   vk exp[ i(t  kr )]  cˆvk  vk exp[i(t  kr )] vk (1.18) Trongăđóăcácătoánăt ă cˆvk , cˆvk lƠăcácătoánăt ăh yăphotonăvƠăsinhăphoton  1.1.2 L ng t hóa tr Xétătr ng vô h ng [1] ngă  (r , t ) ăHamiltonianălƠ: ngăvôăh 2 H    (r , t ) [  V(r )]. (r , t )dr 2m  (1.19) Gi ăs ăcóăm tăh ăđ ă  i (r ) cácănghi mătr căgiaoăchu năhóaăc aăph ngă trìnhăSchrodinger 2 [  V(r )]. i (r )   i i (r ) 2m Tr (1.20) ngă  (r , t ) cóăth ăkhaiătri nătheoăh ăđ ăcácăhƠmăsóngăă  i (r )  (r , t )    i (t )i (r ) (1.21) i Thayăkhaiătri nănƠyăvƠoăv ăph iăc aă(1.19)ătaăcó:   2 H    i (t ) *  j (t )   i (r ) *   V(r ) i (r )d r i, j   2m =  (t ) *  i i, j j (t ) j   i (r ) *  j (r )d r Ngh aălƠ: H    i i (t ) *  i (t ) i (1.22) 10 t: i  Taăthuăđ  2 i ( i qi  ip i ) ,  i  ( i qi  ipi ) 2 i (1.23) c: H ( pi2   i2 qi2 )  i VìăcácăhƠmăsóngă i (r ) ăv ăph iăc aăph trìnhă Schodingeră (1.20) choă nênă t ă ph (1.24) ngătrìnhă(1.21)ăth aămƣnăph ngă ngă trìnhă Schodingeră c aă tr ngă  (r , t ) :  (r , t ) 2 i  [  V(r )] (r , t ) t 2m Taăsuyăraăph (1.25) ngătrìnhăviăphơnăđ iăv iăcácăh ăs ăkhaiătri nă  i (t ) d i (t )   i i (t ) (1.26) dt ThayăvƠoăđơyăbi uăth că(1.23)ăbi uădi nă  i qua p i vƠă q i taăthuăđ căh ă i i (t )  i ph ngătrìnhăđ iăv iăcácăhƠmăth că q i vƠă p i q i  pi , p i   i qi (1.27) M tăkhácăcôngăth că(1.24) cho ta H  pi , pi Soăsánhăh ăth cănƠyăv iăcácăph H   i qi qi ngătrìnhă(1.27),ătaăthuăđ căph ngătrìnhăă Hamiltonăđ iăv iă q i vƠă p i qi  Nh ăv yăcácăđ iăl suyă r ngă c aă tr H H    p i pi , qi ngă p i vƠă q i cóăth ăđ ngă vôă h ngă  (r , t ) ă Ph căcoiănh ăxungăl (1.28) ngăvƠăto đ ă ngă trìnhă Schodingeră c aă tr ngă nƠyă t ngă đ ngă v iă h ă ph ngă trìnhă Hamilt n.ă Nóiă cáchă khácă ph ngă trìnhă c aătr ngăvôăh ngăc ngăcóăth ăđ căvi tăd iăd ngăt ngăt ănh ăcácăph ngă 11 TÀI LI U THAM KH O Ti ng Vi t Nguy năV năHi u,ăNguy năBáăÂn,ăC s lý thuy t c a v t lí l ng t ,ăNhƠă xu tăb nă iăh căQu căgiaăHƠăn i,ă2004 Nguy nă V nă Hi u,ă Nguy nă Bíchă HƠ,ă Bài gi ng lí thuy t l ng t h nanô,ă iăh căcôngăngh - iăh căqu căgiaăHƠăn i,ă2004 Nguy năV năHi u,ăPh ng pháp lý thuy t tr ng l ng t v t lí ch t r n v t lí th ng kê,ăNhƠăxu tăb nă iăh căQu căgiaăHƠăn i,ă2000 Ti ng Anh Califano, M , Zunger, A & Franceschetti, A Appl Phys Lett 84, 24092411, 2004 G Allan, C Delerue, Role of impact ionization in multiple exciton generation in PbSe nanocrytals, Phys Rev 73, 205423, 2006 Gmachl, C et al, Rep Prog Phys 64, 1533- 1601, 2001 Jung, H K., Taniguchi, K & Hamaguchi, C I Appl Phys Lett 79, 24732480, 1996 Keldysh, L V Sov Phys JETP USSR 21, 1135, 1965 Philippe Guyot- Sionnest, Quantum dots a new quantum state, News and views, Nature materials vol 4, septembre 2006 10.R J Ellingson, M C Beard, J C Johnson, P Yu, O I Micie, A J Nozik, A Schabaev, and A L Efros, Hight efficient Multiple Exciton Generation in Colloidal PbSe and PbS Quantum Dots, Nano Lett 5, 865 871, 2005 11.Schaller, R D & Klimov, V I., Phys Rev Lett 92, 186601, 2004  ... ngă3:ăXỄCăSU TăC AăCỄCăQUỄăTRỊNH SINH A EXCITON ầầ 44 3.1ăQuáătrình sinh m t exciton ầầầầầầầầầầầầầầầầ 44 3.2ăQuáătrình sinh hai exciton ầầầầầầầầầầầầầầ 46 3.3ăQuáătrình sinh raăba exciton 48 K... t.ăHi uă ng sinh exciton trong bánă d nă kh iă đƣă đ că nghiênă c uă t ă r tă lơuă songă quáă trìnhă sinh nhi uă exciton ch aăđ căchúătr ngămƠăng iătaăm iăch ănghiênăc uăs sinh biexcitonă khiă... ngăchoănênăkhiăh păth ăánhă sángăm tătr iăcóăth ăđ ngăth iăx yăraăquáătrình sinh nhi u exciton Hi uă ng sinh đa exciton trong pin m tătr iăch măl ngăt ăđƣăđ cănhómă cácănhƠănghiênăc uăc aăM ătìm th