(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn

(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn(Luận án tiến sĩ) Trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ––––––––––––––– ĐỖ THỊ HỒNG HẢI TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ EXCITON TRONG CÁC HỆ CÓ CHUYỂN PHA BÁN KIM LOẠI – BÁN DẪN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ––––––––––––––– ĐỖ THỊ HỒNG HẢI TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ EXCITON TRONG CÁC HỆ CÓ CHUYỂN PHA BÁN KIM LOẠI – BÁN DẪN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 9.44.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phan Văn Nhâm PGS TS Trần Minh Tiến Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết mà công bố luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Đỗ Thị Hồng Hải i LỜI CẢM ƠN Để học Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, trước hết xin cảm ơn giúp đỡ, tạo điều kiện mặt Ban giám hiệu trường Đại học Mỏ – Địa chất, Ban chủ nhiệm khoa Khoa học Cơ bản, Ban chủ nhiệm môn Vật lý, tập thể cán bộ, giảng viên mơn Vật lý Trong q trình học tập làm việc Học viện Khoa học Công nghệ, hướng dẫn PGS TS Phan Văn Nhâm PGS TS Trần Minh Tiến, học hỏi nhiều kiến thức kinh nghiệm nghiên cứu khoa học Để hoàn thành Luận án để trở thành người có khả nghiên cứu khoa học độc lập, tơi xin gửi đến hai thầy hướng dẫn lời cảm ơn sâu sắc Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cán bộ, thầy cô Viện Vật lý giúp đỡ thời gian học tập nghiên cứu Viện Tôi xin chân thành cảm ơn cán phòng sau đại học Viện Vật lý, phòng đào tạo Học viện Khoa học Công nghệ hỗ trợ tơi hồn thành thủ tục bảo vệ Luận án Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè ln bên động viên giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn q trình học tập hoàn thành Luận án ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU Chương EXCITON VÀ TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ EXCITON 1.1.Khái niệm exciton 1.2.BEC trạng thái ngưng tụ exciton 12 1.3.Những thành tựu nghiên cứu ngưng tụ exciton 15 1.4.Kết luận 21 Chương LÝ THUYẾT TRƯỜNG TRUNG BÌNH 22 2.1.Những khái niệm 23 2.2.Gần Hartree-Fock 26 2.3.Phá vỡ trật tự đối xứng 27 2.4.Kết luận 40 Chương EXCITON NGƯNG TỤ TRONG MƠ HÌNH HAI DẢI NĂNG LƯỢNG CÓ TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỬ – PHONON 41 3.1.Mơ hình điện tử hai dải lượng có tương tác điện tử – phonon 41 3.2.Áp dụng lý thuyết trường trung bình 44 3.3.Kết tính số thảo luận 47 3.4.Kết luận 70 Chương EXCITON NGƯNG TỤ TRONG MƠ HÌNH FALICOV-KIMBALL MỞ RỘNG CÓ TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỬ – PHONON 73 4.1.Mơ hình Falicov-Kimball mở rộng có tương tác điện tử – phonon 74 4.2.Áp dụng lý thuyết trường trung bình 75 4.3.Kết tính số thảo luận 78 iii 4.4.Kết luận 107 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ARPES angle-resolved photoelectron spectroscopy BCS phổ quang phát xạ phân giải theo góc John Bardeen, Leon Cooper, Robert Schrieffer BEC Bose-Einstein condensed ngưng tụ Bose-Einstein CDW charge density wave sóng mật độ điện tích DMF dynamical mean field trường trung bình động EFK extended Falicov-Kimball Falicov-Kimball mở rộng excitonic insulator điện môi exciton HFA Hartree–Fock approximation gần Hartree–Fock MF mean field trường trung bình PL photoluminescence quang phát xạ PR projector-based renormalization chiếu kết hợp tái chuẩn hóa QW quantum well giếng lượng tử SC semiconductor bán dẫn SM semimetal bán kim loại EI v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơ chế tạo thành exciton chất rắn .7 Hình 1.2 Giản đồ pha tổng quát hệ điện tử – lỗ trống 13 Hình 1.3 Ghép cặp điện tử – lỗ trống trạng thái ngưng tụ exciton 13 Hình 1.4 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton mơ hình EFK 16 Hình 1.5 Độ lệch mạng ion Ti 1T -TiSe2 phụ thuộc vào nhiệt độ 16 Hình 1.6 Giản đồ pha trạng thái mơ hình EFK 17 Hình 1.7 Cường độ PL mặt phẳng lượng tọa độ 18 Hình 1.8 ARPES Ta2 NiSe5 40K 300K .19 Hình 1.9 ARPES 1T -TiSe2 (a) (b) nhiệt độ chuyển pha EI 20 Hình 1.10 Giản đồ pha trạng thái EI TmSe0.45 Te0.55 .20 Hình 2.1 Thế hệ chưa có phá vỡ (a) phá vỡ (b) đối xứng 28 Hình 2.2 Sắp xếp mômen từ nút lân cận gần 29 Hình 2.3 Sắp xếp mơmen từ hệ trạng thái sắt từ thuận từ 31 Hình 2.4 Hình (a) (b) biểu thị nghiệm hình học phương trình 31 Hình 2.5 Ba dạng nghiệm có mơ hình Stoner 34 Hình 2.6 Các giá trị đo tham số khe cho ba kim loại khác 37 Hình 3.1 Hình (a) mơ tả cấu trúc vùng lượng điện tử c điện tử f 43 Hình 3.2 Tham số trật tự d phụ thuộc vào tần số phonon ω0 ứng với vài giá trị g εc −εf = trạng thái .48 Hình 3.3 Giản đồ pha trạng thái mơ hình mặt phẳng (ω0 , g) εc − εf = 49 Hình 3.4 Giá trị tham số trật tự |dk | phụ thuộc xung lượng k với vài giá trị khác ω0 T = 50 Hình 3.5 Tham số trật tự d (lấp đầy) độ lệch mạng xQ (rỗng) phụ thuộc vào εc − εf trạng thái .51 Hình 3.6 Giản đồ pha trạng thái mơ hình mặt phẳng (εc −εf , ω0 ) g thay đổi .53 vi Hình 3.7 Tham số trật tự d phụ thuộc vào tần số phonon ω0 ứng với vài giá trị nhiệt độ εc − εf = g = 0.5 54 Hình 3.8 Tham số trật tự d (lấp đầy) độ lệch mạng xQ (rỗng) phụ thuộc vào g ứng với vài giá trị nhiệt độ 55 Hình 3.9 Giản đồ pha mơ hình mặt phẳng (ω0 , g) εc − εf = với vài giá trị nhiệt độ 56 Hình 3.10 Giá trị tham số trật tự |dk | phụ thuộc vào xung lượng k g với vài giá trị khác nhiệt độ 57 Hình 3.11 Giá trị tham số trật tự |dk | phụ thuộc vào xung lượng k ω0 với vài giá trị nhiệt độ 58 Hình 3.12 Tham số trật tự d (lấp đầy) độ lệch mạng xQ (rỗng) phụ thuộc vào εc − εf ứng với vài giá trị nhiệt độ 59 Hình 3.13 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton mơ hình mặt phẳng (εc − εf , ω0 ) với g = 0.5 T thay đổi 60 Hình 3.14 Tham số trật tự d (lấp đầy) độ lệch mạng xQ (rỗng) phụ thuộc vào nhiệt độ ứng với vài giá trị ω0 60 Hình 3.15 Giá trị tham số trật tự |dk | phụ thuộc vào xung lượng k nhiệt độ ứng với vài giá trị khác tần số phonon ω0 62 Hình 3.16 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton mơ hình mặt phẳng (ω0 , T ) với εc −εf = g = 0.5 (hình a) g = 1.0 (hình b) .63 Hình 3.17 Tham số trật tự d (lấp đầy) độ lệch mạng xQ (rỗng) hàm nhiệt độ T ω0 = 0.5 (hình a) ω0 = 2.5 (hình b) 64 Hình 3.18 Giá trị tham số trật tự |dk | phụ thuộc vào xung lượng k nhiệt độ ứng với vài giá trị g ω0 = 0.5 εc − εf = 66 Hình 3.19 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton mơ hình mặt phẳng (g, T ) ω0 = 0.5 (hình a) ω0 = 2.5 (hình b) .67 Hình 3.20 Tham số trật tự d (lấp đầy) độ lệch mạng xQ (rỗng) hàm nhiệt độ T εc − εf thay đổi 68 Hình 3.21 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton mô hình mặt phẳng (εc − εf , T ) ω0 = 0.5 g = 0.5 (hình a) g = 0.7 (hình b) 69 Hình 4.1 Năng lượng giả hạt Ek+ (đường liền nét); Ek− (đường đứt nét) tham số trật tự |nk | dọc theo trục k vùng Brillouin thứ với U nhỏ 79 Hình 4.2 Năng lượng giả hạt Ek+ (đường liền nét); Ek− (đường đứt nét) tham số vii trật tự |nk | dọc theo trục k vùng Brillouin thứ với U lớn .81 Hình 4.3 Năng lượng giả hạt Ek+ (đường liền nét); Ek− (đường đứt nét) tham số trật tự nk dọc theo trục k vùng Brillouin thứ g thay đổi .82 Hình 4.4 Năng lượng giả hạt Ek+ (đường liền nét); Ek− (đường đứt nét) tham số trật tự |nk | dọc theo trục k nhiệt độ khác 83 Hình 4.5 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) hàm cường độ Coulomb với giá trị khác g .84 Hình 4.6 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) hàm U với giá trị khác lượng nút 85 Hình 4.7 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) hàm số tương tác điện tử – phonon 87 Hình 4.8 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) hàm nhiệt độ với giá trị khác g .88 Hình 4.9 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) hàm nhiệt độ với giá trị khác U .90 Hình 4.10 Giá trị tham số trật tự |nk | phụ thuộc xung lượng k vùng Brillouin thứ với giá trị khác U .92 Hình 4.11 Giá trị tham số trật tự |nk | phụ thuộc xung lượng k Coulomb vùng Brillouin thứ T = .93 Hình 4.12 Giá trị tham số trật tự |nk | phụ thuộc xung lượng k vùng Brillouin thứ với nhiệt độ khác 95 Hình 4.13 Giá trị tham số trật tự |nk | phụ thuộc xung lượng k vùng Brillouin thứ với số tương tác điện tử – phonon khác 97 Hình 4.14 Sự phân bố quang phổ điện tử c (trái) điện tử f (phải) dọc theo trục (k, k) trạng thái g thay đổi 99 Hình 4.15 Sự phân bố quang phổ điện tử c (trái) điện tử f (phải) dọc theo trục (k, k) trạng thái U thay đổi .100 Hình 4.16 Sự phân bố quang phổ điện tử c (trái) điện tử f (phải) dọc theo trục (k, k) dọc theo trục (k, k) T thay đổi 101 Hình 4.17 Giản đồ pha trạng thái mơ hình EFK có tương tác điện tử – phonon mặt phẳng (U, g) 103 Hình 4.18 Pha ngưng tụ exciton kịch giao BCS – BEC mơ hình EFK có tương tác điện tử – phonon mặt phẳng (U, T ) 105 viii ... khảo sát Trạng thái ngưng tụ exciton hệ có chuyển pha bán kim loại – bán dẫn nhằm thảo luận chi tiết chất trạng thái ngưng tụ exciton hệ Tương quan điện tử hệ mô tả mơ hình hai dải lượng có tương... nhiệt độ, trạng thái ngưng tụ bị phá vỡ thăng giáng nhiệt Khi hệ trạng thái ngưng tụ exciton dạng BEC, thăng giáng nhiệt làm hệ chuyển lên trạng thái khí exciton tự do, trạng thái ngưng tụ exciton. .. trạng thái siêu dẫn hoàn toàn khác Nếu trạng thái siêu dẫn, hệ dẫn điện lý tưởng trạng thái ngưng tụ exciton, hệ lại trạng thái điện môi Trong số trường hợp, người ta gọi trạng thái ngưng tụ exciton