Nghiên cứu tính chất nhiệt động và đàn hồi của hợp chất bán dẫn đa thành phần và siêu mạng bán dẫn bằng phương pháp thống kê mômen

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI VŨ THỊ THANH HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CỦA HỢP CHẤT BÁN DẪN ĐA THÀNH PHẦN VÀ SIÊU MẠNG BÁN DẪN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI VŨ THỊ THANH HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CỦA HỢP CHẤT BÁN DẪN ĐA THÀNH PHẦN VÀ SIÊU MẠNG BÁN DẪN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN Chun ngành: Vật lí lí thuyết Vật lí tốn Mã số : 9.44.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Vũ Văn Hùng Hà Nội – 2018 (i) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu tính chất nhiệt động đàn hồi hợp chất bán dẫn đa thành phần siêu mạng bán dẫn phương pháp thống kê mơmen” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trình bày luận án trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Vũ Thị Thanh Hà (ii) MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Mục lục ii Danh mục từ viết tắt iv Danh mục bảng biểu vi Danh mục đồ thị, hình vẽ vii MỞ ĐẦU x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÍ THUYẾT BÁN DẪN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Bán dẫn siêu mạng bán dẫn 1.2 Một số phương pháp nghiên cứu chủ yếu 11 Kết luận chương 21 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN TRONG NGHIÊN CỨU BÁN DẪN 22 2.1 Phương pháp thống kê mômen 22 2.2 Phương pháp thống kê mômen nghiên cứu bán dẫn 28 2.3 Tính chất nhiệt động đàn hồi hợp chất bán dẫn có cấu trúc zinc-blende Kết luận chương CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CỦA HỢP CHẤT BÁN DẪN BA THÀNH PHẦN VÀ SIÊU MẠNG BÁN DẪN 36 48 49 3.1 Tính chất nhiệt động đàn hồi hợp chất bán dẫn ba thành phần 49 3.2 Tính chất nhiệt động đàn hồi siêu mạng bán dẫn 63 Kết luận chương 74 (iii) CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH SỐ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CHO HỢP CHẤT BÁN DẪN ĐA THÀNH PHẦN 75 VÀ SIÊU MẠNG BÁN DẪN 4.1 Tính chất nhiệt động đàn hồi hợp chất bán dẫn hai thành phần 75 4.2 Tính chất nhiệt động đàn hồi hợp chất bán dẫn ba thành phần 85 4.3 Tính chất nhiệt động đàn hồi siêu mạng bán dẫn 97 Kết luận chương 103 KẾT LUẬN 104 Danh mục công trình cơng bố liên quan đến nội dung luận án 106 Tài liệu tham khảo 107 (iv) DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TT Viết tắt Từ viết tắt PPTKMM Phương pháp thống kê mômen ab initio Các nguyên lí CAmbridge Serial Total Energy Package CASTEP CB CRN Mạng ngẫu nhiên liên tục DOS Density of state (Mật độ trạng thái) DFT EXAFS FPLAPW 10 GGA 11 GGA – PBE Phương pháp GGA đơn giản J P Perdew, K Burke, and M Ernzerhof đề xuất 12 HCBD Hợp chất bán dẫn 13 HRXRD 14 IUPAC (Phần mềm tính tốn tính chất điện tử vật liệu sử dụng phương pháp DFT) Conduction band (Vùng dẫn) Density functional theory (Lí thuyết phiếm hàm mật độ) Extended X-ray absorption fine structure (Cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X mở rộng) Full potential linearized augmented plane wave (Sóng phẳng gia tăng tuyến tính tồn thế) Generalized gradient approximation (Gần gradient tổng quát) High resolution X-ray diffraction (Nhiễu xạ tia X độ phân giải cao) International Union of Pure and Applied Chemistry, (Liên minh Quốc tế hóa học ứng dụng) (v) 15 KH&CN Khoa học công nghệ 16 LDA 17 LGXC Lục giác xếp chặt 18 LPTK Lập phương tâm khối 19 LPTD Lập phương tâm diện 20 MD 21 MCS 22 MSD 23 PPPW 24 SMBD 25 VB 26 XRD 27 WWW Local-density approximation (Gần mật độ địa phương) Molecular dynamics (Động lực học phân tử) Monte-Carlo simulation (Mô Monte Carlo) Mean square displacement (Độ dịch chuyển trung bình bình phương) Pseudo potential plane wave (Sóng phẳng giả thế) Siêu mạng bán dẫn Valence band (Vùng hoá trị) X-ray diffraction (Nhiễu xạ tia X) Phương pháp mở rộng liên kết (vi) DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 4.1 Thông số Stillinger-Weber bán dẫn AlAs, AlP, 75 AlSb, InP ZnTe Bảng 4.2 Hằng số mạng hệ số dãn nở nhiệt bán dẫn AlX 76 (X = As, P, Sb) nhiệt độ T = 300 K Bảng 4.3 Môđun Young EY, môđun nén khối K môđun trượt G 79 hợp chất AlX (X = As, P, Sb) nhiệt độ T = 300 K Bảng 4.4 Hằng số mạng ah, môđun nén khối K, đạo hàm bậc 80 môđun nén khối theo áp suất K  độ dịch chuyển trung bình bình phương nguyên tử bán dẫn ZnTe nhiệt độ T = 300 K Bảng 4.5 Hằng số mạng ah tỉ số thể tích k = V V0 ZnTe nhiệt độ 82 T = 300 K Bảng 4.6 Thông số Pearson-Takai-Halicioglu-Tiller AlyGa1–yAs 86 (vii) DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể zinc-blende Hình 1.2 Mối liên hệ số mạng khe lượng bán dẫn Hình 1.3 Một số cách bố trí siêu mạng Hình 1.4 Ảnh chụp siêu mạng GaAs/AlAs kính hiển vi điện tử quét có độ phân giải cao Hình 1.5 Các biên vùng dẫn vùng hoá trị hai loại siêu mạng bán dẫn Hình 1.6 Cấu trúc nguyên tử bán dẫn khối, giếng lượng tử siêu mạng với cấu trúc mạng tinh thể zinc-blende Hình 1.7 Giản đồ vùng lượng giếng lượng tử siêu mạng hợp phần Hình 1.8 Năng lượng giam cầm độ rộng mini vùng điểm G điện tử; điện tử lỗ trống siêu mạng GaAs/AlAs Hình 1.9 Siêu mạng loại I loại II Hình 1.10 Siêu mạng tạo hai vật liệu CyA1–yB/AB 10 Hình 2.1 Mơ hình tinh thể hình trụ tác dụng ngoại lực kéo 42 Hình 3.1 Mơ hình lí thuyết siêu mạng bán dẫn CyA1–yB/AB có cấu trúc zinc-blende 64 Hình 4.1 Sự phụ thuộc nhiệt độ hàm MSD nguyên tử hợp chất AlAs, AlP AlSb 77 Hình 4.2 Đồ thị phụ thuộc áp suất tỉ số thể tích V V0 ZnTe 81 Hình 4.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ hàm MSD Zn Te ZnTe 83 Hình 4.4 Sự phụ thuộc áp suất hàm MSD Zn Te ZnTe 84 Hình 4.5 Sự phụ thuộc nồng độ số mạng AlyGa1–yAs 87 Hình 4.6 Đồ thị môđun Young EY môđun nén khối K AlyGa1–yAs theo hàm nồng độ thành phần Al nhiệt độ T = 300 K 87 (viii) Trang Hình 4.7 Đồ thị môđun trượt G AlyGa1–yAs theo hàm nồng độ thành phần Al nhiệt độ T = 300 K 88 Hình 4.8 Sự phụ thuộc nồng độ số đàn hồi AlyGa1–yAs nhiệt độ 300 K 89 Hình 4.9 Sự phụ thuộc nhiệt độ môđun đàn hồi số đàn hồi AlyGa1–yAs 90 Hình 4.10 Ảnh hưởng nồng độ thành phần Al nhiệt dung đẳng tích CV đẳng áp CP AlyGa1–yAs 90 Hình 4.11 Sự phụ thuộc nhiệt độ nhiệt dung đẳng tích đẳng áp AlyGa1–yAs y = 0.3 91 Hình 4.12 Sự phụ thuộc nồng độ số mạng AlyIn1–yP 92 Hình 4.13 Sự phụ thuộc nhiệt độ nhiệt dung đẳng áp CP AlyIn1–yP 92 Hình 4.14 Hằng số mạng AlyGa1–yAs hai trường hợp y = y = 0.3 ảnh hưởng áp suất Hình 4.15 Nhiệt dung đẳng tích CV đẳng áp CP AlyGa1–yAs hai trường hợp y = y = 0.3 ảnh hưởng áp suất Hình 4.16 Mơđun Young EY môđun nén khối K AlyGa1–yAs hai trường hợp y = y = 0.3 ảnh hưởng áp suất 94 94 95 Hình 4.17 Môđun trượt G AlyGa1–yAs hai trường hợp y = y = 0.3 ảnh hưởng áp suất 95 Hình 4.18 Hằng số đàn hồi C11 , C12 AlyGa1–yAs hai trường hợp y = y = 0.3 ảnh hưởng áp suất 96 Hình 4.19 Hằng số đàn hồi C44 AlyGa1–yAs hai trường hợp y = y = 0.3 ảnh hưởng áp suất 97 Hình 4.20 Hằng số mạng trung bình siêu mạng Al0.3Ga0.7As/GaAs ảnh hưởng nhiệt độ 98 Hình 4.21 Nhiệt dung đẳng tích CV đẳng áp CP siêu mạng Al0.3Ga0.7As/GaAs ảnh hưởng nhiệt độ 98 Hình 4.22 Các môđun đàn hồi EY, G, K siêu mạng Al0.3Ga0.7As/GaAs ảnh hưởng nhiệt độ 99 ... CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CỦA HỢP CHẤT BÁN DẪN BA THÀNH PHẦN VÀ SIÊU MẠNG BÁN DẪN 36 48 49 3.1 Tính chất nhiệt động đàn hồi hợp chất bán dẫn ba thành phần 49 3.2 Tính chất nhiệt động đàn hồi siêu. .. siêu mạng bán dẫn 63 Kết luận chương 74 (iii) CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH SỐ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CHO HỢP CHẤT BÁN DẪN ĐA THÀNH PHẦN 75 VÀ SIÊU MẠNG BÁN DẪN 4.1 Tính chất nhiệt động đàn hồi. .. GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI VŨ THỊ THANH HÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CỦA HỢP CHẤT BÁN DẪN ĐA THÀNH PHẦN VÀ SIÊU MẠNG BÁN DẪN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MƠMEN