Phương pháp toán tử FK giải phương trình schrodinger cho exciton hai chiều trong điện trường đều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ MỸ HẢO PHƯƠNG PHÁP TOÁN TỬ FK GIẢI PHƯƠNG TRÌNH SCHRƯDINGER CHO EXCITON HAI CHIỀU TRONG ĐIỆN TRƯỜNG ĐỀU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ TP Hồ Chí Minh - 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ MỸ HẢO PHƯƠNG PHÁP TOÁN TỬ FK GIẢI PHƯƠNG TRÌNH SCHRƯDINGER CHO EXCITON HAI CHIỀU TRONG ĐIỆN TRƯỜNG ĐỀU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS HOÀNG ĐỖ NGỌC TRẦM TP Hồ Chí Minh - 2019 Lời cảm ơn Trong q trình làm luận văn tơi nhận nhiều giúp đỡ từ thầy cô, bạn bè người thân Trước tiên xin phép gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn TS Hồng Đỗ Ngọc Trầm Cảm ơn hướng dẫn tạo điều kiện giúp nhiều q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tôi xin phép gửi lời cảm ơn thầy cô phịng Vật lý tính tốn Đại học Sư phạm TP.HCM tạo điều kiện thuận lợi giúp hồn thành luận văn Xin cảm ơn bạn bè người thân động viên, ủng hộ suốt thời gian làm luận văn Mặc dù tơi cố gắng để hồn thành luận văn chắn tránh khỏi hạn chế sai sót q trình hồn thành Kính mong nhận góp ý thầy bạn bè để luận văn hoàn chỉnh Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2019 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG ii DANH MỤC HÌNH VẼ ii MỞ ĐẦU Chương 1: EXCITON HAI CHIỀU TRONG ĐIỆN TRƯỜNG ĐỀU 1.1 Phương pháp toán tử FK 1.2 Phương trình Schrưdinger exciton 2D điện trường 10 1.3 Phép biến đổi Levi-Civita 13 1.4 Phương pháp toán tử FK cho toán exciton 2D điện trường 14 Chương 2: KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 19 2.1 Chương trình tính tốn 19 2.2 Trường hợp điện trường không 2.3 Trường hợp điện trường khác không  1  0,2  0 26   0 20 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI DANH MỤC CƠNG TRÌNH TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tách Hamiltonian thành hai thành phần bao gồm Phụ lục 2: Biến đổi phương trình Schrưdinger dạng khơng thứ ngun 36 Phụ lục 3: Phép biến đổi Levi-Civita Phụ lục 4: Tính giao hốn tử Hamiltonian Lz Phụ lục 5: Tính hệ thức giao hốn ˆ Phụ lục 6: Biểu diễn H , Lz theo tốn tử aˆ, aˆ Phụ lục 7: Các cơng thức tác dụng tìm yếu tố ma trận H R i DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị lượng trạng thái n tính phương pháp tốn tử FK cơng trình [7] 25 Bảng 2.2 Năng lượng trạng thái ( n 1) phụ thuộc vào cường độ điện trường 26 Bảng 2.3 Năng lượng trạng thái kích thích thứ n  2 phụ thuộc vào cường độ điện trường 26 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sự hội tụ phương pháp toán tử FK cho trạng thái n  1 trường hợp nmax  50 22 Hình 2.2 Sự hội tụ phương pháp toán tử FK cho trạng thái kích thích thứ n  2 trường hợp nmax  50 22 Hình 2.3 Sự hội tụ phương pháp tốn tử FK cho trạng thái kích thích thứ hai n  3 trường hợp n max  50 23 Hình 2.4 Sự hội tụ phương pháp toán tử FK cho trạng thái kích thích thứ n  2 trường hợp nmax  80 24 Hình 2.5 Sự hội tụ phương pháp tốn tử FK cho trạng thái kích thích thứ hai n  3 trường hợp n max  80 24 Hình 2.6 Phổ lượng exciton theo điện trường 27 ii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu hai chiều (2D) có tính chất vật lý hóa học quan trọng nghiên cứu nhiều thập kỷ [27], [28], [30] Kể từ báo cáo Geim Novoselov et al vào năm 2004, graphene đơn lớp phẳng bao gồm nguyên tử carbon xếp mạng tinh thể tổ ong hai chiều (2D), nhanh chóng trở thành chủ đề nóng khoa học vật liệu vào thời điểm tính chất hấp dẫn có tiềm lớn Do lượng vùng cấm không, cấu trúc siêu mỏng phẳng, graphene thể tính chất điện tử, nhiệt, quang học đáng ý như: tính di động cao hạt mang điện nhiệt độ phòng, dẫn nhiệt vượt trội, hệ số truyền quang học cao, Dù graphene mang lại tính chất độc đáo lượng vùng cấm khơng nên xem kim loại, làm hạn chế ứng dụng Ngồi graphene cịn có chất bán dẫn hai chiều có cấu trúc tương tự ví dụ transition metal dichalcogenides (TMDs), hexagonal boron-nitride (h – BN),… Chất bán dẫn 2D chất bán dẫn tự nhiên có kích thước ngun tử Khi mà kích thước giảm đáng kể, chất bán dẫn thể số tính chất độc đáo, chẳng hạn chuyển từ tính chất bán dẫn gián tiếp sang trực tiếp ứng dụng điện tử, lưu trữ lượng, cảm biến vật liệu tổng hợp [27] Trong vật liệu 2D, two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) trở thành trọng tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ cấu trúc tinh thể chúng, loạt thành phần hóa học nhiều tính chất vật liệu [28] Do đó, nghiên cứu TMDs ngày tăng chiếm tỉ lệ cao số lượng công bố nghiên cứu vật liệu 2D [8] 2D TMDs thường kí hiệu MX M nhóm kim loại chuyển tiếp (ví dụ Ti, V, Nb, Mo, Hf, Ta, W) X nhóm chalcogen (S, Se Te) TMDs đơn lớp bao gồm lớp nguyên tử kim loại chuyển tiếp kẹp hai lớp nguyên tử chalcogen cấu trúc lăng trụ tam giác (trigonal prismatic structure) [20] Do cấu trúc tinh thể dị hướng độc đáo cao, tính chất vật liệu 2D TMD điều chỉnh cách hiệu thông qua phương pháp khác bao gồm giảm kích thước, xen kẽ,… Cụ thể ta thay đổi cấu trúc dãy cách làm mỏng lớp 2D thành đơn lớp [28] Đơn lớp TMDs với lượng vùng cấm “trực tiếp” nằm khoảng vùng gần hồng ngoại đến khả kiến Hiện nay, nghiên cứu đơn lớp TMDs thuộc nhóm VI ý bao gồm MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 Đây chất bán dẫn với tính chất quang học điện tử đặc biệt, hứa hẹn có nhiều ứng dụng quang điện tử ví dụ tế bào quang điện, diode phát quang,…[8] Các nghiên cứu dịch chuyển quang học chủ yếu TMDs hình thành exciton [20] Exciton chuẩn hạt tạo thành có tương tác Coulomb điện tử mang điện tích âm lỗ trống mang điện tích dương, tương tự nguyên tử hydro Exciton thường phân loại tùy vào tính chất vật liệu xét Đối với chất bán dẫn exciton gọi exciton Mott-Wannier, với chất cách điện người ta gọi exciton Frenkel Trong chất bán dẫn, exciton tạo thành photon bị hấp thụ, kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại lỗ trống mang điện tích dương Sau đó, điện tử lỗ trống kết hợp với tương tác Coulomb tạo giả hạt exciton đồng thời phát photon [23] Đối với chất bán dẫn hai chiều (2D), exciton có ý nghĩa đặc biệt, số chiều giảm làm tăng tương tác Coulomb [30], nguồn gốc hiệu ứng exciton Hiệu ứng exciton lại tham gia nhiều trình hình thành sở lượng lớn thiết bị exciton kích thước nano hiệu ứng vật lý, ví dụ nguồn photon đơn (single photon sources), laser exciton (excitonic lasers), transistor quang điện tử (optoelectronic transistors),… [29] Phổ lượng exciton thơng tin để tìm hiểu trực tiếp tính chất vật lý chất bán dẫn Nó tảng để nhận biết hiệu ứng exciton thí nghiệm phổ quang học Vì việc nghiên cứu phổ lượng có ý nghĩa Khi số chiều hệ giảm tương tác điện tử lỗ trống tăng đáng kể nên phổ exciton 2D có cấu trúc rõ nét [16] Tuy nhiên, lượng exciton trạng thái kích thích cao khó đo thực nghiệm [21] Vì người ta thường tìm cách đặt trường ngồi bao gồm điện trường từ trường vào để dễ đo đạc phổ Ngoài ra, đặt điện trường song song có cường độ lớn vào vật liệu khác phương pháp hiệu để điều chỉnh tính chất quang học chúng Cụ thể ví dụ cơng trình [15] khảo sát phổ quang phát quang đơn lớp hai lớp WS trường hợp đặt điện trường song song, kết cho thấy tăng cường độ điện trường đơn lớp WS2 dẫn đến dập tắt quang phát quang (PL quenching) hai lớp WS2 làm tăng phát xạ quang phát quang; khám phá giúp ích nhiều việc phát triển hiệu các thiết bị quang điện tử dựa sở vật liệu 2D TMDs Trong số nghiên cứu, điện trường ngồi có cường độ lớn sử dụng để điều chỉnh lượng vùng cấm hai lớp graphene, hai lớp TMDs,… [25] Đặc biệt, điện trường đóng vai trị quan trọng q trình ion hóa TMDs Trong vật liệu có lượng liên kết exciton lớn TMDs, việc ion hóa nhiệt khơng hiệu nên thay vào người ta thường sử dụng điện trường mạnh [22] Ngồi ra, việc đặt điện trường ngồi vào giúp ta quan sát hiệu ứng vật lý quen thuộc hiệu ứng Stark [26] Từ đó, ta nói tốn exciton hai chiều điện trường với cường độ khác đóng vai trò quan trọng lý thuyết thực nghiệm Việc giải phương trình Schrưdinger để tìm phổ lượng cho toán exciton điện trường số nhóm nghiên cứu thực Đối với trường hợp ba chiều (3D), số nhóm thực việc chuyển phương trình Schrưdinger thành cặp hai phương trình trị riêng chiều [9], [10] Cịn trường hợp 2D, số nhóm sử dụng phương tương tự, tác giả phân tích phương trình Schrưdinger thành hai phương trình trị riêng chiều dao động tuyến tính phi điều hịa có điểm khác nhau, cụ thể cơng trình [19] tác giả A J Linssen M J Gelten đề cập đến năm 1974 Cơng trình tính tốn ảnh hưởng điện trường đến mức lượng exciton Wannier hai chiều cách đưa phương trình Schrưdinger tọa độ parabol chứa tham số không thứ nguyên, sử dụng phương pháp tách biến, tách phương trình Schrưdinger thành hai phương trình Các trị riêng lượng exciton trạng thái liên kết tính gần phương pháp WKB Trong cơng trình [18] cơng bố Frank L Lederrnan and John D Dow năm 1976, phương trình Schrưdinger exciton hai chiều đặt điện trường chuyển tọa độ parabol nhiên định nghĩa khác với cơng trình Linssen tách thành hai phương trình; kết hợp với cơng thức Elliott hệ số hấp thụ exciton vật liệu phân lớp Nhờ phương trình Schrưdinger exciton hai chiều điện trường có cường độ tùy ý giải xác (bằng số) Vào năm 2001, S I Pokutnyi et al tìm cách để giải toán exciton Wannier-Mott hai chiều điện trường [24] Tương tự hai cơng trình trên, tác giả sử dụng tọa độ parabol định nghĩa tương tự cơng trình Linssen Cuối cùng, để giải phương trình Schrưdinger chiều thu tác giả sử dụng phương pháp số dựa công thức ma trận phương pháp Numerov đồng thời sử dụng phương pháp gần WKB để tính tốn hệ số xuyên ngầm Trong luận văn này, sử dụng phương pháp toán tử FK để giải toán Phương pháp toán tử FK (viết tắt FK - OM) đưa nhóm nghiên cứu giáo sư Komarov Đại học Belarus vào năm 1982 [12] Phương pháp có ý tưởng dựa tư tưởng thuyết nhiễu loạn tách Hamiltonian thành hai thành phần: phần có nghiệm xác thành phần nhiễu loạn Tuy nhiên, khác so với phương pháp nhiễu loạn việc tách Hamiltonian khơng phụ thuộc vào yếu tố vật lý mà phụ thuộc vào hình thức tốn tử Hamiltonian Phương pháp FK-OM ứng dụng thành công cho toán vật lý nguyên tử, vật lý chất rắn toán lý thuyết trường [5], [6], [11], [13] Cụ thể phương pháp giải thành cơng cho tốn đặt từ trường ví như: nguyên tử hydro từ trường với cường độ [1], exciton hai chiều từ trường [2],… Vì kế thừa ý tưởng từ cơng trình trước, chúng tơi tiếp tục phát triển FK – OM cho trường hợp trường điện trường bước đầu áp dụng cho toán exciton hai chiều điện trường Mục tiêu nội dung nghiên cứu Mục tiêu đề tài phát triển phương pháp toán tử FK cho toán exciton 2D điện trường để xác định nghiệm xác số Mục tiêu thực thông qua nội dung nghiên cứu sau:  Tìm hiểu tổng quan  Thiết lập Hamiltonian hệ đưa dạng toán tử sinh hủy  Xây dựng hàm sóng sở tính tốn yếu tố ma trận  Sử dụng ngơn ngữ lập trình FORTRAN để tìm nghiệm số xác  Phân tích, so sánh, nhận xét kết Phương pháp nghiên cứu  Tính tốn lý thuyết sử dụng phương pháp tốn tử FK Phụ lục 5: Tính hệ thức giao hoán  Các toán tử sinh hủy aˆ   aˆ b  b Bảng hệ thức giao hoán [cột, hàng]: Các thành phần ˆ ˆ iv u  ˆ ˆ iv u    ivˆ uˆ  Tính   aˆ , aˆ    ivˆ uˆ     1  8    8  1        b, b        1uˆ  ivˆ   8  12  8   1  1 2 4  Ngoài ra, tương tự ta tính số cơng thức giao hoán sau: 42  ˆ ˆ   1 8 a,b   1    1    8    1  ˆ  ˆ  a , b  4     ˆ ˆ a, b 1     8  2 1  uˆ  ivˆ, uˆ   i vˆ   uˆ   i vˆ  , uˆ  i vˆ 8      8    1     (A.5.6) (A.5.4) (A5.7) (A5.5) 43 Phụ lục 6: Biểu diễn Dựa vào định nghĩa toán tử sinh hủy: aˆ  (A6.1)  aˆ ˆ b  b Ta thực biến đổi thu được: u v  u    v Hamiltonian ta thu sau phép biến đổi Levi-Civita: H  Các thành phần Hamiltonian biểu diễn theo toán tử sinh hủy sau: 2 u 2 2 v 44 u uv  2  u v Ta sử dụng toán tử định nghĩa sau: ˆ (A6.8) M  abˆ, Lúc thành phần Hamiltonian biểu diễn lại sau:  2 u (A6.9) u u v (A6.10) uv  Thay thành phần vào Hamiltonian ta được: (A6.11) (A6.12) (A6.13) HH với H  R   i2 2 N M M NM M ˆ 45 ˆ R : Tốn tử hình chiếu moment động lượng quỹ đạo trục Oz (A6.14) Các thành phần tốn tử hình chiếu moment động lượng: u    v  i (A6.15) aˆ  b  v   u  i       aˆ   (A6.16) i i   i     aˆ  aˆ (A6.17) Thay (A6.15) (A6.16) vào (A6.14) ta thu được: ˆ Lz Phụ lục 7: Các cơng thức tác dụng tìm yếu tố ma trận H Bộ hàm sóng sở: (A7.1) n với n1 , n2 số ngun khơng âm Ta có cơng thức tác dụng sau: n aˆ ,n  n aˆ (A7.2) ,n  aˆ aˆ n Dựa vào công thức tác dụng ta chứng minh số công thức sau: ˆ n a ,n ˆ n b ,n a n ˆ 2 b n ˆ 2 ˆ ˆ n ab ˆ  ˆ n ab ˆ n M ,n M ˆ ˆ N n  n ,n Ngồi ra, ta có số cơng thức dùng để tính tốn yếu tố ma trận:   ˆ ˆ (A7.3) (A7.4) 47  aˆ  aˆ   đó:  n1 n1  1 n1  2, n2   ˆ2 2  aˆ aˆ b n11n12n12,n2  n2 n2  1 n1 , n2  n   aˆ n11n12 n1  3, n2     n2 n2  1 n1  1, n2  2 aˆ 2  aˆ n1 n1  1 n1  1, n2   n11n2 n21n22 n1  1, n2  n1  2, n2 2 n1 n2  1 n1 , n2  , ˆ2 2  aˆ b b n1  1 n1  n1  1,  Suy ra:  aˆ   n1  3n2  1  aˆ n1 n1  1 n1  2, n2 n13n23   3n1  n2  1 n2 n2  1 n1 , n2  3n1n23 n21n22 n1 , n2  3  n1  n2  1 n1 n2  1 n1  1, n2  3n1n21   n1n1!3! n2 n1  3, n2   n11n12 n1  2, n2 n11n2 n2n2!3! n1  1, n2 1 n1 n1  1, n2  n  (A7.5) 48  aˆ  aˆ   đó:  aˆ n1 n1  1 n1  2, n2   2  aˆ n11n12 n1  2, n2 n21n22 n1 , n2  2  , ˆ2 b  n2 n2  1 n1 , n2  n1 n2  1 n1  1, n2  2 n11n2 n1  1, n2 1  aˆ n11n12 n1  3, n2    n1 n1  1 n1  1, n2   n2 n2  1 n1  1, n2  2  , 2  aˆ n11n2 n21n22 n1  1, n2  n1  2, n2 2 n1 n2  1 n1 , n2   aˆ n11n1  n1  1, n2   2  aˆ n12n13 n1  3, n2   n21n2 n1  1, n2 1 n22n23 n1  1, n2  2 n11n22 n1 , n2  2 n12n21 n1  2, n2  , Suy ra:  aˆ   n  3n ˆ b 2  aˆ   3n  n 3nn  2 n! n   ! 1 n  ! n Mặt khác ta chứng minh Hamiltonian có dạng sau: HHRER 49 với ˆ b R ˆ  2abˆ H i  2 R ta thu được: R Áp dụng cơng thức tác dụng tính vào Rn,n    Các yếu tố ma trận R : R ,n n n ,n R , n 1 n n ,n n R Các yếu tố ma trận lại xác định công thức n n Tương tự cơng thức tác dụng áp dụng vào H ˆ R     1  2 i  2   1  2 i  2   1  2 i  2   1  2 i  2 2 2 n1  3n2  1 n2  1 n1  1, n2 1  n1  n2 8 n1 n1  1 n1  2, n2 3n1  n2  1 n2 n2  1 n1 , n2  3n1  n2   n21n22n1,n22   1  2 i  2   1  2 i   ta được: n1  3n2   n11n12n12,n2 1 R n1 H  ˆ n1  n2  1 n1 n2  1 n1  1, n2 1 n1  n2  1 n11n2n11,n21 50       H R n , n 1  H R n , n 1   1  2 i     H R n , n 2   1  2 i     HRn,n H Các yếu tố ma trận HRn,n  n2 ,n2 H n , n 1   1  2 i n2 , n2 3 Các yếu tố ma trận cịn lại xác định cơng thức H 51 ... 1: EXCITON HAI CHIỀU TRONG ĐIỆN TRƯỜNG ĐỀU 1.1 Phương pháp toán tử FK 1.2 Phương trình Schrưdinger exciton 2D điện trường 10 1.3 Phép biến đổi Levi-Civita 13 1.4 Phương pháp toán. .. Schrưdinger cho exciton hai chiều điện trường đưa dạng khơng thứ ngun Sau đó, phép biến đổi Levi-Civita đưa phương trình Schrưdinger cho exciton hai chiều điện trường phương trình cho dao động tử phi... (1.28) L z 1.4 Phương pháp toán tử FK cho toán exciton 2D điện trường 1.4.1 Phương pháp đại số Phương pháp đại số sử dụng để giải phương trình Schrưdinger (1.25) – (1.27) thơng qua tốn tử sinh, hủy