Chế tạo nano tinh thể hợp kim sige trên nền sio2 và nghiên cứu một số tính chất của chúng

MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi MỞ ĐẦU Chương Tổng quan vật liệu bán dẫn Ge Si 1.1 Cấu trúc vùng lượng trình tái hợp phát xạ hạt tải điện vật liệu bán dẫn 1.1.1 Cấu trúc vùng lượng vật liệu bán dẫn 1.1.2 Quá trình tái hợp xạ vật liệu bán dẫn 10 1.2 Các vật liệu bán dẫn Ge Si tương đồng 15 1.2.1 Vật liệu bán dẫn Ge 16 1.2.2 Vật liệu bán dẫn Si 20 1.3 Vật liệu SiO2 24 1.4 Sự lai hóa vật liệu Si Ge 25 1.4.1 Vật liệu kích thước nano 25 1.4.2 Sự lai hóa vật liệu nano Si Ge 35 1.5 Vấn đề tồn 37 Kết luận chương 37 Chương Các phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu 39 2.1 Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) 39 2.1.1 Giới thiệu 39 i 2.1.2 Lý thuyết phiếm hàm mật độ - Phương trình Kohn-Sham 41 2.1.3 Thế tương quan trao đổi Vxc 45 2.1.4 Phương pháp sóng phẳng giả 47 2.2 Phương pháp k.p 50 2.3 Chế tạo vật liệu 51 2.3.1 Phương pháp đồng phún xạ catốt 52 2.3.2 Qui trình chế tạo màng mỏng hợp kim nano Si1-xGex 56 2.4 Các phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu 61 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 61 2.4.2 Phương pháp phổ hấp thụ quang học 63 2.4.3 Phương pháp phổ tán xạ Raman 65 2.4.4 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X 67 2.4.5 Phương pháp hiển vi điển tử truyền qua phân giải cao 68 2.4.6 Phương pháp phổ phát xạ huỳnh quang 70 2.4.7 Phép đo hấp thụ cảm ứng 71 Kết luận chương 73 Chương Các đặc trưng vật lý vật liệu 74 3.1 Sự hình thành hạt nano Si1-xGex vật liệu SiO2 74 3.1.1 Nghiên cứu hợp phần Si1-xGex SiO2 74 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến hình thành pha vật liệu 75 3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần Ge lên hình thành tinh thể hợp kim78 3.1.4 Phân tích cấu trúc tinh thể hợp kim Si1-xGex 81 3.2 Cấu trúc điện tử Si, Ge trình chuyển mức trực tiếp 83 3.3 Sự vận động hạt tải điện sinh sau trình kích thích quang học 88 ii 3.3.1 Sự phát xạ huỳnh quang vật liệu 88 3.3.2 Quá trình vận động hạt tải điện vật liệu 90 3.3.3 Cơ chế bẫy hạt tải nóng 93 Kết luận chương 96 Chương Ứng dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ phương pháp k.p nghiên cứu vật liệu 97 4.1 Cấu trúc tinh thể hạt nano hợp kim Si1-xGex 97 4.1.1 Sự hội tụ kết tính tốn vào lượng cắt 97 4.1.2 Sự hội tụ kết tính tốn vào số lượng điểm chia k vùng Brillouin 99 4.1.3 Cấu trúc tinh thể nano hợp kim Si1-xGex 102 4.2 Sự liên hệ cấu trúc vùng lượng chuyển mức lượng 107 Kết luận chương 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 126 PHỤ LỤC a iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CM Hiệu ứng nhân hạt tải điện NC Tinh thể nano Si Nguyên tố Silic Ge Nguyên tố Germani TEM HR-TEM XRD Hiển vi điện tử truyền qua Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao Nhiễu xạ tia X PL Phổ huỳnh quang FFT Phép biến đổi nhanh Fourier QD Chấm lượng tử bán dẫn EDX Phổ tán sắc lượng tia X SAED Nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử Eg Độ rộng vùng cấm DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ GGA Xấp xỉ gradien tổng quát LDA Xấp xỉ mật độ địa phương BZ Vùng Brillouin TE Tổng lượng Ecut Năng lượng cắt FCC Cấu trúc lập phương tâm mặt CBM Cực tiểu vùng dẫn VBM Cực đại vùng hóa trị Iind Cường độ hấp thụ tuyến tính chùm dò khơng có chùm bơm iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Một số thông số vật lý vật liệu Ge [4],[7],[8],[20] 17 Bảng 1.2 Một số thông số vật lý vật liệu Si [4],[7],[8],[20] 20 Bảng 1.3 Sự tương đồng vật liệu Ge Si [20] 23 Bảng 1.4 Một số thông số vật lý vật liệu SiO2 [5] 24 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật mẫu chế tạo 59 Bảng 3.1 Thành phần nguyên tố hệ mẫu chế tạo 75 Bảng 3.2 Hằng số mạng tinh thể hợp kim Si1-xGex 79 Bảng 3.3 Kích thước hạt tinh thể hợp kim Si1-xGex 80 Bảng 4.1 So sánh số mạng (a) theo thực nghiệm tính tốn DFT – GGA vào giá trị tham số thành phần x 106 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Bán dẫn vùng cấm thẳng 10 Hình 1.2 Bán dẫn vùng cấm xiên 10 Hình 1.3 Mơ hình tái hợp chuyển mức vùng – vùng 12 Hình 1.4 Mơ hình tái hợp donor acceptor 13 Hình 1.5 Mơ hình tái hợp xạ exciton; (a) Chuyển dời thẳng với tham gia phonon; (b) Chuyển dời nghiêng với tham gia phonon 14 Hình 1.6 Mơ hình tái hợp xạ vùng - tạp chất 14 Hình 1.7 (a) Mơ hình cấu trúc tinh thể kiểu kim cương với hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào Ge; (b) Mặt đẳng đáy vùng dẫn chất bán dẫn Ge [7],[8],[20],[65] 18 Hình 1.8 Cấu trúc vùng lượng Ge khơng gian k [7] 19 Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn không gian chiều 19 Hình 1.10 (a) Mơ hình cấu trúc tinh thể kiểu kim cương với hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau; (b) Mặt đẳng đáy vùng dẫn chất bán dẫn Si [7],[8],[20],[65] 21 Hình 1.11 Cấu trúc vùng lượng Si không gian k [7] 22 Hình 1.12 Cấu trúc tinh thể Si biểu diễn không gian chiều 23 Hình 1.14 Mật độ trạng thái điện tử tự hệ bán dẫn 3D, 2D, 1D 0D [8] 29 Hình 1.15 Điện tử tinh thể chiều: (a ) Trong không gian thực; (b) Trong không gian đảo k; (c) Năng lượng tương ứng; (d) Mật độ trạng thái g3d(E) điện tử tự tỉ lệ với bậc lượng (E1/2), theo tài liệu tham khảo [8] 30 Hình 1.16 Điện tử tinh thể chiều: (a) Trong không gian thực; (b) Trong không gian đảo k; (c) Năng lượng điện tử tự phụ thuộc vào kx, ky theo hàm vi parabol, trạng thái phân bố gần liên tục; (d) Mật độ trạng thái g2d(E) khí điện tử chiều, theo tài liệu tham khảo [8] 31 Hình 1.17 Điện tử tinh thể chiều: (a) Trong không gian thực; (b) Trong không gian đảo k; (c) Sự phân bố đường lại có tính gián đoạn, dọc theo trục ky kz tồn giá trị lượng gián đoạn; (d) Mật độ trạng thái g1d(E) phạm vi đường dọc theo trục kx tỷ lệ với E-1/2, theo tài liệu tham khảo [8] 33 Hình 1.18 Điện tử tinh thể chiều: (a) Trong không gian thực; (b) Trong khơng gian đảo k; (c) Chỉ có mức lượng gián đoạn phép; (d) Mật độ trạng thái g0d(E) dọc theo chiều ứng với trạng thái riêng biệt, theo tài liệu tham khảo [8] 34 Hình 1.19 Các dịch chuyển quang mức lượng lượng tử hóa điện tử lỗ trống NC bán dẫn [120] 35 Hình 1.20 Năng lượng exciton chấm lượng tử Si Ge(sử dụng phương pháp tính xấp xỉ khối lượng hiệu dụng) theo bán kính Đường bên phải cho biết lượng giam cầm ∆E đo từ lượng vùng cấm xiên vật liệu khối [75] 36 Hình 2.1 Sơ đồ giải tự hợp với mật độ điện tử  ( r ) 44 Hình 2.1 Nguyên lý trình phún xạ 53 Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo hệ phún xạ chiều DC 54 Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo hệ phún xạ xoay chiều RF 55 Hình 2.4 Sơ đồ minh họa cấu tạo hệ phún xạ Magnetron 56 Hình 2.5 (a);(b);(c):Đường chuẩn phún xạ thể phụ thuộc tốc độ phún xạ vào công suất phún xạ vật liệu Ge, Si SiO2 58 Hình 2.6 Sơ đồ chế tạo màng mỏng chứa hạt nano tinh thể hợp kim Si1-xGex 60 Hình 2.7 Nhiễu xạ tia X mặt phẳng nguyên tử [9],[10],[12] 62 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý đo thiết bị nhiễu xạ tia X 62 Hình 2.9 (a) Mơ hình mơ tả tán xạ Raman; (b) Năng lượng tán xạ Raman 66 vii Hình 2.10 Sự nhiễu xạ điện tử HR-TEM 69 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ đo hấp thụ cảm ứng 72 Hình 2.12 Hình mơ tả tín hiệu Bơm – Dò mẫu nghiên cứu 73 Hình 3.1 Phổ tán sắc lượng tia X mẫu M1(a), M2(b), M3(c), M4(d) sau chế tạo 74 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,6 nhiệt độ ủ 600, 800 1000 oC môi trường khí N2 với thời gian 30 phút 76 Hình 3.3 Phổ tán xạ Raman tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,6 nhiệt độ ủ 600, 800 1000 oC, mơi trường khí N2 với thời gian 30 phút 76 Hình 3.4 Phổ tán xạ Raman tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 xử lý nhiệt 1000 oC, mơi trường khí N2 với thời gian 30 phút 77 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X tinh thể hợp kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6 0,8 nhiệt độ ủ 1000 oC, môi trường khí N2 với thời gian 30 phút 78 Hình 3.6 Sự thay đổi số mạng (a) theo thành phần x 79 Hình 3.8 Ảnh TEM mẫu Si1-xGex với x = 0,8 sau xử lý nhiệt 1000 oC cho biết kích thước hạt nano tinh thể hợp kim Si1-xGex (hình chèn: Sự phân bố kích thước hạt theo đường kính khớp hàm Gaussian) 81 Hình 3.9 Hình ảnh HR-TEM tinh thể mẫu Si1-xGex với x = 0,8 ủ 1000 oC (hình chèn thêm ảnh FFT) 82 Hình 3.10 Hình ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) mẫu Si1-xGex với x = 0,8 ủ 1000 oC 83 Hình 3.11 Cấu trúc vùng lượng Ge khối [7] 84 Hình 3.12 Cấu trúc vùng lượng Si khối [7] 85 Hình 3.13 Đồ thị phụ thuộc (h)2 theo h mẫu M1, M2, M3, M4 ủ 600 oC 86 Hình 3.14 Đồ thị phụ thuộc (h)2 theo h mẫu M1, M2, M3, M4 ủ 800 oC 86 viii Hình 3.15 Đồ thị phụ thuộc (h)2 theo h mẫu M1, M2, M3, M4 ủ 1000 oC 87 Hình 3.16 Năng lượng dịch chuyển trực tiếp E1 mẫu M1, M2, M3 M4 nhiệt độ ủ 87 Hình 3.17 (a),(b),(c),(d): Phổ huỳnh quang mẫu M1, M2, M3, M4 với bước sóng kích thích 532 nm, nhiệt độ phòng 89 Hình 3.18 Quá trình hồi phục hạt tải điện sinh sau q trình kích thích quang học hợp kim nano Si1-xGex ( x = 0,8) với lượng chùm dò Edò =1,0; 1,1; 1,2;1,3 eV Các đường đỏ nét liền đường khớp toán học theo tổ hợp hàm mũ hàm với thời gian sống hạt tải 1  600 fs,   12 ps   15 ns, tương đương trình (1),(2) (3) 90 Hình 3.19 Phổ hấp thụ cảm ứng với thời gian trễ chùm dò 10, 50, 200 1000 ps Các đường chấm đỏ phần hấp thụ hạt tải tinh thể nano Si1-xGex, đường nét liền đỏ khớp công thức (3.6) 92 Hình 3.20 Năng lượng ngưỡng kênh hấp thụ bổ sung hạt tải điện sinh sau q trình kích thích quang học, hợp kim nano tinh thể Si1-xGex với thành phần khác ( x = 0,2; 0,6; 0,8) 93 Hình 3.21 Minh họa mơ hình chế đề xuất với tâm bẫy hạt tải điện D giao diện hợp kim SiGe mạng SiO2: (a) sau xung bơm (b) sau xung dò Các hạt tải điện bị bẫy mức khuyết tật D góp phần vào q trình hấp thụ chùm dò 95 Hình 4.1 Sự phụ thuộc tổng lượng vào Ecut 97 Hình 4.2 Sự phụ thuộc vùng dẫn thấp vào Ecut 98 Hình 4.3 Sự phụ thuộc vùng hóa trị cao vào Ecut 98 Hình 4.4 Sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào Ecut 99 Hình 4.5 Sự phụ thuộc tổng lượng vào số lượng điểm chia k 100 Hình 4.6 Sự phụ thuộc vùng dẫn thấp vào số lượng điểm chia k 100 ix Hình 4.7 Sự phụ thuộc vùng hóa trị cao vào số lượng điểm chia k 101 Hình 4.8 Sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào số lượng điểm chia k 101 Hình 4.9 Ơ mạng sở Si (hình trái) ô mạng sở mô tả thay nguyên tử Ge cho nguyên tử Si ô mạng sở 102 Hình 4.10 Tổng lượng (đơn vị Hatree) cho Si1-xGex, ứng với x = 0,3125 phụ thuộc thể tích ô sở (đơn vị nguyên tử) Điểm “•” kết tính tốn sử dụng DFT-GGA, đường cong liền nét thể điểm tính tốn khớp phương trình trạng thái Murnaghan 104 Hình 4.11 So sánh kết số mạng thay đổi theo thành phần x hợp kim Si1-xGex tính tốn lý thuyết DFT – GGA kết thực nghiệm 105 Hình 4.12 Dải đường màu biểu diễn cấu trúc vùng điện tử Si (màu đỏ), Ge (màu đen), Si0,5Ge0,5 (màu lam) 108 Hình 4.13 Các đường màu biểu diễn cấu trúc vùng điện tử Si1-xGex siêu mạng, với x = 0,0625 (màu đỏ) x = 0,6250 (màu đen) 109 Hình 4.14 Các đường màu biểu diễn cấu trúc vùng điện tử hợp kim nano Si1xGex tính phương pháp k.p với x = 0,0625 (màu đỏ), x = 0,3125 (màu đen), x = 0,6250 (màu xanh lam), x = 0,8125 (màu hồng) 110 x [25] Erni, R., Browning, N D., Dai, Z R., & Bradley, J P (2005), Analysis of extraterrestrial particles using monochromated electron energy-loss spectroscopy Micron, 36, pp 369–379 [26] Fan, W C., Huang, S H., Chou, W C., Tsou, M H., Yang, C S., Chia, C H., … Hoang, L H (2015), Growth and optical properties of ZnTe quantum dots on ZnMgSe by molecular beam epitaxy Journal of Crystal Growth, 425, pp 186–190 [27] Fridman (1966), Optical Properties and Electronic Structure of Amorphous Germanium Physica Status Solidi (B), 15, pp 627–637 [28] Galeriu, C., & Dissertation, (2005), k.p theory of semiconductor [29] Ge, S., King, Y., King, T., & Hu, C (1999), MOS Memory Using Germanium Nanocrystals Formed by Thermal Oxidation of Poly Si Gate Germanium Source , pp 2–6 [30] Giang N T, Cong L T, Dung N D, Quang T Van, & Ha N N (2016), Nanocrystal growth of single-phase Si1-xGex alloys Journal of Physics and Chemistry of Solids, 93, pp 121–125 [31] Giannozzi, P., Baroni, S., Bonini, N., Calandra, M., Car, R., Cavazzoni, C., … Wentzcovitch, R M (2009), Quantum Espresso: A modular and open-source software project for quantum simulations of materials Journal of Physics Condensed Matter, 21 [32] Giese, T J., & York, D M (2010), Density-functional expansion methods: Evaluation of LDA, GGA, and meta-GGA functionals and different integral approximations Journal of Chemical Physics, 133 [33] Gregorkiewicz, T., Thao D., & Langer J (2000), Energy transfer between shallow centers and rare-earth ion cores: ion in silicon Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 61, pp 5369–5375 [34] Gregorkiewicz, T., Thao D T X., & Langer J M (1999), Direct spectral probing of energy storage in Si:Er by a free-electron laser Applied Physics Letters, 75, pp 4121–4123 [35] Gregorkiewicz, T., Thao D T X., Tsimperidis I., Bekman, H H P T., Langerak, C 116 J G M., Michel, J., & Kimerling, L C (1998), Excitation mechanism of Er in Si studied with a free-electron laser Journal of Luminescence, 80, pp 291–295 [36] Gritsenko, O V., Mentel, M., & Baerends, E J (2016), On the errors of local density (LDA) and generalized gradient (GGA) approximations to the Kohn-Sham potential and orbital energies Journal of Chemical Physics, 144 [37] H O J Moseley, et al (1913), The High-Frequency Spectra of the Elements Phil Mag [38] Harp, G R., Han, Z., & Tonner, B P (1990), Spatially - resolved X- ray Absorption Near -edge Spectroscopy of Silicon in Thin Silicon-oxide Films Physica, pp 23–27 [39] Hoang, L H., Khoi, N T., Hai, N H., Pacuski, W., & Yang, I.-S (2008), MagnetoOptical Properties of ZnO:Co Nanocrystalline Films Journal of the Korean Physical Society, 52, pp 1621–1624 [40] Hoang, L H., Van Hai, P., Van Hanh, P., Hai, N H., Chen, X B., & Yang, I S (2011), Microwave-assisted synthesis and characterization of Ti1 - xVxO2 (x = 0.0- 0.10) nanopowders Materials Letters, 65, pp 3047–3050 [41] Hohenberg, P.; Kohn, W (1964), Hohenberg, P.; Kohn, W Phys Rev., 136, pp B864–B871 [42] Hohenberg, P C., Kohn, W., & Sham, L J (1991), DFT: The beginnings and some thoughts on the future Advances in Quantum Chemistry, 21, pp 7–26 [43] Hung, N.M., Hang, L.T., Khanh, N.V., Thao, D T X.,& Minh N.V., (2012), Controlled Synthesis of the ZnWO4 nanostructure and study of their structural and optical properties Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials, 21, pp 1250002 [44] Huy, P T., Thu, V V., Chien, N D., Ammerlaan, C A J., & Weber, J (2006), Structural and optical properties of Si-nanoclusters embedded in silicon dioxide Physica B: Condensed Matter, 376–377, pp 868–871 [45] K Sader, B Schaffer, G Vaughan, R Brydson, A Brown, and A B (2010), Ultramicroscopy 110 [46] Kasper, E., & Herzog, H J (2011), Structural properties of silicon-germanium (SiGe) 117 nanostructures Silicon-Germanium (SiGe) Nanostructures, pp 3–25 [47] Kekatpure, R D., & Brongersma, M L (2008), Quantification of free-carrier absorption in silicon nanocrystals with an optical microcavity Nano Letters, 8, pp 3787–3793 [48] Kim, J H., Lee, J Y., Kim, H S., Song, Y., & Kec-soo, N (1996), Fabrication of Thin Film Transistors Using a Si/Si/sub1-x/Ge/subx// Si Triple Layer Film on a Si02 Substrate IEEE Electron Device Letters, 17, pp 205–207 [49] Kohanoff, J (2006), Electronic Structure Calculations for Solids and Molecules: Theory and Computational Methods Cambridge University Press [50] Kohn, W., Becke, A D., & Parr, R G (1996), Density functional theory of electronic structure Journal of Physical Chemistry, 100, pp 12974–12980 [51] Kohn, W., & Sham, L J (1965), Self-consistent equations including exchange and correlation effects Physical Review, 140, pp A1133–A1138 [52] Krivanek, O L., Corbin, G J., Dellby, N., Elston, B F., Keyse, R J., Murfitt, M F., … Woodruff, J W (2008), An electron microscope for the aberration-corrected era Ultramicroscopy, 108, pp 179–195 [53] L L Araujo, R Giulian, D J Sprouster, C S Schnohr, D J Llewellyn, P Kluth, D J Cookson, G J Foran, and M C R (2008), Phys Rev B, 78, pp 094112 [54] L.C Lew Yan Voon, M W (2009), The k p Method: Electronic Properties of Semiconductors Springer-Verlag Berlin Heidelberg [55] Langer, J M., Langer, T., Pearson, G L., Krukowska Fulde, B., & Piekara, U (1974), Shallow Donor States in Semiconducting CdF2 Physica Status Solidi (B), 66, pp 537–545 [56] Li, L., Daou, T J., Texier, I., Kim Chi, T T., Liem, N Q., & Reiss, P (2009), Highly Luminescent CuIn /ZnS Core/Shell Nanocrystals: Cadmium-Free Quantum Dots for In Vivo Imaging Chemistry of Materials, 21, pp 2422–2429 [57] Lieten, R R., McCallum, J C., & Johnson, B C (2015), Single crystalline SiGe layers on Si by solid phase epitaxy Journal of Crystal Growth, 416, pp 34–40 [58] Liu, J., Beals, M., Pomerene, A., Bernardis, S., Sun, R., Cheng, J., … Michel, J 118 (2008), Waveguide-integrated, ultralow-energy GeSi electro-absorption modulators Nature Photonics, 2, pp 433–437 [59] Lockwood, D J., Rowell, N L., Benkouider, a, Ronda, a, Favre, L., & Berbezier, I (2014), Bright photoluminescence from ordered arrays of SiGe nanowires grown on Si(111) Beilstein Journal of Nanotechnology, 5, pp 2498–2504 [60] Long, N V., Chien, N D., Hayakawa, T., Hirata, H., Lakshminarayana, G., & Nogami, M (2010), The synthesis and characterization of platinum nanoparticles: A method of controlling the size and morphology Nanotechnology, 21 [61] Long, N V., Thi, D., Thao, X., & Chien, N D (2006), Structure and PhysicoChemical Properties of Silica Gels Doped with Optically Activated E r 3+ ions by SolGel Process , 45, pp 114–119 [62] MacDonald, A H., Picket, W E., & Koelling, D D (1980), A linearised relativistic augmented-plane-wave method utilising approximate pure spin basis functions Journal of Physics C: Solid State Physics, 13, pp 2675–2683 [63] Martin, R M (2004), Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods Cambridge University Press [64] Mori, N (2011), Electronic band structures of silicon-germanium (SiGe) alloys Silicon-Germanium (SiGe) Nanostructures, pp 26–42 [65] Murnaghan, F D (1944), The Compressibility of Media under Extreme Pressures Proceedings of the National Academy of Sciences, 30, pp 244–247 [66] N.W Ashcroft, N D M (1976), Solid State Physics [67] Nair, G., Geyer, S M., Chang, L Y., & Bawendi, M G (2008), Carrier multiplication yields in PbS and PbSe nanocrystals measured by transient photoluminescence Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 78, pp 1–10 [68] Near, X A., & Spectroscopy, E (1980), Evidence of SiO at the Si-oxide interace by surface soft X-ray absorption near edge spectroscopy antonio bianconi , 99, pp 76–86 [69] Nguyen, L H., Le Thanh, V., Débarre, D., Yam, V., & Bouchier, D (2003), Selective 119 growth of Ge quantum dots on chemically prepared SiO2/Si (001) surfaces Materials Science and Engineering B: Solid-State Materials for Advanced Technology, 101, pp 199–203 [70] Nguyen, L H., Le Thanh, V., Yam, V., Débarre, D., Halbwax, M., & Bouchier, D (2004), Formation and optical properties of Ge quantum dots selectively grown on patterned Si(001) substrates Physica Status Solidi (A) Applied Research, 201, pp 353–356 [71] Nguyen, L H., Nguyen-Duc, T K., Le Thanh, V., D’Avitaya, F A., & Derrien, J (2004), Growth and optical properties of Ge/Si quantum dots formed on patterned SiO2/Si(001) substrates Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures, 23, pp 471–475 [72] Nguyen, L H., Renard, C., Yam, V., Fossard, F., Débarre, D., & Bouchier, D (2008), Selective Si growth on partially desorbed SiO2/Si(001) surfaces Superlattices and Microstructures, 44, pp 348–353 [73] Nguyen, L., Phan, P., Duong, H., Nguyen, C., & Nguyen, L (2013), Enhancement of NH3 Gas Sensitivity at Room Temperature by Carbon Nanotube-Based Sensor Coated with Co Nanoparticles Sensors, 13, pp 1754–1762 [74] Nguyen, P D., Kepaptsoglou, D M., Ramasse, Q M., & Olsen, A (2012), Direct observation of quantum confinement of Si nanocrystals in Si-rich nitrides Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 85, pp 1–8 [75] Nguyen, T H., Nguyen, T L., Ung, T D T., & Nguyen, Q L (2013), Synthesis and characterization of nano-CuO and CuO/TiO photocatalysts Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 4, pp 025002 [76] Okada, Y., & Tokumaru, Y (1984), Precise determination of lattice parameter and thermal expansion coefficient of silicon between 300 and 1500 K Journal of Applied Physics, 56, pp 314–320 [77] P Veit, J Christen, R Weigand, M Zacharias, A., & Bläsing, J (1998), Superlattices Microstruct , 23, pp 249 [78] Pack, H J M and J D (1976), Special points for Brillonin-zone integrations* Physical Review B, 13, pp 5188–5192 120 [79] Pantel, R., Cheynet, M C., & Tichelaar, F D (2006), Comparison of Si and Ge lowloss spectra to interpret the Ge contrast in EFTEM images of Si1-xGex nanostructures Micron, 37, pp 657–665 [80] Park, J., Lee, J., & Nam, C H (2008), Laser chirp effect on femtosecond laser filamentation generated for pulse compression Optics Express, 16, pp 4465 [81] Parr, R G., & Yang, W (1989), Density-Functional Theory of Atoms and Molecules International Journal of Quantum Chemistry (Vol 16) [82] Paul, D (1998), Silicon germanium heterostructures in electronics: the present and the future Thin Solid Films, 321, pp 172–180 [83] Paul, D J (2004), Si/SiGe heterostructures: From material and physics to devices and circuits Semiconductor Science and Technology, 19 [84] Perdew, J P (1986), Density functional theory and the band gap problem International Journal of Quantum Chemistry, 28, pp 497–523 [85] Perdew, J P., Burke, K., & Ernzerhof, M (1996), Generalized gradient approximation made simple Physical Review Letters, 77, pp 3865–3868 [86] Perdew, J P., & Zunger, A (1981), Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems Physical Review B, 23, pp 5048–5079 [87] Phu, N D., Hoang, L H., Chen, X B., Kong, M H., Wen, H C., & Chou, W C (2015), Study of photocatalytic activities of Bi2WO6 nanoparticles synthesized by fast microwave-assisted method Journal of Alloys and Compounds, 647, pp 123– 128 [88] Picco, A., Bonera, E., Grilli, E., Guzzi, M., Giarola, M., Mariotto, G., … Isella, G (2010), Raman efficiency in SiGe alloys Physical Review B, 82, pp 115317 [89] Prasada Rao, T., & Santhosh Kumar, M C (2010), Physical properties of Ga-doped ZnO thin films by spray pyrolysis Journal of Alloys and Compounds, 506, pp 788– 793 [90] Qadri S B., Skelton, E F., & Webb, A W (1983), High pressure studies of Ge using synchrotron radiation Journal of Applied Physics, 54, pp 3609–3611 [91] Quang T Van (2014), First-Principles Investigation on Electronic and 121 Thermoelectric Properties of Chalcogenide Compounds and the Effect of Rare Earth and Oxygen Substitutions [92] Quang T Van & Kim M (2014), Effect on the Electronic, Magnetic and Thermoelectric Properties of by the Cerium Substitution IEEE Transactions on Magnetics, 50, pp 1000904 [93] Review, H (1963), Valence Band Structure of Germanium - Silicon , pp130 [94] Saeed, S., De Weerd, C., Stallinga, P., Spoor, F C., Houtepen, A J., Siebbeles, L D A., & Gregorkiewicz, T (2015), Carrier multiplication in germanium nanocrystals Light: Science and Applications, 4, pp 1–6 [95] Schaller, R D., Sykora, M., Pietryga, J M., & Klimov, V I (2006), Seven excitons at a cost of one: Redefining the limits for conversion efficiency of photons into charge carriers Nano Letters, 6, pp 424–429 [96] Mark Fox (2010) Optical properties of solids Oxford university, Second edition [97] Staroverov, V N., Scuseria, G E., Tao, J., & Perdew, J P (2008), Erratum: Tests of a ladder of density functionals for bulk solids and surfaces Physical Review B, 78, pp 239907 [98] T Van Quang, N.T Giang, N N Ha (2016), Tuning the Electronic Structure of Si1xGex Alloys VNU J Sci Math – Phys, 32, pp 57–62 [99] D T F T., Kim, S., & Choi, W Y (2018), Compact Potential Model for Si 1−x Gex /Si Heterojunction , 18, pp 5953–5958 [100] Thankalekshmi, R R., Dixit, S., & Rastogi, A C (2013), Doping sensitive optical scattering in zinc oxide nanostructured films for solar cells Research Article Adv Mat Lett, 4, pp 9–14 [101] Thao D T X., Ammerlaan C A J., & Gregorkiewicz T (1999), The photoluminescence mechanism of erbium in silicon: Intensity dependence on excitation power and temperature Physica B: Condensed Matter, 273–274, pp 338– 341 [102] Thao D T X., Ammerlaan C A J., & Gregorkiewicz T (2000), Photoluminescence of erbium-doped silicon: Excitation power and temperature dependence Journal of 122 Applied Physics, 88, pp 1443–1455 [103] Thuy N T., Tho D D., Tu N C., Vuong D D., Chien N D., & Lam N H (2017), Structural and Optical Properties of Si-Core/SiOx - Shell Nanowires Journal of Electronic Materials, 46, pp 3422–3426 [104] Thuy U T D., Reiss P., & Liem, N Q (2010), Luminescence properties of In(Zn)P alloy core/ZnS shell quantum dots Applied Physics Letters, 97, pp 19–22 [105] Tice J B., Weng C., Tolle J., D’Costa V R., Singh R., Menendez J., … Chizmeshya, A V G (2009), Ether-like Si-Ge hydrides for applications in synthesis of nanostructured semiconductors and dielectrics Dalton transactions (Cambridge, England : 2003), pp 6773–6782 [106] Toriumi A (2011), High electron mobility germanium (Ge) metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) Silicon-Germanium (SiGe) Nanostructures, pp 528–550 [107] Tran T K C., Le Q P., Nguyen Q L., Li L., & Reiss P (2010), Time-resolved photoluminescence study of CuInS /ZnS nanocrystals Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 1, pp 025007 [108] Trinh M T., Houtepen A J., Schins J M., Hanrath T., Piris J., Knulst W., … Siebbeles, L D A (2008), In Spite of Recent Doubts Carrier Multiplication Does Occur in PbSe Nanocrystals Nano Letters, 8, pp 1713–1718 [109] Trojánek, F., Neudert, K., Bittner, M., & Malý, P (2005), Picosecond photoluminescence and transient absorption in silicon nanocrystals Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 72, pp 1–6 [110] U V Barth, L H (1972), A local exchange-corremation potentiel for the spin polarized case: , 1629 [111] Van Dorssen, G E., Roper, M D., Padmore, H A., Smith, A D., & Greaves, G N (1995), Core excitons in silicon and silicon oxides Review of Scientific Instruments, 66, pp 1480–1482 [112] Van Hanh, P., Huy Hoang, L., Van Hai, P., Van Minh, N., Chen, X B., & Yang, I S (2013), Crystal quality and optical property of MnWO4 nanoparticles synthesized by microwave-assisted method Journal of Physics and Chemistry of Solids, 74, pp 426– 123 430 [113] Van Minh, N., Oanh, L M., Van Doan, P., Van Hai, P., & Hoang, L H (2011), Investigation of structural, optical and magnetic properties in PbTi1-xFexO3 ceramics Ceramics International, 37, pp 3785–3788 [114] Van Quang, T., & Kim, M (2013), The metal-insulator phase transition in the strained GdBiTe3 Journal of Applied Physics, 113, pp 26–29 [115] Varshni, Y P.(1967), Temperature dependence of the energy gap in semiconductors Physica, 34, pp 149–154 [116] Wang, G H., Shi, C Y., Zhao, L., Diao, H W., & Wang, W J (2016), Fabrication of amorphous silicon-germanium thin film solar cell toward broadening long wavelength response Journal of Alloys and Compounds, 658, pp 543–547 [117] Ward, R M (2012), Modelling of Silicon-Germanium Alloy Heterostructures using Double Group Formulation of k.p theory https://spiral.imperial.ac.uk/handle/10044/1/9757 [118] Weber, J., & Alonso, M I (1989), Near-band-gap photoluminescence of Si-Ge alloys Physical Review B, 40, pp 5683–5693 [119] Whall, T E., & Parker, E H C (1995), Silicon-germanium heterostructures advanced materials and devices for silicon technology Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 6, pp 249–264 [120] Williams, David B., C Barry Carter, and P V (1998), Transmission electron microscopy: A textbook for materials science Springer US [121] Wimmer, E., Krakauer, H., Weinert, M., & Freeman, A J (1981), Full-potential self-consistent linearized-augmented-plane-wave method for calculating the electronic structure of molecules and surfaces: O2 molecule Physical Review B, 24, pp 864–875 [122] Woggon, U (1997), Optical Properties of Semiconductor Quantum Dots , pp 175– 179 [123] Wolf, M., Brendel, R., Werner, J H., & Queisser, H J (1998), Solar cell efficiency and carrier multiplication in Si1−xGex alloys Journal of Applied Physics, 83, pp 124 4213–4221 [124] Yonenaga, I., Taishi, T., Ohno, Y., & Tokumoto, Y (2010), Cellular structures in Czochralski-grown SiGe bulk crystal Journal of Crystal Growth, 312, pp 1065–1068 [125] Zacharias,M., & Fauchet,P M.(1997), Blue luminescence in films containing Ge and GeO2 nanocrystals: The role of defects Applied Physics Letters, 71, pp 380–382 [126] Zhao, P Q., Liu, L Z., Yang, Y M., & Wu, X L (2015), Electronic states and phonon properties of GexSi1-x nanostructures Annals of Physics, 358, pp 20–57 [127] Ziesche, P., Kurth, S., & Perdew, J P (1998), Density functionals from LDA to GGA Computational Materials Science, 11, pp 122–127 125 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyen Truong Giang, Nguyen Van Kien, Ngo Ngoc Ha, Nguyen Duc Dung, Nguyen Ngoc Trung, Nguyen Duc Tho, and Vu Van Thu (2014) Raman Shifts of The Single Phase Si1-xGex Nanocrytals Proceeding of the second international conference on advanced materials and nanotechnology (ICAMN-2014), pp 503-505 Ngo Ngoc Ha, Nguyen Truong Giang, Truong Thi Thanh Thuy, Nguyen Ngoc Trung, Nguyen Duc Dung, Saba Saeed and Tom Gregorkiewicz (2015) Single phase Si1−xGex nanocrystals and the shifting of the E1 direct energy transition Nanotechnology 26 (2015), 375701 (5pp) Nguyen Truong Giang, Le Thanh Cong, Nguyen Duc Dung, Tran Van Quang, Ngo Ngoc Ha (2016) Nanocrystal growth of single-phase Si1-xGex alloys Journal of Physics and Chemistry of Solids, 93(2016), pp 121-125 Ngo Ngoc Ha, Nguyen Truong Giang, Tran Ngoc Khiem, Nguyen Duc Dung, and Tom Gregorkiewicz (2016) Spectral probing of carrier traps in Si-Ge alloy nanocrystals Phys Status Solidi RRL,1-4 (2016) / DOI 10.1002/pssr.201600304 Tran Van Quang, Nguyen Truong Giang, Ngo Ngoc Ha (2016) Tuning the Electronic Structure of Si1-xGex Alloys VNU Journal of Science: Mathematics - Physics, Vol 32, No (2016), pp 57- 62 Nguyễn Trường Giang, Lê Thành Công, Nguyễn Đức Dũng, Ngô Ngọc Hà, Trần Văn Quảng (2018) Sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ nghiên cứu hình thành tinh thể nano hợp kim Si-Ge Tạp chí Khoa học Công nghệ, 124 (2018), trang 063-067 126 PHỤ LỤC Code tham khảo từ mã nguồn mở, chi tiết xem thêm tài liệu tham khảo số [117] có sửa đổi bổ sung cho phù hợp với tính tốn luận án Dưới chúng tơi xin đưa Code dùng để tính tốn chương luận án % Computes bulk dispersion relation E(k) using k.p Theory in Si_{1-x}Ge_x % alloys % % This matlab code was written by Robert M Ward (19/08/2011); % robert.ward04@imperial.ac.uk % % Ph.D Thesis - "Modelling of Silicon-Germanium Alloy Heterostructures % using Double Group Formulation of k.p theory" % https://spiral.imperial.ac.uk/handle/10044/1/9757 clc clear all close all %%%% Si_{1-x}Ge_x; < x < %%%% x = 1.00 for Germanium %%%% x = 0.00 for Silicon colo=['-r ' ':k ' ' b' '-.m' '-c ' ':g ' '-r ' '-r ' ':k ' ' b' ':m ' '-r ']; a tmp=[ 0.2000 5.4600 0.4000 5.5300 0.6000 5.5800 0.8000 5.6500] ; xM=tmp(:,1); a0M=tmp(:,2); xM=[0 10 13 16]/16; xM=[0 10 13 16]/16; % xM=[0 0.5 1]; % xM=1-[1 10 13]/16; % xM=xM([2 6]); % LGa=['Si_{1-x}Ge_x, x=0 ' % 'Si_{1-x}Ge_x, x=0.0625' % 'Si_{1-x}Ge_x, x=0.1875' % 'Si_{1-x}Ge_x, x=0.3125' % 'Si_{1-x}Ge_x, x=0.4375' % 'Si_{1-x}Ge_x, x=0.6250' % 'Si_{1-x}Ge_x, x=0.8125' % 'Si_{1-x}Ge_x, x=1.0000']; LG=[]; for kq=1:length(xM) x=xM(kq); % x = 01.00; % x = 0.500; %%%% computes lattice constant of Si_{1-x}Ge_x alloy using Dismumkes law; %%%% J P Dismukes, L Elkstrom and R J Paff "Lattice Parameter and %%%% Density in Germanium-Silicon alloys" J Phys Chem 68(10):3021-3027 %%%% Oct 1964 a0 = 5.387 + 0.1428*x + 0.0532*x^2; % a0=a0M(kq); %%%% select a range of k to iterate over For full zone band diagrams use b %%%% k = 0:0.01:1 For effective mass Hamiltonians I reccomend %%%% k = 0:0.002:0.2 k = 0:0.01:1; Energies1 = zeros(length(k),30); Energies2 = Energies1; for n = 1:length(k) kx = k(n)*pi/a0; %%%% For the dispersion relation to be isotropic, these should be equivalent! % Energies1(n,:) = sort(real(eig(Double_Group_Hamiltonian( kx, 0, 0, x)))); % Energies1(n,:) = sort(real(eig(Double_Group_Hamiltonian( 0, kx, 0, x)))); Energies1(n,:) = sort(real(eig(Double_Group_Hamiltonian( 0, 0, kx, x)))); kx = kx/sqrt(3); Energies2(n,:) = sort(real(eig(Double_Group_Hamiltonian(+kx, +kx, +kx, x)))); % Energies3(n,:) = sort(real(eig(Double_Group_Hamiltonian(+kx/sqrt(5), +kx*2/sqrt(5), 0, x)))); % Energies4(n,:) = sort(real(eig(Double_Group_Hamiltonian(+kx/sqrt(5), +kx*2/sqrt(5), 0, x)))); end % plot(k(:), Energies1(:,:), 'k', -k(:), Energies2(:,:), 'k'); hold on h(:,kq)=plot(k(:), Energies1(:,:),colo(kq,:), -k(:), Energies2(:,:), colo(kq,:),'linewidth',2); hold on % LG(kq,:)=[LGa(nM(kq),:)]; LG=[LG;'x= ' qnum2str(x,'R',6)]; % tmp1= Eg(kq)=1; end c Elim=[-5 5]; dE=1; plot([0 0], Elim,'k'); hold on plot([-1 1], [0 0],'k'); hold on ylim(Elim) legend(h(1,:),LG) text(0,Elim(1)-0.05*(Elim(2)-Elim(1)),'\Gamma','Fontsize',20,'FontWeight','Bold') text(-1,Elim(1)-0.05*(Elim(2)-Elim(1)),'L','Fontsize',20,'FontWeight','Bold') text(1,Elim(1)-0.05*(Elim(2)-Elim(1)),'X','Fontsize',20,'FontWeight','Bold') text(-0.5,Elim(1)-0.05*(Elim(2)-Elim(1)),'\Lambda','Fontsize',20,'FontWeight','Bold') text(0.5,Elim(1)-0.05*(Elim(2)-Elim(1)),'\Delta','Fontsize',20,'FontWeight','Bold') set(gca,'xtick',[]); % turn off x label; resetaxisticklabel2('Y',dE,Elim) ylabel('E-E_F [eV]') figuredisp %%%%robert.ward04@imperial.ac.uk 19/08/2011 d ... cơng trình nghiên cứu cụ thể loại vật liệu huỳnh quang nhóm IV gồm Ge hợp kim SiGe Việc chế tạo nghiên cứu tính chất vật lý hợp kim nano SiGe cần thiết để từ tạo tiền đề cho nghiên cứu ứng dụng... nghiên cứu ứng dụng sau Việc chế tạo nghiên cứu tính chất vật lý vật liệu hợp kim nano SiGe nhằm khai thác tiềm chúng nhiều khía cạnh bất cập Các tinh thể hợp kim chất lượng cao yêu cầu thiết... cấm lớn SiO2 Cụ thể hệ vật liệu hợp kim Si1-xGex đơn tinh thể có cấu trúc nano với thành phần x thay đổi từ 0,2 ÷ 0,8 IV Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu hợp kim nano Si1-xGex chất lượng