Cộng hưởng cyclotron do tương tác electron tạp chất trong silicene đặt trong từ trường tĩnh (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HOÀNG THỊ DUYÊN CỘNG HƯỞNG CYCLOTRON DO TƯƠNG TÁC ELECTRON-TẠP CHẤT TRONG SILICENE ĐẶT TRONG TỪ TRƯỜNG TĨNH Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN Demo VersionMã - Select.Pdf SDK số : 8440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ THỊ THU PHƯƠNG Thừa Thiên Huế, năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Demo Version - Select.Pdf SDK Huế, tháng năm 2018 Tác giả luận văn HỒNG THỊ DUN ii LỜI CẢM ƠN Hồn thành luận văn tốt nghiệp này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Thị Thu Phương tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình thực Qua đây, tơi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo khoa Vật lý phòng Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế; gia đình bạn học viên Cao học khóa 25, bạn bè động viên, góp ý, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi q trình học tập thực luận văn Huế, tháng năm 2018 Demo Version - Select.Pdf SDK Tác giả luận văn HOÀNG THỊ DUYÊN iii MỤC LỤC Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục Danh sách hình vẽ MỞ ĐẦU NỘI DUNG 10 Chương MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUAN 10 1.1 Tổng quan silicene 10 1.1.1 Mô hình silicene 10 1.1.2 Phổ lượng hàm sóng electron silicene Demo Version - Select.Pdf SDK 1.2 Tổng quan phương pháp nghiên cứu 1.2.1 Phương pháp nhiễu loạn phụ thuộc vào thời gian 13 16 16 1.2.2 Sự chuyển dời hệ sang trạng thái ảnh hưởng nhiễu loạn 19 1.2.3 Phương pháp Profile 26 Chương BIỂU THỨC GIẢI TÍCH CHO HỆ SỐ HẤP THỤ PHI TUYẾN SĨNG ĐIỆN TỪ TRONG SILICENE ĐƠN LỚP DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ELECTRON-TẠP CHẤT 28 2.1 Biểu thức tổng quát hệ số hấp thụ sóng điện từ bán dẫn khối ảnh hưởng tương tác electron-tạp chất 28 2.2 Biểu thức giải tích cho hệ số hấp thụ sóng điện từ silicene ảnh hưởng tương tác electron-tạp chất Chương KẾT QUẢ TÍNH SỐ VÀ THẢO LUẬN 32 41 3.1 Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ sóng điện từ vào lượng photon 41 3.2 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào từ trường nhiệt độ 44 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC P.1 Demo Version - Select.Pdf SDK DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 1.1 Các cấu trúc hình học silicene (a)(b) graphene(c)(d) Khoảng cách theo phương vuông góc với silicene hai nguyên tử Si hai mạng A B ‘d’, phát sinh gấp khúc 1.2 11 Đồ thị mô tả phụ thuộc mức Landau (LLs) + cho vùng K (En,s ) vào từ trường đặt điện trường z ,p vng góc với silicene trường hợp Ez = (a) Ez = 3.9 meV/d (b) Đường cong nét đứt (liền) tương ứng với trạng thái spin lên (spin xuống) n số LLs Cường độ SOI λSO = 3.9 meV υF = 5.42 × 105 m/s Các hình nhỏ bên đồ thị mô tả phụ thuộc lượng Fermi EF vào từ trường B cho mật độ electron - Select.Pdf SDK neDemo = ×Version 1011 cm−2 với LLs [31] 1.3 Minh họa dịch chuyển mức lượng ảnh hưởng nhiễu loạn không dừng 1.4 20 Đồ thị f (t, ω) = sin2 (ωf i t/2)/ωf2 i theo ωf i , ta kí hiệu ω ≡ ωf i 1.5 15 22 Đồ thị sin2 ((ωf i ± ω)t/2) /(ωf i ± ω)2 theo ωf i với giá trị t xác định, ωn = −ω − nπ/t, ω n = ω + nπ/t, Ωn = ω − nπ/t, Ω n = ω + nπ/t 24 1.6 Sự phát xạ hấp thụ photon có lượng ω 26 1.7 Minh họa xác định độ rộng vạch phổ phương pháp Profile 26 3.1 Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ Γ vào lượng photon ω từ trường B = 10 T, nhiệt độ T = K với hai giá trị khác điện trường eEz = (đường đứt nét) eEz = 3.9 meV/d (đường liền nét) 3.2 41 Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ Γ vào lượng photon ω nhiệt độ T = K, điện trường eEz = với giá trị khác từ trường B = T (đường đứt nét) B = 10 T (đường liền nét) 3.3 43 Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ Γ vào lượng photon ω từ trường B = 10 T với giá trị khác nhiệt độ T = K (đường liền nét) T = K (đường đứt nét) 3.4 44 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ FWHM vào từ trường B nhiệt độ T = K trình hấp thụ photon (chấm hình vng) qSDK trình hấp thụ hai photon Demo Version - Select.Pdf (chấm hình tròn) 3.5 45 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ FWHM vào nhiệt độ T từ trường B = 10 T trình hấp thụ photon khơng có điện trường khơng đổi (chấm hình vng) có mặt điện trường khơng đổi eEz = 3.9 meV/d (chấm hình tròn) 3.6 46 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ (FWHM) vào nhiệt độ T từ trường B = 10 T có mặt điện trường không đổi eEz = 3.9 meV/d trình hấp thụ photon (chấm hình tròn) q trình hấp thụ photon (chấm hình vng) 46 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thời gian gần đây, graphene [10] nhanh chóng thu hút ý nhà vật lý chất rắn khoa học vật liệu tiềm ứng dụng tuyệt vời mà chúng mang lại Nó vật liệu sở hữu thuộc tính đặc biệt nhiên khơng có khe lượng nên không phù hợp cho số linh kiện quang-điện tử Trong đó, linh kiện điện tử sử dụng chủ yếu dựa bán dẫn silic với khe lượng vào khoảng 1.11 eV [36] Với khe lượng không, graphene hành xử vật liệu kim loại thay bán dẫn mong muốn Điều thúc đẩy nhà khoa học nghiên cứu chế tạo cấu trúc tương tự graphene có vùng cấm hữu hạn, chẳng hạn silicene [16, 33], germanene [11] hợp chất dichalcogenides-kim Demo Version - Select.Pdf SDK loại chuyển tiếp thuộc nhóm IV [37] Trong số vật liệu hai chiều (2D) tương tự graphene đề cập trên, silicene nhận nhiều ý vài năm gần Silicene gồm lớp nguyên tử silic (Si) xếp mạng lưới tổ ong hai chiều tương tự nguyên tử cacbon graphene Do có cấu trúc tương tự graphene nên silicene có số tính chất vật lý đặc biệt giống graphene: hạt tải Fermion Dirac không khối lượng, phổ lượng tuyến tính gần điểm K, độ linh động điện tử lớn (tuy nhỏ graphene lớn nhiều so với silic khối) Điểm khác biệt so với graphene nguyên tử silic không nằm mặt phẳng, thể tính bất đối xứng qua mặt phẳng mạng gây nên tương tác spin-quỹ đạo (SOI) mạnh silicene tạo nên khe lượng nhỏ (cỡ 1.55 meV) [21] Ngoài ra, khe lượng điều chỉnh cách áp dụng điện trường bên ngồi Ez vng góc với silicene, điều thực graphene Hiện nay, nhiều cơng trình thực để nghiên cứu tính chất quang hệ electron bán dẫn có mặt từ trường [6] Một hiệu ứng quang-từ quan trọng hiệu ứng cộng hưởng cyclotron Nó nhà khoa học quan tâm cơng cụ hữu ích để khảo sát tính chất bán dẫn thơng qua việc tính hệ số hấp thụ sóng điện từ, độ dẫn từ độ rộng vạch phổ vào tham số vật liệu trường [7, 30, 38] Tương tác electron-phonon đóng vai trò quan trọng hệ bán dẫn Các kết nghiên cứu gần cho thấy nồng độ electron thấp, cỡ × 1016 cm−3 [5, 20], ảnh hưởng tương tác electron-electron khơng đáng kể bỏ qua [23] Điều chấp nhận tương tác electron-electron dẫn đến phân bố lại khơng gian K, khơng phảiDemo quan trọng- Select.Pdf hệSDK điện tử thông thường [17] Version Hiệu ứng cộng hưởng cyclotron-phonon vật liệu mỏng 2D quan tâm đặc biệt nhà khoa học tính chất ưu việt Ta kể số nhóm tác giả nghiên cứu vấn đề kể [4] + Hiệu ứng cộng hưởng từ-phonon (MPR) Gurevich Firsov tiên đoán lý thuyết lần vào năm 1961 [12], Puri, Geballe, Firsov người khác quan sát thực nghiệm vào năm MPR xảy nhiều vật bán dẫn, hợp kim Si, InSb, GaAs, CdTe, hệ thấp chiều Phát cho biết nguồn gốc hiệu ứng MPR tán xạ cộng hưởng điện tử gây hấp thụ phát xạ phonon khoảng cách mức Landau lượng phonon quang dọc (LO) + Khordad Bahramiyan [8] khảo sát phonon quang mơ hình hình bình hành dây lượng tử tam giác, ảnh hưởng tương tác electron-phonon lên thay đổi mức lượng electron trạng thái trạng thái kích thích tính sử dụng lý thuyết nhiễu loạn + Tác giả G Q Hai F M Peeters [13] chứng minh lý thuyết hiệu ứng MPR quan sát trực tiếp thơng qua việc nghiên cứu dò tìm quang học cộng hưởng từ-phonon hệ bán dẫn khối GaAs + Tác giả Bhat cộng [3] sử dụng mô hình Huang-Zhu, Fuchs-kliewer slab mode mơ hình Ridley guide mode, để nghiên cứu phổ hấp thụ dịch chuyển phổ hấp thụ dịch chuyển electron mức Landau kèm theo phát xạ phonon giam giữ phonon bề mặt + Nhóm tác giả Singh Tanatar [32] khảo sát dịch chuyển quang từ phonon Demo hệ 2D bán dẫn loại p có mặt từ trường Trong Version - Select.Pdf SDK đó, nhóm tác giả nghiên cứu lý thuyết chuyển tải lượng tử cho hệ nhiều hạt Nhóm tác giả sử dụng phương pháp Luttinger-Kohn thu hệ số hấp thụ cộng hưởng cyclotron-phonon lý thuyết phản ứng tuyến tính Kết thu có giá trị giới hạn liên kết yếu trường hợp hấp thụ photon + Nhóm tác giả Huỳnh Vĩnh Phúc, Lê Đình, Trần Cơng Phong khảo sát cộng hưởng cyclotron-phonon cấu trúc hố lượng tử [29], dây lượng tử [30] Trong đó, nhóm tác giả dùng phương pháp nhiễu loạn để thu biểu thức giải tích cho cơng suất hấp thụ tuyến tính phi tuyến Kết thu độ cao đỉnh cộng hưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ mà phụ thuộc vào từ trường Việc phân tích phổ cộng hưởng thu nhận khối lượng hiệu dụng hạt tải, khoảng cách mức lượng Landau, thừa số Lande (g-factor) Cộng hưởng cyclotron nghiên cứu chi tiết bán dẫn khối, vật liệu thấp chiều truyền thống [27] gần graphene lý thuyết [28] thực nghiệm [35] Ngoài tương tác electron-phonon, electron-tạp chất, bán dẫn chuẩn 2D đại xảy khác biệt so với bán dẫn khối bán dẫn thấp chiều khác nên hiệu ứng mang đặc tính [3] Từ lí trên, tơi định chọn đề tài “Cộng hưởng cyclotron tương tác electron-tạp chất silicene đặt trong từ trường tĩnh” làm đề tài luận văn Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cộng hưởng cyclotron-tạp chất silicene đặt trường thơng qua biểu thức giải tích Demo Version - Select.Pdf SDKcho hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ ảnh hưởng tương tác electron-tạp chất khảo sát phụ thuộc vào lượng photon để đưa điều kiện cộng hưởng cyclotron-tạp chất số tính chất độ rộng vạch phổ Nội dung nghiên cứu - Hàm sóng phổ lượng electron silicene - Biểu thức giải tích hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ ảnh hưởng tương tác electron-tạp chất - Khảo sát số vẽ đồ thị phụ thuộc hệ số hấp thụ vào lượng photon phân tích q trình cộng hưởng xảy dịch chuyển electron mức lượng - Độ rộng vạch phổ dựa phương pháp Profile Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nhiễu loạn phụ thuộc thời gian - Phương pháp Profile - Kết hợp sử dụng chương trình Mathematica để tính số vẽ đồ thị Giới hạn nghiên cứu Luận văn xét đến tương tác electron-tạp chất, bỏ qua qua tương tác electron-electron, electron-phonon, phonon-phonon Bố cục luận văn Ngoài mục lục tài liệu tham khảo, luận văn chia làm phần Demo Version - Select.Pdf SDK Phần mở đầu: trình bày lý chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, giới hạn nghiên cứu bố cục luận văn Phần nội dung: bao gồm nội dung - Nội dung 1: Tổng quan mơ hình khảo sát phương pháp nghiên cứu - Nội dung 2: Biểu thức giải tích hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ silicene ảnh hưởng tương tác electron-tạp chất - Nội dung 3: Kết tính số vẽ đồ thị Phần kết luận: Trình bày tóm tắt kết đạt được, hạn chế luận văn, đề xuất hướng phát triển luận văn ... đề tài “Cộng hưởng cyclotron tương tác electron- tạp chất silicene đặt trong từ trường tĩnh” làm đề tài luận văn Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cộng hưởng cyclotron- tạp chất silicene đặt trường... (2D) tương tự graphene đề cập trên, silicene nhận nhiều ý vài năm gần Silicene gồm lớp nguyên tử silic (Si) xếp mạng lưới tổ ong hai chiều tương tự nguyên tử cacbon graphene Do có cấu trúc tương. .. [7, 30, 38] Tương tác electron- phonon đóng vai trò quan trọng hệ bán dẫn Các kết nghiên cứu gần cho thấy nồng độ electron thấp, cỡ × 1016 cm−3 [5, 20], ảnh hưởng tương tác electron- electron khơng