Nghiên cứu động lực học của hạt tải và các dao động trong một số bán dẫn có cấu trúc nano

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠMLÊ THỊ NGỌC BẢO NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HẠT TẢI VÀ CÁC DAO ĐỘNG TRONG MỘT SỐ BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC NANO Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LÊ THỊ NGỌC BẢO

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HẠT TẢI

VÀ CÁC DAO ĐỘNG TRONG MỘT SỐ BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC NANO

Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán

L˝IC MÌN

” ho n th nh ÷æc lu“n ¡n n y, tæi xin b y tä lÆng bi‚t ìn s¥u s›cnh§t công nh÷ sü k‰nh trång cıa m…nh ‚n Thƒy gi¡o PGS TS inhNh÷ Th£o Thƒy ¢ trüc ti‚p h÷îng d¤n v ành h÷îng cho tæi thüc hi»ncæng tr…nh nghi¶n cøu n y Thƒy ¢ d…u d›t tæi tr¶n con ÷íng nghi¶ncøu khoa håc, t“n t…nh h÷îng d¤n tæi tł ph÷ìng ph¡p l m vi»c câ hi»uqu£, ph÷ìng ph¡p nghi¶n cøu khoa håc, sü nghi¶m tóc trong khoa håc,

‚n vi»c ch¿nh sßa cho tæi tłng c¥u v«n, o⁄n v«n trong lu“n ¡n B¶n c⁄nh

â, Thƒy cÆn truy•n ⁄t cho tæi nhœng ki‚n thøc, kÿ n«ng v kinh nghi»mquþ b¡u trong cæng vi»c công nh÷ trong cuºc sŁng Lu“n ¡n n y

l mºt sü ki»n °c bi»t v câ þ ngh¾a lîn Łi vîi tæi Trong sü ki»n þngh¾a â tæi ¢ nh“n ÷æc mân qu tr¥n quþ nh§t tł Thƒy, â l sü tr÷ðng

th nh hìn trong nghi¶n cøu khoa håc công nh÷ trong cæng vi»cgi£ng d⁄y cıa tæi

Tæi công xin gßi líi c£m ìn ch¥n th nh ‚n Thƒy gi¡o TS L¶ QuþThæng v Thƒy gi¡o ThS L¶ Ngåc Minh Hai ng÷íi Thƒy k‰nh m‚n,tuy khæng trüc ti‚p h÷îng d¤n tæi trong cæng tr…nh nghi¶n cøu n ynh÷ng hai Thƒy luæn luæn ºng vi¶n, kh‰ch l» v gióp ï tæi trongcæng vi»c công nh÷ chia s· ni•m vui mØi khi tæi ⁄t ÷æc k‚t qu£ mîi.Xin tr¥n trång c£m ìn Khoa V“t lþ, Tr÷íng ⁄i håc S÷ ph⁄m, ⁄i håc Hu‚, còng t§t c£ c¡c Thƒy Cæ trong Khoa ¢ gi£ng d⁄y, gióp ï v t⁄o måi i•u ki»n thu“n læi trong suŁt thíi gian tæi håc t“p v nghi¶n cøu

Xin ch¥n th nh c£m ìn PhÆng o t⁄o Sau ⁄i håc, Tr÷íng ⁄i

i

håc S÷ ph⁄m, ⁄i håc Hu‚ ¢ t⁄o måi i•u ki»n thu“n læi cho tæi trong vi»c

ho n th nh c¡c thı töc h nh ch‰nh trong suŁt qu¡ tr…nh håc t“p

Tæi xin gßi líi c£m ìn ‚n t§t c£ c¡c Thƒy, c¡c Cæ, c¡c anh chà emçng nghi»p trong Khoa V“t lþ, Tr÷íng ⁄i håc Khoa håc, ⁄i håc Hu‚ ¢ t⁄omåi i•u ki»n thu“n læi, gióp ï v ºng vi¶n tæi trong suŁt qu¡ tr…nh tæihåc t“p, nghi¶n cøu v cæng t¡c Tæi công xin gßi líi c£m ìn ‚n hai b⁄nçng mæn D÷ìng …nh Ph÷îc v Trƒn Thi»n L¥n Hai b⁄n ¢ còng tæingçi t⁄i nhœng qu¡n c ph¶ ” còng nhau t¥m sü v chia s· v• nhœngkhâ kh«n trong qu¡ tr…nh nghi¶n cøu công nh÷ ni•m vui mØi khi ⁄t

÷æc mºt k‚t qu£ mîi

CuŁi còng tæi xin d nh t§t c£ sü y¶u th÷ìng v líi c£m ìn ‚nnhœng th nh vi¶n trong gia …nh C£m ìn bŁ mµ ¢ luæn gióp ï, t⁄omåi i•u ki»n tŁt nh§t ” con d¥u v con g¡i y¶n t¥m håc t“p, nghi¶n cøukhoa håc C£m ìn chçng ¢ luæn luæn b¶n c⁄nh gióp ï, ºng vi¶n, ıng

hº væ h‚t m…nh Mµ c£m ìn hai con Gin, Bin ¢ ngoan ngo¢n v luæny¶u th÷ìng mµ Mµ y¶u ba bŁ con nhi•u l›m

Tæi xin ch¥n th nh c£m ìn t§t c£!

ii

L˝I CAM OAN

Tæi xin cam oan ¥y l cæng tr…nh nghi¶n cøu cıa ri¶ng tæi C¡ck‚t qu£, sŁ li»u, ç thà n¶u trong lu“n ¡n l trung thüc v ch÷a tłng ÷æc aicæng bŁ trong b§t ký mºt cæng tr…nh n o kh¡c

T¡c gi£ lu“n ¡n

L¶ Thà Ngåc B£o

iii

MÖC LÖC

Líi c£m ìn

Líi cam oan

Möc löc

Danh s¡ch c¡c h…nh v‡

Danh s¡ch c¡c b£ng

Mð ƒu

Ch÷ìng 1 1.1 TŒng quan v• b¡n d¤n câ c§u tróc na-næ-m†t

1.2 Ch§m l÷æng tß

1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 Ph÷ìng ph¡p mæ phäng Monte Carlo t“p hæp tü hæp 1.4 TŒng quan ph÷ìng ph¡p h m sâng t¡i chu'n hâa

1.5 K‚t lu“n ch÷ìng 1

Ch÷ìng 2 2.1 TŒng quan t…nh h…nh nghi¶n cøu

iv

2.2 Ph÷ìng ph¡p gi£i ph÷ìng tr…nh Poisson ba chi•u b‹ng

thu“t to¡n BiCGstab(l) 2.3 K‚t qu£ mæ phäng v th£o lu“n

2.4 K‚t lu“n ch÷ìng 2

Ch÷ìng 3 Hi»u øng Stark quang håc cıa exciton trong

ch§m l÷æng tß 3.1 TŒng quan t…nh h…nh nghi¶n cøu hi»u øng Stark quang håc3.2 Hi»u øng Stark quang håc cıa exciton trong ch§m l÷æng

tß h…nh cƒu 3.2.1

3.2.2 Y‚u tŁ ma tr“n cho chuy”n díi quang giœa hai møc

tß h…nh cƒu 4.2.1

4.2.2

Danh möc c¡c b i b¡o ¢ cæng bŁ li¶n quan ‚n lu“n ¡n

T i li»u tham kh£o

Phö löc

vi

theo thíi gian trong ph÷ìng

ph¡p Monte Carlo t“p hæp C¡c ÷íng n†t li•n n‹m ngang

ch¿ ra quÿ ⁄o chuy”n ºng theo thíi gian cıa mØi h⁄t C¡c

÷íng n†t øt dåc ch¿ ra thíi i”m t‰nh to¡n D§u

tr¶n c¡c ÷íng n†t li•n ch¿ ra thíi i”m x£y ra sü ki»n

t¡n x⁄ [74] .1.4 Gi£n ç chån lüa mºt cì ch‚ t¡n x⁄ [74] .1.5 Sì ç mæ h…nh h» ba møc Trong â k‰ hi»u En«ng l÷æng cıa lØ trŁng; E1; E2 l c¡c møc n«ng l÷æng cıai»n tß; !p l

dÆ v ! lhi»u hai møc n«ng l÷æng l÷æng tß hâa cıa i»n tß

2.1 Thu“t to¡n BiCGstab(l) [66] .2.2 Mæ h…nh i-Łt p-i-n GaAs [12]

vii

2.3 V“n tŁc træi d⁄t cıa i»n tß theo c¡c ph÷ìng kh¡c nhau

v v“n tŁc træi d⁄t to n phƒn nh÷ l h m cıa thíi gian

øng vîi i»n tr÷íng ngo i Eex = 100 kV/cm 49

2.4 V“n tŁc træi d⁄t to n phƒn cıa i»n tß theo thíi gian øng

vîi i»n tr÷íng ngo i Eex = 70 kV/cm, Eex = 100 kV/cm

v Eex = 130 kV/cm 50 2.5 V“n tŁctræi d⁄t to n phƒn cıa i»n tß theo thíi gian thu

÷æc khi sß döng thu“t to¡n BiCGstab(5) v BiCGstab

[6] øng vîi i»n tr÷íng ngo i Eex = 100 kV/cm 50 2.6 Ph¥n bŁ i»n th‚ trong i-Łt p-i-n b¡n d¤n GaAs øng vîi

i»n tr÷íng ngo i Eex = 100 kV/cm: a) Trong khæng gian

t⁄i c¡c i”m nót tr¶n m°t c›t z = 10 nm b) Dåc theo tröc Ox,

y = z = 10 nm trong ch÷ìng tr…nh mæ phäng câ

sß döng thu“t to¡n BiCGstab(5) v BiCGstab 51 2.7

So s¡nh chu'n Euclide cıa vectì th°ng d÷ trong tr÷íng

hæp ch÷ìng tr…nh con Poisson dòng thu“t to¡n BiCGstab(l)

v thu“t to¡n BiCGstab 52 2.8 ç thà bi”u di„n º lîn cıa c¡c th nh phƒn cıa vectì

th°ng d÷ cıa ch÷ìng tr…nh con Poisson trong hai tr÷ínghæp dòng thu“t to¡n BiCGstab(l) v thu“t to¡n BiCGstab 53 2.9 Thíi gian trung b…nh tr¶n mºt lƒn gi£i ph÷ìng tr…nh Pois-son theo thu“t to¡n BiCGstab v BiCGstab(l) vîi l = 1; 10 55

viii

3.1 Mæ h…nh h» ba møc: j0i l møc cıa lØ trŁng, j1i v j2i

l c¡c møc cıa i»n tß a) Chuy”n díi quang giœa hai

møc n«ng l÷æng cıa i»n tß d÷îi t¡c döng cıa laser bìm

câ tƒn sŁ !p ÷æc k‰ hi»u bði ÷íng môi t¶n n†t øt b)

Chuy”n díi quang giœa hai møc j0i v j1i d÷îi t¡c döng cıa

laser dÆ câ tƒn sŁ !t ÷æc k‰ hi»u bði ÷íng môi t¶n

ch§m ch§m 65

3.2 PhŒ h§p thö cıa exciton trong ch§m l÷æng tß h…nh cƒu

câ b¡n k‰nh R = 60 A khi khæng câ sâng bìm ( ÷íng øt n†t)

v khi câ sâng bìm ( ÷íng li•n n†t) trong tr÷íng hæp º l»ch cıa sâng bìm vîi kho£ng c¡ch hai møc n«ng l÷æng l÷æng tß hâa cıa i»n tß ~ ! = 0 meV 73

3.3 a) Chuy”n díi tł møc n«ng l÷æng cıa lØ trŁng l¶n møc

n«ng l÷æng ƒu ti¶n cıa i»n tß khi khæng câ sâng bìm

laser b) Khi câ sâng bìm laser cºng h÷ðng hai møc n«ng

l÷æng l÷æng tß hâa cıa i»n tß, mØi møc n«ng l÷æng cıa

i»n tß ÷æc t¡ch th nh hai møc con; tçn t⁄i chuy”n díi tł møc

n«ng l÷æng cıa lØ trŁng l¶n hai møc con cıa møc n«ng

l÷æng i»n tß thø nh§t j1+i v j1 tu¥n theo quy

t›c låc lüa 74 3.4 Sü phö thuºc cıa x¡c su§t h§p thö v o tƒn sŁ khi câ

sâng bìm vîi c¡c º l»ch cºng h÷ðng kh¡c nhau ~ ! = 0

meV ( ÷íng li•n n†t), ~ ! = 0:1 meV ( ÷íng øt n†t) v ~ ! =

0:3 meV ( ÷íng ch§m ch§m) trong hai tr÷íng

hæp R = 60

ix

3.5 PhŒ h§p thö cıa exciton trong ch§m l÷æng tß h…nh cƒu

khi câ t¡c döng cıa laser bìm trong tr÷íng hæp b¡n k‰nh

ch§m R = 60 A nh÷ l h m cıa º l»ch cıa sâng bìm vîi kho£ng c¡ch hai møc n«ng l÷æng ~ ! v n«ng l÷æng photon ~!

t 77

3.6 PhŒ h§p thö cıa exciton khi khæng câ sâng bìm ( ÷íng

øt n†t m u ä) v khi câ sâng bìm ( ÷íng li•n n†t m u xanh)

trong tr÷íng hæp º l»ch cıa sâng bìm vîi kho£ng c¡ch hai

møc n«ng l÷æng l÷æng tß hâa cıa i»n tß ~ ! =

0 meV trong hai ch§m l÷æng tß h…nh ellip: a) D⁄ng thu¤n;

b) D⁄ng dµt 86 3.7 Sü phö thuºc cıa x¡c su§t h§p thö v o tƒn sŁ khi câ

sâng bìm vîi c¡c º l»ch cºng h÷ðng kh¡c nhau ~ ! = 0

meV ( ÷íng li•n n†t), ~ ! = 0:1 meV ( ÷íng øt n†t)

tß h…nh ellip: d⁄ng thu¤n (h…nh a) v d⁄ng dµt (h…nh

b) 88

3.8 Sü phö thuºc cıa x¡c su§t h§p thö v o tƒn sŁ khi câ

sâng bìm vîi c¡c º l»ch cºng h÷ðng kh¡c nhau ~ ! = 0

meV ( ÷íng li•n n†t), ~ ! = 0:1 meV ( ÷íng øt n†t), ~ ! =

0:3 meV ( ÷íng ch§m ch§m) trong hai ch§m l÷æng tß

h…nh ellip: d⁄ng thu¤n vîi = 5 (h…nh a) v d⁄ng dµt

vîi = 0:8 (h…nh b) 89

x

3.9 PhŒ h§p thö cıa exciton khi câ t¡c döng cıa laser bìm trong nh÷ l h m cıa º l»ch cıa sâng bìm vîi kho£ng c¡ch hai møc n«ng l÷æng ! v n«ng l÷æng photon ~!t trong hai ch§m

l÷æng tß h…nh ellip: d⁄ng thu¤n vîi = 3:5 (h…nh a) v d⁄ng dµt vîi = 0:2 (h…nh b) 90

4.1 Mæ h…nh ba møc n«ng l÷æng: a) Sì ç n«ng l÷æng tr÷îc

khi h» câ t¡c döng cıa laser bìm: E0 l møc n«ng l÷æng cıa

lØ trŁng, E1 v E2 l c¡c møc n«ng l÷æng cıa i»n tß

b) Sì ç n«ng l÷æng khi h» chàu t¡c döng cıa laser bìm câ

n«ng l÷æng ~!p cºng h÷ðng vîi n«ng l÷æng cıa photon

~!21 = E2 E 1 th… c¡c møc n«ng l÷æng ban ƒu s‡ bà t¡ch

ra th nh c¡c møc (E1 ; E1+) v (E2 ; E2+) 96

a) Tr÷îc khi h» chàu t¡c döng cıa laser bìm: 0 l møc

n«ng l÷æng t÷ìng øng vîi tr⁄ng th¡i cì b£n cıa exciton,

10 v 20 l c¡c møc n«ng l÷æng kh£ d¾ t÷ìng øng vîi c¡c

tr⁄ng th¡i k‰ch th‰ch cıa exciton b) Sau khi h» chàu t¡c

döng cıa laser bìm cºng h÷ðng vîi kho£ng c¡ch giœa hai

møc n«ng l÷æng cıa i»n tß: c¡c møc n«ng l÷æng cıa

exciton bà t¡ch ra d÷îi t¡c döng cıa laser bìm; c¡c chuy”n

4.3 C÷íng º h§p thö phö thuºc thíi gian trong ch§m l÷æng

tß h…nh cƒu câ b¡n k‰nh R = 50 A khi khæng câ sâng

bìm ( ÷íng øt n†t) v khi câ sâng bìm ( ÷íng li•n n†t) trong

tr÷íng hæp º l»ch cıa sâng bìm vîi kho£ng c¡ch

hai møc n«ng l÷æng ~ ! = 0 meV 108

4.4 Sü phö thuºc cıa c÷íng º h§p thö theo thíi gian trong

ch§m l÷æng tß h…nh cƒu vîi c¡c b¡n k‰nh kh¡c nhau R =

40 A ( ÷íng øt n†t), R = 50

60 A ( ÷íng ch§m ch§m) trong tr÷íng hæp º l»ch cºngh÷ðng ~ ! = 0:1 meV 109 4.5 Sü

phö thuºc cıa chu ký ph¡ch l÷æng tß theo b¡n k‰nh

cıa ch§m l÷æng tß h…nh cƒu vîi c¡c º l»ch cºng h÷ðng

kh¡c nhau ~ ! = 0:1 meV ( ÷íng øt n†t), ~ ! = 0:3 meV

( ÷íng li•n n†t) v ~ ! = 0:5 meV ( ÷íng ch§m

ch§m)

4.6 Sü phö thuºc cıa c÷íng º h§p thö theo thíi gian trong

ch§m l÷æng tß h…nh cƒu câ b¡n k‰nh R = 40 A vîi c¡c gi¡

trà kh¡c nhau cıa º l»ch cºng h÷ðng kh¡c nhau ~ ! =

0:1 meV ( ÷íng øt n†t), ~ ! = 0:3 meV ( ÷íng li•n

n†t) v ~ ! = 0:5 meV ( ÷íng ch§m ch§m)

4.7 Sü phö thuºc cıa chu ký ph¡ch l÷æng tß v o º l»ch cºng

h÷ðng ! trong ch§m l÷æng tß h…nh cƒu øng vîi c¡c gi¡

trà kh¡c nhau cıa b¡n k‰nh R = 40 A ( ÷íng øt n†t),

R = 50 A ( ÷íng li•n n†t) v

ch§m)

xii

4.8 C÷íng º h§p thö phö thuºc thíi gian khi khæng câ sâng

bìm ( ÷íng øt n†t) v khi câ sâng bìm ( ÷íng li•n n†t) vîi º

l»ch cıa sâng bìm vîi kho£ng c¡ch hai møc n«ng l÷æng

~ ! = 0 meV trong hai ch§m l÷æng tß h…nh ellip: a)

D⁄ng thu¤n trong tr÷íng hæp = b=a = 1; 2 b) D⁄ng

dµt trong tr÷íng hæp = b=a = 0; 2 121 4.9 Sü phö thuºc cıa c÷íng º h§p thö theo thíi gian vîi c¡c

t¿ sŁ = b=a kh¡c nhau vîi º l»ch cºng h÷ðng ~ ! = 0:1

meV trong hai ch§m l÷æng tß h…nh ellip: a) D⁄ng

thu¤n trong c¡c tr÷íng hæp = 2; ( ÷íng li•n n†t m£nh), =

2:5; ( ÷íng li•n n†t to) v = 3 ( ÷íng ch§m ch§m) b)

D⁄ng dµt trong c¡c tr÷íng hæp = 0:4; ( ÷íng li•n n†t

m£nh), = 0:6; ( ÷íng li•n n†t to) v = 0:8 ( ÷íng ch§m

ch§m) 122

4.10 Sü phö thuºc cıa chu ký ph¡ch l÷æng tß theo t¿ sŁ =

b=a vîi c¡c º l»ch cºng h÷ðng kh¡c nhau ~ ! = 0:1 meV

( ÷íng øt n†t), ~ ! = 0:3 meV ( ÷íng li•n n†t) v ~ ! = 0:5

meV ( ÷íng ch§m ch§m) trong hai ch§m l÷æng

tß h…nh ellip: a) D⁄ng thu¤n; b) D⁄ng dµt 123 4.11

Sü phö thuºc cıa c÷íng º h§p thö theo thíi gian vîi

c¡c gi¡ trà º l»ch cºng h÷ðng kh¡c nhau ~ ! = 0:1 meV

( ÷íng li•n n†t nhä), ~ ! = 0:3 meV ( ÷íng li•n n†t

to), ~ ! = 0:5 meV ( ÷íng ch§m ch§m) trong hai ch§m

l÷æng tß h…nh ellip: a) D⁄ng thu¤n; b) D⁄ng dµt 124

xiii

4.12 Sü phö thuºc cıa chu ký ph¡ch l÷æng tß v o º l»ch cºng

h÷ðng ~ ! vîi c¡c gi¡ trà kh¡c nhau cıa t¿ sŁ = b=a trong

hai ch§m l÷æng tß h…nh ellip: a) D⁄ng thu¤n b)

D⁄ng dµt 125

xiv

DANHS CHC CB NG

2.1 C¡c tham sŁ v“t li»u .2.2 C¡c h‹ng sŁ v“t lþ .2.3 SŁ ph†p t‰nh to¡n nh¥n ma tr“n (MVS), t‰ch nºi (DOTS)

v c“p nh“t vectì (AXPYS) cıa c¡c líi gi£i ph÷ìng tr…nhPoisson theo thu“t to¡n BiCGstab, BiCGstab(l) vîi l =1;10

xv

M— U

1 Lþ do chån • t i

Ng y nay trong xu th‚ ph¡t tri”n v• khoa håc, kÿ thu“t v cængngh» th… khoa håc na-næ l l¾nh vüc ang ÷æc quan t¥m nghi¶ncøu vîi Łi t÷æng nghi¶n cøu l b¡n d¤n câ c§u tróc na-næ-m†t [2, 4,

8, 10] C§u tróc na-næ b¡n d¤n l c§u tróc b¡n d¤n m k‰ch cï mØichi•u cıa nâ v o cï na-næ-m†t C§u tróc n y câ r§t nhi•u t‰nh ch§tkh¡c bi»t so vîi b¡n d¤n thæng th÷íng C¡c t‰nh ch§t cıa c§u tróc n y

câ th” thay Œi ÷æc b‹ng c¡ch i•u ch¿nh h…nh d⁄ng v k‰ch th÷îc cïna-næ-m†t cıa chóng Nhí nhœng t‰nh ch§t ÷u vi»t n¶n c§u trócna-næ b¡n d¤n ÷æc øng döng ” l m linh ki»n cho c¡c thi‚t bà quangi»n tß, l m t«ng tŁc º cıa c¡c linh ki»n v t⁄o ra c¡c linh ki»n b¡n d¤n câhi»u n«ng cao [48] Ngo i ra c§u tróc na-næ b¡n d¤n cÆn câ ti•mn«ng øng döng trong c¡c l¾nh vüc cæng nghi»p, mæi tr÷íng v nhi•ul¾nh vüc kh¡c [54, 55] C¡c c§u tróc na-næ b¡n d¤n k‚t hæp vîinhœng cæng ngh» hi»n câ trong nhi•u l¾nh vüc s‡ l ºng lüc ” cængngh» ph¡t tri”n m⁄nh m‡, gâp phƒn thóc 'y vi»c s£n xu§t, øng döngc¡c thi‚t bà d¥n döng v cæng ngh» hi»n ⁄i v o cuºc sŁng

Trong sŁ c¡c c§u tróc na-næ b¡n d¤n th… c¡c c§u tróc th§p chi•u lmºt trong nhœng Łi t÷æng nghi¶n cøu mang t‰nh thíi sü, thu hót süquan t¥m cıa nhi•u nh v“t lþ lþ thuy‚t v thüc nghi»m [1, 16, 18, 19, 21,22] C§u tróc th§p chi•u ÷æc h…nh th nh khi ta gi£m k‰ch th÷îc cıa

1

c§u tróc na-næ xuŁng x§p x¿ qu¢ng ÷íng chuy”n ºng tü do trung b…

nh cıa h⁄t vi mæ hay cï b÷îc sâng de Broglie cıa nâ Khi k‰ch th÷îccıa v“t r›n gi£m xuŁng mºt c¡ch ¡ng k” theo mºt chi•u, hai chi•u ho°c

ba chi•u th… c¡c t‰nh ch§t v“t lþ nh÷ t‰nh ch§t cì, nhi»t, i»n, tł vquang câ th” thay Œi mºt c¡ch ºt ngºt [7] C¡c c§u tróc th§p chi•u baogçm h» hai chi•u-gi‚ng l÷æng tß, h» mºt chi•u-d¥y l÷æng tß v h»khæng chi•u-ch§m l÷æng tß Vi»c nghi¶n cøu t‰nh ch§t cıa c¡c c§utróc th§p chi•u ¢ v ang ÷æc ti‚n h nh tł h ng chöc n«m tr÷îc ¥y v ¢thu ÷æc c¡c k‚t qu£ v÷æt trºi, øng döng v o måi m°t cıa íi sŁng Thüct‚ â ¢ v ang mð ra nhœng ti•m n«ng øng döng væ còng lîn trongkhoa håc, qu¥n sü v íi sŁng [28, 40]

Mºt trong nhœng c§u tróc th§p chi•u ang nh“n ÷æc nhi•u süquan t¥m nghi¶n cøu hi»n nay â l ch§m l÷æng tß [22, 30, 77, 81].Ch§m l÷æng tß l c§u tróc giam giœ h⁄t vi mæ trong c£ ba chi•ukhæng gian Khi k‰ch th÷îc cıa ch§m l÷æng tß thay Œi s‡ k†o theoc§u tróc vòng n«ng l÷æng thay Œi v kho£ng c¡ch giœa c¡c møcn«ng l÷æng công thay Œi t÷ìng øng Do n«ng l÷æng vòng c§m quy‚tành b÷îc sâng ph¡t x⁄ photon v… v“y ta câ th” ki”m so¡t b÷îc sângph¡t x⁄ qua k‰ch th÷îc cıa ch§m l÷æng tß [26] Ch§m l÷æng tß ÷æcøng döng ” ch‚ t⁄o c¡c linh ki»n i»n tß v quang i»n tß Ngo i ra ch§ml÷æng tß cÆn ÷æc øng döng trong ¡nh d§u sinh håc, ch‚ t⁄o cængt›c quang håc v m¡y t‰nh l÷æng tß [13]

B i to¡n ºng lüc håc cıa h⁄t t£i l mºt b i to¡n quan trång li¶n quan

‚n t‰nh ch§t cıa linh ki»n [65, 67, 72, 73, 74] ºng lüc håc cıa h⁄t t£ich¿ ra chuy”n ºng cıa h⁄t t£i v £nh h÷ðng cıa c¡c nh¥n tŁ b¶n ngo inh÷ i»n tr÷íng, º pha t⁄p l¶n qu¡ tr…nh â Chuy”n ºng

2

cıa h⁄t t£i g›n li•n vîi º linh ºng cıa h⁄t t£i v quy‚t ành tŁc º ho⁄t ºng cıac¡c linh ki»n Vi»c ch‚ t⁄o v nghi¶n cøu thüc nghi»m c¡c linh ki»n b¡nd¤n cƒn c¡c m¡y mâc hi»n ⁄i v chi ph‰ nghi¶n cøu r§t tŁn k†m V…v“y, vi»c nghi¶n cøu v• m°t lþ thuy‚t c¡c t‰nh ch§t cıa c¡c linh ki»nb¡n d¤n s‡ cung c§p c¡c thæng tin cƒn thi‚t, gâp phƒn l m gi£m ¡ngk” chi ph‰ công nh÷ thíi gian, cæng søc ƒu t÷ v o vi»c ch‚ t⁄o c¡c linhki»n b¡n d¤n câ hi»u n«ng cao B¶n c⁄nh â, sü ph¡t tri”n cıa khoa håc

v cæng ngh» d¤n ‚n y¶u cƒu t…m ki‚m c¡c v“t li»u v c¡c linh ki»n mîi

câ º ¡p øng nhanh tøc l câ tŁc º ho⁄t ºng cao ¥y l mºt y¶u cƒu bøcthi‚t do c¡c linh ki»n i»n tß düa tr¶n v“t li»u Silic ang ng y ti‚n ‚n giîih⁄n ho⁄t ºng tŁi a n¶n cƒn t…m c¡c lo⁄i v“t li»u mîi v linh ki»n mîi thayth‚ [48] Nghi¶n cøu cho th§y r‹ng c¡c linh ki»n i»n tß v quang i»n tßch‚ t⁄o düa tr¶n c¡c c§u tróc na-næ b¡n d¤n nh÷ GaAs, InAs v ZnO

câ nhi•u ti•m n«ng v cƒn ÷æc nghi¶n cøu, khai th¡c Vi»c nghi¶n cøu

n y vła câ þ ngh¾a khoa håc vła câ þ ngh¾a øng döng, ¡p øng y¶ucƒu thüc t‚, câ t‰nh thíi sü

Trong nhœng n«m gƒn ¥y vîi sü ph¡t tri”n cıa c¡c h» thŁng m¡y t

‰nh câ tŁc º cüc nhanh, vi»c nghi¶n cøu t‰nh ch§t cıa c¡c linh ki»nb¡n d¤n câ k‰ch th÷îc na-næ b‹ng c¡c ph÷ìng ph¡p mæ phäng ¢ ÷æcthüc hi»n nhi•u [2, 4, 8, 9, 10, 11, 14, 58] Gƒn ¥y nhâm t¡c gi£Leitenstorfer v cºng sü ¢ xu§t b£n c¡c cæng tr…nh li¶n quan ‚n vi»c oqu¡ tr…nh ºng lüc håc h⁄t t£i si¶u nhanh trong c¡c i-Łt câ c§u tróc p-i-nch‚ t⁄o b‹ng v“t li»u GaAs v InP [48] Câ mºt v i nhâm t¡c gi£ ¢ ti‚n h nhnghi¶n cøu lþ thuy‚t qu¡ tr…nh v“n t£i khæng c¥n b‹ng cıa c¡c h⁄t t£i[14, 65, 67] v mºt sŁ t‰nh ch§t quang cıa v“t li»u [63, 64] b‹ng ph÷ìngph¡p Monte Carlo Vi»c nghi¶n cøu n y ch¿ t“p trung v o mºt

3

sŁ linh ki»n d÷îi mºt sŁ i•u ki»n b¶n ngo i cö th” Ngo i ra ” ìn gi£nhâa b i to¡n ng÷íi ta th÷íng sß döng c¡c gƒn óng, h» qu£ l k‚t qu£ thu

÷æc th÷íng câ sai kh¡c vîi thüc nghi»m N‚u muŁn sß döng nhœngph÷ìng ph¡p câ º ch‰nh x¡c cao th… l⁄i cƒn ph£i sß döng c¡c h»thŁng m¡y t‰nh lîn v m⁄nh çng thíi c¡c ch÷ìng tr…nh t÷ìng øng cıa

nâ l⁄i th÷íng r§t tŁn thíi gian thüc hi»n i•u â d¤n tîi nhu cƒu cƒn x¥ydüng c¡c ch÷ìng tr…nh mæ phäng câ kh£ n«ng t‰nh to¡n ch‰nhx¡c nh÷ng công vła câ tŁc º thüc hi»n nhanh hìn

B¶n c⁄nh vi»c nghi¶n cøu ºng lüc håc h⁄t t£i, c¡c dao ºng trong c¡cc§u tróc na-næ b¡n d¤n l nhœng nh¥n tŁ câ th” l m £nh h÷ðng ‚nchuy”n ºng cıa h⁄t, câ th” l m t«ng ho°c gi£m tŁc º chuy”n ºng cıa h⁄t vthay Œi h÷îng h⁄t chuy”n ºng [28] V… v“y ” kh£o s¡t ƒy ı chuy”n ºng cıah⁄t t£i cƒn nghi¶n cøu v• vai trÆ cıa c¡c dao ºng do chóng l nh¥n tŁquy‚t ành c¡c t‰nh ch§t i»n v quang cıa c¡c linh ki»n i»n tß t÷ìng øng[40] ¢ câ r§t nhi•u cæng tr…nh nghi¶n cøu v• c¡c dao ºng tçn t⁄i trongmºt sŁ c§u tróc na-næ b¡n d¤n thæng qua vi»c nghi¶n cøu hi»u øngStark quang håc v hi»n t÷æng ph¡ch l÷æng tß, chflng h⁄n nh÷ c¡ccæng tr…nh [15, 18, 19, 22, 27, 29, 30, 36, 37, 42, 61] Hi»u øng Starkquang håc trong c¡c c§u tróc th§p chi•u ¢ ÷æc quan t¥m nghi¶n cøu c£v• thüc nghi»m l¤n lþ thuy‚t tł n«m 1986 cho ‚n nay [29, 47, 58] Trongc¡c cæng tr…nh nghi¶n cøu n y, c¡c t¡c gi£ ¢ sß döng c¡c ph÷ìng ph¡pkh¡c nhau nh÷ lþ thuy‚t v• º c£m phi tuy‚n b“c ba hay h…nh thøc lu“n h

m sâng t¡i chu'n hâa ” t‰nh to¡n x¡c su§t h§p thö cıa exciton khi câsâng bìm cºng h÷ðng v ¢ nh“n th§y r‹ng câ sü thay Œi ¡ng k” trongphŒ h§p thö mºt photon cıa sâng dÆ [29, 47, 58] Tuy nhi¶n, c¡ccæng tr…nh nghi¶n cøu v• hi»u øng n y v¤n

4

cÆn tçn t⁄i nhi•u v§n • ch÷a ÷æc gi£i quy‚t â l c¡c t¡c gi£ ch÷a gi£i th

‰ch rª cì ch‚ t¡ch v⁄ch quang phŒ trong phŒ h§p thö cıa exciton,ch÷a kh£o s¡t chi ti‚t £nh h÷ðng cıa hi»u øng k‰ch th÷îc l¶n phŒh§p thö cıa exciton [29, 47, 58, 19, 62] i•u â d¤n tîi nhu cƒu cƒnph£i nghi¶n cøu, kh£o s¡t chi ti‚t hi»u øng Stark quang håc công nh÷hi»n t÷æng ph¡ch l÷æng tß cıa exciton trong c¡c c§u tróc th§p chi•u.Tâm l⁄i, nghi¶n cøu ºng lüc håc cıa h⁄t t£i v c¡c dao ºng trong mºt

sŁ c§u tróc na-næ b¡n d¤n ¢ v ang nh“n ÷æc r§t nhi•u sü quan t¥mcıa c¡c nh nghi¶n cøu Tuy nhi¶n v¤n cÆn mºt lîp c¡c b i to¡n li¶nquan ‚n c¡c lo⁄i linh ki»n v c¡c dao ºng kh¡c nhau công nh÷ t÷ìng t¡cgiœa chóng ch÷a ÷æc kh£o s¡t chi ti‚t V… v“y chóng tæi chån h÷îngnghi¶n cøu cho lu“n ¡n l : Nghi¶n cøu ºng lüc håc cıa h⁄t t£i v c¡c daoºng trong mºt sŁ b¡n d¤n câ c§u tróc nano Vîi • t i n y chóng tæi hyvång r‹ng s‡ âng gâp v o sü ph¡t tri”n chung cıa l¾nh vüc nghi¶ncøu n y còng vîi cºng çng khoa håc th‚ giîi

Trong lu“n ¡n n y chóng tæi t“p trung nghi¶n cøu v o hai v§n • ch

‰nh sau ¥y Thø nh§t, chóng tæi nghi¶n cøu ºng lüc håc cıa h⁄t t£i, °cbi»t ºng lüc håc si¶u nhanh cıa h⁄t t£i b‹ng ph÷ìng ph¡p mæ phängMonte Carlo t“p hæp tü hæp trong c¡c i-Łt ph¡t quang Tł â, chóng tæit…m sü phö thuºc v o thíi gian cıa v“n tŁc v sü ph¥n bŁ i»n th‚ tronglinh ki»n øng vîi c¡c gi¡ trà i»n tr÷íng ngo i kh¡c nhau Thø hai, chóngtæi nghi¶n cøu c¡c dao ºng cıa exciton trong c¡c c§u tróc b¡n d¤n th§pchi•u thæng qua vi»c nghi¶n cøu hi»u øng Stark quang håc

v hi»n t÷æng ph¡ch l÷æng tß cıa exciton trong ch§m l÷æng tß b¡n d¤n b‹ng ph÷ìng ph¡p h m sâng t¡i chu'n hâa

5

2 Möc ti¶u nghi¶n cøu

Möc ti¶u chung cıa lu“n ¡n l nghi¶n cøu ºng lüc håc si¶u nhanhcıa c¡c h⁄t t£i quang v kh£o s¡t ÷æc mºt v i dao ºng trong mºt sŁ b¡nd¤n câ c§u tróc na-næ Möc ti¶u n y ÷æc tri”n khai th nh c¡c möcti¶u cö th” nh÷ sau:

- Nghi¶n cøu ÷æc ºng lüc håc si¶u nhanh cıa h⁄t t£i quang trongmºt sŁ b¡n d¤n câ c§u tróc na-næ d÷îi t¡c döng cıa i»n tr÷íng ngo itrong kho£ng thíi gian cüc ng›n b‹ng ph÷ìng ph¡p mæ phäng MonteCarlo t“p hæp tü hæp; Tł â t…m sü phö thuºc v o thíi gian cıa v“n tŁc

v sü ph¥n bŁ i»n th‚ trong linh ki»n øng vîi c¡c gi¡ trà i»n tr÷íng ngo ikh¡c nhau

- Kh£o s¡t ÷æc c¡c °c t‰nh cıa c¡c dao ºng trong mºt sŁ c§utróc b¡n d¤n th§p chi•u thæng qua vi»c nghi¶n cøu hi»u øng Starkquang håc v hi»n t÷æng ph¡ch l÷æng tß cıa exciton trong c¡c c§utróc n y b‹ng ph÷ìng ph¡p h m sâng t¡i chu'n hâa; Tł â ch¿ ra ÷æcnguy¶n nh¥n sinh dao ºng v chu ký cıa dao ºng

3 Nºi dung nghi¶n cøu v ph⁄m vi nghi¶n cøu

Vîi möc ti¶u ¢ • ra nh÷ tr¶n, trong lu“n ¡n n y chóng tæi t“p trung nghi¶n cøu v o ba nºi dung ch‰nh sau ¥y:

- Thø nh§t, nghi¶n cøu ºng lüc håc cıa h⁄t t£i, °c bi»t ºng lüc håcsi¶u nhanh cıa h⁄t t£i b‹ng ph÷ìng ph¡p mæ phäng Monte Carlo t“phæp tü hæp trong c§u tróc i-Łt ph¡t quang;

- Thø hai, nghi¶n cøu hi»u øng Stark quang håc cıa exciton trong ch§m l÷æng tß b¡n d¤n b‹ng ph÷ìng ph¡p h m sâng t¡i chu'n hâa;

6

- Thø ba, nghi¶n cøu hi»n t÷æng ph¡ch l÷æng tß cıa exciton trongch§m l÷æng tß b¡n d¤n b‹ng ph÷ìng ph¡p h m sâng t¡i chu'n hâa.

Lu“n ¡n ch¿ giîi h⁄n nghi¶n cøu ºng lüc håc cıa h⁄t t£i trong c§utróc i-Łt ph¡t quang Lu“n ¡n t“p trung nghi¶n cøu hi»u øng Starkquang håc, hi»n t÷æng ph¡ch l÷æng tß cıa exciton trong c§u trócch§m l÷æng tß Łi vîi c§u tróc ch§m l÷æng tß lu“n ¡n ch¿ giîi h⁄nnghi¶n cøu lo⁄i th‚ câ h ng r o th‚ cao væ h⁄n

5 Þ ngh¾a khoa håc v thüc ti„n cıa • t i

Nhœng k‚t qu£ thu ÷æc cıa • t i âng gâp mºt phƒn quan trång

v o vi»c nghi¶n cøu c¡c t‰nh ch§t quang cıa c¡c c§u tróc na-næ b¡n d¤n

v c¡c c§u tróc b¡n d¤n th§p chi•u Lu“n ¡n ¢ • xu§t ÷æc ph÷ìng ph¡p

h m sâng t¡i chu'n hâa ” nghi¶n cøu phŒ h§p thö exciton trongch§m l÷æng tß b¡n d¤n d÷îi t¡c döng cıa i»n tr÷íng ngo i câ c÷íng

º m⁄nh Ngo i ra, k‚t qu£ cıa lu“n ¡n cÆn câ vai trÆ ành h÷îng, cungc§p thæng tin, l m cì sð cho v“t lþ thüc nghi»m trong vi»c t‰nh to¡n,ch‚ t⁄o c¡c thi‚t bà quang i»n tß

6 C§u tróc cıa lu“n ¡n

Ngo i c¡c phƒn mð ƒu, k‚t lu“n, danh möc c¡c h…nh v‡, danhmöc c¡c cæng tr…nh ¢ cæng bŁ li¶n quan ‚n lu“n ¡n, t i li»u thamkh£o v phö löc, nºi dung cıa lu“n ¡n ÷æc tr…nh b y trong bŁn ch÷ìng.Nºi dung cö th” cıa c¡c ch÷ìng nh÷ sau:

- Ch÷ìng 1 tr…nh b y tŒng quan v• b¡n d¤n câ c§u tróc m†t; tŒng quan v• ch§m l÷æng tß b¡n d¤n; ph÷ìng ph¡p mæ phängMonte Carlo t“p hæp tü hæp v ph÷ìng ph¡p h m sâng t¡i chu'n hâa;

na-næ Ch÷ìng 2 tr…nh b y nghi¶n cøu v• ºng lüc håc cıa h⁄t t£i, °cbi»t ºng lüc håc si¶u nhanh cıa h⁄t t£i b‹ng ph÷ìng ph¡p mæ phängMonte Carlo t“p hæp tü hæp sß döng thu“t to¡n BiCGstab(l) ” t…mnghi»m cıa ph÷ìng tr…nh Poisson;

- Ch÷ìng 3 tr…nh b y nghi¶n cøu v• hi»u øng Stark quang håccıa exciton trong ch§m l÷æng tß b¡n d¤n b‹ng ph÷ìng ph¡p h m sângt¡i chu'n hâa v kh£o s¡t £nh h÷ðng k‰ch th÷îc cıa c§u tróc l¶n phŒh§p thö exciton trong ch§m l÷æng tß;

- Ch÷ìng 4 tr…nh b y nghi¶n cøu v• hi»n t÷æng ph¡ch l÷æng tßcıa exciton trong ch§m l÷æng tß b¡n d¤n b‹ng ph÷ìng ph¡p h m sângt¡i chu'n hâa v kh£o s¡t £nh h÷ðng k‰ch th÷îc cıa c§u tróc l¶n chu

ký hay tƒn sŁ cıa ph¡ch l÷æng tß

C¡c k‚t qu£ nghi¶n cøu cıa lu“n ¡n ¢ ÷æc cæng bŁ trong s¡u cængtr…nh d÷îi d⁄ng c¡c b i b¡o khoa håc, trong â câ mºt b i «ng tr¶n t⁄p ch‰chuy¶n ng nh quŁc t‚ Semiconductor Science and Technology n‹mtrong h» thŁng SCI, n«m b i «ng tr¶n t⁄p ch‰ trong n÷îc (ba b i «ngtr¶n T⁄p ch‰ Khoa håc ⁄i håc Hu‚; mºt b i «ng tr¶n T⁄p ch‰ Khoa håc vGi¡o döc, Tr÷íng ⁄i håc S÷ ph⁄m, ⁄i håc Hu‚; mºt b i «ng

8

tr¶n T⁄p ch‰ Khoa håc v Cæng ngh», Tr÷íng ⁄i håc Khoa håc, ⁄i håcHu‚) Mºt phƒn k‚t qu£ cıa lu“n ¡n li¶n quan ‚n hi»n t÷æng ph¡chl÷æng tß cıa exciton ang ÷æc gßi «ng ð mºt t⁄p ch‰ quŁc t‚.

9

Ch֓ng 1

CÌ S— LÞ THUY T

1.1 TŒng quan v• b¡n d¤n câ c§u tróc na-næ-m†t

Nh÷ ¢ • c“p ð phƒn Mð ƒu, hi»n nay tr¶n th‚ giîi ¢ v ang h…nh th

nh mºt ng nh khoa håc v cæng ngh» mîi, â l khoa håc v cæng ngh»na-næ [7] Khoa håc v cæng ngh» na-næ câ nhi•u tri”n vång

v ÷æc dü o¡n s‡ câ nhœng t¡c ºng m⁄nh m‡ ‚n t§t c£ c¡c l¾nh vückhoa håc, cæng ngh», kÿ thu“t công nh÷ íi sŁng kinh t‚-x¢ hºi ð th‚ k

21 Khoa håc v cæng ngh» na-næ l l¾nh vüc mang t‰nh li¶n ng nhcao, bao gçm v“t lþ, hâa håc, y d÷æc-sinh håc, cæng ngh» i»n tß,cæng ngh» mæi tr÷íng v nhi•u cæng ngh» kh¡c [7]

Mºt trong nhœng Łi t÷æng nghi¶n cøu cıa khoa håc v cæng ngh»na-næ l c¡c b¡n d¤n câ c§u tróc na-næ-m†t B¡n d¤n câ c§u tróc na-næ-m†t l lo⁄i b¡n d¤n m k‰ch th÷îc cıa nâ cï na-næ-m†t (nm = 10 9m), tł v i na-næ-m†t ‚n v i tr«m na-næ-m†t C¡c c§u tróc na-næ b¡n d¤n

n y câ r§t nhi•u t‰nh ch§t kh¡c bi»t so vîi v“t li»u khŁi [7] Th“t v“y, c¡c

nh nghi¶n cøu ¢ ch¿ ra r‹ng khi k‰ch th÷îc cıa v“t r›n gi£m xuŁng cïna-næ-m†t th… c¡c t‰nh ch§t v“t lþ câ th” thay Œi mºt c¡ch ºt ngºt C¡ct‰nh ch§t cıa c¡c c§u tróc na-næ câ th” thay Œi ÷æc b‹ng c¡ch i•uch¿nh h…nh d⁄ng v k‰ch th÷îc cï na-næ-m†t cıa chóng

10

Ch‰nh i•u â ¢ l m cho c¡c c§u tróc na-næ trð th nh Łi t÷æng cıa c¡cnghi¶n cøu cì b£n, công nh÷ c¡c nghi¶n cøu øng döng [7].

Vîi nhœng t‰nh ch§t °c bi»t tr¶n n¶n v“t li»u câ c§u tróc na-næ-m†t(cÆn ÷æc gåi l v“t li»u na-næ) câ r§t nhi•u ti•m n«ng øng döng trong c¡cl¾nh vüc i»n tß, cæng nghi»p, n«ng l÷æng, mæi tr÷íng, y d÷æc-sinh håc,qu¥n sü v nhi•u l¾nh vüc kh¡c C¡c b¡n d¤n câ c§u tróc na-næ-m†t ÷æc

sß döng ” l m linh ki»n cho c¡c thi‚t bà quang i»n tß nh÷ i-Łt ph¡t quang, bºph¡t quang d¤n, ƒu dÆ quang, laser v c¡c bº i•u ch‚ quang [28, 40] V“tli»u na-næ công ÷æc sß döng v o c¡c s£n ph'm cıa l¾nh vüc i»n tß d¥ndöng, nŒi b“t câ th” k” ‚n l n¥ng cao ch§t l÷æng

m n h…nh ti vi M n h…nh øng döng c¡c lîp polymer si¶u mäng khængcƒn –n n•n v k‰nh låc nh÷ m n h…nh LCD truy•n thŁng, cho h…nh

£nh t÷ìi s¡ng v rª n†t hìn Trong t÷ìng lai, m¡y t‰nh v c¡c thi‚t bà i»n tß

câ th” sß döng v“t li»u na-næ ” t«ng kh£ n«ng l÷u trœ dœ li»u côngnh÷ k†o d i thíi gian sß döng cıa pin [54] Y d÷æc-sinh håc công l l¾nhvüc sß döng v“t li»u na-næ mºt c¡ch m⁄nh m‡ Mºt trong nhœng øngdöng trong l¾nh vüc n y l sß döng c¡c h⁄t na-næ ” d¤n truy•n thuŁc

‚n mºt và tr‰ n o â tr¶n cì th” Trong øng döng n y, thuŁc ÷æc li¶nk‚t vîi h⁄t na-næ câ t‰nh ch§t tł, b‹ng c¡ch i•u khi”n tł tr÷íng ” h⁄t na-

næ cŁ ành ð mºt và tr‰ trong mºt thíi gian ı d i ” thuŁc câ th” khu‚cht¡n v o c¡c cì quan mong muŁn [13, 55]

11

1.2 Ch§m l÷æng tß

1.2.1 TŒng quan v• ch§m l÷æng tß b¡n d¤n

Mºt trong nhœng c§u tróc th§p chi•u ang ÷æc quan t¥m nghi¶ncøu l ch§m l÷æng tß Ch§m l÷æng tß l tinh th” b¡n d¤n câ k‰chth÷îc cï na-næ-m†t (nm), câ ÷íng k‰nh kho£ng tł 2 nm ‚n 10 nm, câth” chøa tł mºt ‚n mºt ngh…n i»n tß [7] Trong ch§m l÷æng tß c¡c h⁄tt£i bà giîi h⁄n theo c£ ba chi•u trong khæng gian v ho n to n khængth” chuy”n ºng tü do v v… th‚ ch¿ tçn t⁄i c¡c tr⁄ng th¡i gi¡n o⁄n trongkhæng gian PhŒ n«ng l÷æng li¶n töc chuy”n th nh c¡c møc n«ngl÷æng gi¡n o⁄n theo c£ ba chi•u trong khæng gian [7]

C¡c ch§m l÷æng tß ÷æc ch‚ t⁄o chı y‚u b‹ng c¡c ph÷ìng ph¡p hâahåc nh÷ hâa keo, sol-gel, thıy ph¥n, thıy nhi»t, dung mæi nhi»t, ph÷ìngph¡p i»n hâa, si¶u ¥m hâa, ph÷ìng ph¡p v“n chuy”n pha hìi v nghi•n bi[7] Ph£n øng nhi»t ph¥n ph¥n tß mµ l kÿ thu“t tŒng hæp t÷ìng Łi mîi,ng÷íi ta x¡c ành ¥y l ph÷ìng ph¡p câ ti•m n«ng r§t lîn trong vi»c ch‚ t⁄oc¡c ch§m l÷æng tß düa tr¶n c¡c hæp ch§t b¡n d¤n AIII BV

sol-gel, qu¡ tr…nh sol-gel khæng ch¿ l c¡ch ch‚ t⁄o v“t li»u quang håctheo y¶u cƒu m cÆn l c¡ch s¡ng t⁄o ra c¡c v“t li»u quang håc mîi bðitrong qu¡ tr…nh ch‚ t⁄o câ th” câ nhi•u v“t li»u quang håc ra íi Hi»n nayph÷ìng ph¡p ÷æc nh›c ‚n nhi•u l ph÷ìng ph¡p quang kh›c

ho°c kh›c axit [13] V“t li»u dòng ” ch‚ t⁄o ch§m l÷æng tß a sŁ l v“tli»u b¡n d¤n vòng c§m thflng, i”n h…nh l c¡c hæp ch§t AIII BV ho°c

AII BV I Mºt sŁ v“t li»u AIII BV vòng c§m thflng th÷íng ÷æc sß döng lGaN, AlN, InN, GaAs, InAs, InP, trong â hæp ch§t ÷æc sß döng

12

rºng r¢i nh§t l GaAs, GaN v dung dàch r›n cıa chóng AlxGa1 xAs.Vi»c sß döng c¡c dung dàch r›n cho ph†p t⁄o ra c¡c ch§m l÷æng tßtrong â ta câ th” thay Œi th nh phƒn hæp ch§t mºt c¡ch li¶n töc v tł âb• rºng vòng c§m công ÷æc i•u ch¿nh thay Œi mºt c¡ch li¶n töc [26].Hi»n nay v“t li»u b¡n d¤n vòng c§m xi¶n công ¢ ÷æc sß döng C÷íng

º huýnh quang cıa c¡c ch§m l÷æng tß ch‚ t⁄o düa v o c¡c v“t li»u n ylîn hìn nhi•u b“c so vîi v“t li»u khŁi t÷ìng øng [13]

Ch§m l÷æng tß câ c¡c °c tr÷ng nŒi trºi â l thíi gian sŁng ph¡t x⁄ cıah⁄t t£i trong ch§m l÷æng tß d i, do â l m t«ng x¡c su§t h§p thö t⁄i c¡cb÷îc sâng ng›n hìn v l m cho phŒ h§p thö mð rºng [13] Mºt °c tr÷ngkh¡c cıa ch§m l÷æng tß, â l khi k‰ch th÷îc cıa ch§m l÷æng tß thay Œis‡ k†o theo c§u tróc vòng n«ng l÷æng thay Œi v kho£ng c¡ch giœa c¡cmøc n«ng l÷æng công thay Œi t÷ìng øng Do n«ng l÷æng vòng c§mquy‚t ành b÷îc sâng ph¡t x⁄ photon, bði v“y câ th” ki”m so¡t b÷îc sângph¡t x⁄ qua k‰ch th÷îc cıa ch§m l÷æng tß PhŒ h§p thö rºng cıa c¡cch§m l÷æng tß cho ph†p ta sß döng mºt sâng nh÷ng câ th” k‰ch th

‰ch còng lóc c¡c ch§m l÷æng tß k‰ch th÷îc kh¡c nhau [26] Khi bà k

‰ch th‰ch ch§m l÷æng tß câ th” ph¡t x⁄ ¡nh s¡ng kh£ ki‚n vîi b÷îc sângkhæng ch¿ phö thuºc v o v“t li»u m cÆn phö thuºc v o k‰ch th÷îc cıach§m Kh£ n«ng ki”m so¡t ch‰nh x¡c k‰ch th÷îc cıa ch§m cho ph†p

nh s£n xu§t x¡c ành b÷îc sâng cıa photon ph¡t x⁄, tł â x¡c ành m u s›ccıa ¡nh s¡ng ph¡t ra Kh£ n«ng ki”m so¡t ho°c i•u ch¿nh b÷îc sâng cıa

¡nh s¡ng ph¡t ra tł ch§m l÷æng tß b‹ng c¡ch thay Œi k‰ch th÷îc cıachóng ÷æc gåi l hi»u øng l÷æng tß hâa do k‰ch th÷îc Ch§m l÷æng

tß c ng b† th… ¡nh s¡ng c ng gƒn m u xanh, ng÷æc l⁄i n‚u ch§m l÷æng

tß c ng lîn th… ¡nh s¡ng c ng gƒn m u ä Ch§m l÷æng tß

13

công câ th” ÷æc i•u ch¿nh ” ph¡t ra bøc x⁄ ngo i vòng kh£ ki‚n, chflngh⁄n nh÷ bøc x⁄ hçng ngo⁄i ho°c tß ngo⁄i [26] T÷ìng tü nh÷ c¡c b¡n d¤ntruy•n thŁng, ch§m l÷æng tß câ þ ngh¾a quan trång v… º d¤n cıachóng câ th” thay Œi ÷æc bði tr÷íng ngo i V… k‰ch th÷îc nhä n¶nch§m l÷æng tß th” hi»n c¡c t‰nh ch§t i»n v quang r§t kh¡c vîi b¡nd¤n khŁi Mºt trong nhœng kh¡c bi»t chı y‚u giœa c¡c ch§m l÷æng tß

v b¡n d¤n truy•n thŁng l ¿nh cıa tƒn sŁ ph¡t x⁄ cıa chóng r§t nh⁄y vîik‰ch th÷îc v th nh phƒn cıa ch§m [26] Ng÷íi ta hy vång r‹ng c¡chi»u øng v“t lþ trong ch§m l÷æng tß s‡ l r§t m⁄nh, n‚u ð v“t li»u khŁi

÷íng °c tr÷ng l tuy‚n t‰nh, th… ð ch§m l÷æng tß câ kh£ n«ng l phituy‚n b“c cao Ngo i ra ng÷íi ta cÆn câ th” i•u khi”n ÷æc sŁ i»n tß câtrong ch§m l÷æng tß ch‰nh x¡c ‚n tłng i»n tß mºt, v… v“y v• m°t v“t

lþ ch§m l÷æng tß qu£ l mºt c§u tróc lþ t÷ðng [13]

Nhí nhœng t‰nh ch§t ÷u vi»t do hi»u øng giam giœ l÷æng tßtrong ch§m l÷æng tß mang l⁄i n¶n hi»n nay ¢ câ nhi•u «ng kþ ph¡t minhcho c¡c øng döng cıa ch§m l÷æng tß Ch§m l÷æng tß ang ÷æc nghi¶ncøu ch‚ t⁄o c¡c thi‚t bà ph¡t quang nh÷ LED ch§m l÷æng tß [5] NhœngLED th‚ h» cô l m b‹ng ch§t b¡n d¤n truy•n thŁng câ nhi•u h⁄n ch‚ trongvi»c ph¡t s¡ng nh÷ khâ i•u ch¿nh b÷îc sâng cıa bøc x⁄ m mØi v“t li»ub¡n d¤n ph¡t ra Ch§m l÷æng tß câ th” ÷æc i•u ch¿nh ” ph¡t ra b§t k…bøc x⁄ n o vîi b÷îc sâng n‹m trong vòng kh£ ki‚n v hçng ngo⁄i [5] °c bi»thìn l ch§m l÷æng tß câ th” ph¡t ra ¡nh s¡ng tr›ng chu'n nhí trºn l¤n c¡cch§m ph¡t ra c¡c ¡nh s¡ng m u ä, xanh l¡ v xanh d÷ìng Ch§m l÷æng tßcÆn ÷æc øng döng trong c¡c linh ki»n chuy”n Œi n«ng l÷æng m°t tríi,c¡c linh ki»n quang i»n tß, c¡c ƒu dÆ si¶u nh⁄y [5] Ngo i ra, ch§ml÷æng tß công câ th” l v“t li»u ” s£n xu§t c¡c cæng

14

t›c quang håc Nhi•u n÷îc tr¶n th‚ giîi ¢ sß döng ch§m l÷æng tß ” ¡nhd§u h ng hâa, chøng tł ho°c ti•n gi§y nh‹m chŁng l m gi£, ti¶m ch§ml÷æng tß v o cì th” ºng v“t ” quan s¡t, chöp £nh c¡c cì quan, t‚ b o.Ch§m l÷æng tß cÆn câ ti•m n«ng ÷æc sß döng ” dÆ ung th÷, ÷athuŁc tîi t‚ b o ung th÷ [3] B¶n c⁄nh â, ch§m l÷æng tß cÆn mang ‚n

sü ºt ph¡ v• cæng ngh» cho c¡c th‚ h» m n h…nh ti vi, m¡y t‰nh, i»ntho⁄i di ºng C¡c m n h…nh th‚ h» tr÷îc nh÷ LCD, m u s›c kh¡ bà giîih⁄n bði h…nh £nh chi‚u s¡ng nhí –n n•n Nh÷ng Łi vîi cæng ngh»ch§m l÷æng tß th… ¡nh s¡ng ÷æc chi‚u qua m ng mäng tinh th” na-

næ câ th” i•u ch¿nh b÷îc sâng ph¡t ra, m u s›c t⁄o ra s‡ r§t phongphó, º ph¥n gi£i v÷æt trºi [3] Câ th” nâi hi»n nay l thíi ⁄i cıa ch§ml÷æng tß v… câ r§t nhi•u øng döng nŒi b“t cıa ch§m l÷æng tß trongc¡c l¾nh vüc tr¶n

1.2.2 H m sâng v phŒ n«ng l÷æng cıa i»n tß (lØ trŁng) trong

15

16

¥y l ph÷ìng tr…nh Bessel, c¡c nghi»m l

h m Neumann nl ( ) H m sâng fnl ( ) lóc n y câ d⁄ng

i•u ki»n li¶n töc cıa h m sâng t⁄i r = R ta câ

knl =Thay (1.17) v o (1.13) ta câ

e

E

v bi”u thøc n«ng l÷æng cıa lØ trŁng trong ch§m l÷æng tß h…nh cƒu l

B¥y gií ta t…m h m sâng phƒn xuy¶n t¥m fnl Ta s‡ sß döng t‰nh

ch§t trüc chu'n cıa c¡c h m sâng xuy¶n t¥m

v t‰nh ch§t cıa h m Bessel cƒu jl ( ) l

1

Z

0

vîi

18

f nl (r) = Aj l

V“y tł ph÷ìng tr…nh (1.18) ta câ bi”u thøc h m sâng cıa i»n tß (lØ

trŁng) trong ch§m l÷æng tß h…nh cƒu vîi h ng r o th‚ væ h⁄n câ d⁄ng

Trong phƒn n y chóng tæi tr…nh b y h m sâng v phŒ n«ng

l÷æng cıa i»n tß (lØ trŁng) trong ch§m l÷æng tß h…nh ellip d⁄ng

thu¤n v ch§m l÷æng tß h…nh ellip d⁄ng dµt [20, 23, 24, 25, 39] Ta

x†t ch§m l÷æng tß h…nh ellip vîi Łi xøng quay quanh tröc z Gåi a v

b lƒn l÷æt l c¡c b¡n tröc cıa ellip trong m°t phflng xOy v h÷îng z (x, y

v z l c¡c tåa º trong mºt h» trüc giao Cartesian vîi gŁc tåa º t⁄i t¥m Łi

xøng cıa ellip)

h⁄t t£i b¶n trong ch§m l÷æng tß, ph÷ìng tr…nh Schodinger cıa i»n tß

19