Nghiên cứu các cumulant và hệ số debye waller của tinh thể và hợp chất bán dẫn dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  HỒ KHẮC HIẾU NGHIÊN CỨU CÁC CUMULANT VÀ HỆ SỐ DEBYE-WALLER CỦA TINH THỂ VÀ HỢP CHẤT BÁN DẪN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - Hồ Khắc Hiếu NGHIÊN CỨU CÁC CUMULANT VÀ HỆ SỐ DEBYE-WALLER CỦA TINH THỂ VÀ HỢP CHẤT BÁN DẪN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT Chuyên ngành: Vật lý Lý thuyết Vật lý Toán Mã số: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Nguyễn Văn Hùng GS TS Vũ Văn Hùng Hà Nội - 2011 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CUMULANT PHỔ EXAFS VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Cumulant phổ EXAFS 1.2 Các phương pháp chủ yếu nghiên cứu cumulant phổ EXAFS 19 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CỦA CÁC CUMULANT PHỔ EXAFS BẰNG MƠ HÌNH EINSTEIN TƯƠNG QUAN PHI ĐIỀU HỊA 34 2.1 Lý thuyết tổng qt mơ hình Einstein tương quan phi điều hòa 34 2.2 Áp dụng mơ hình Einstein tương quan phi điều hịa 41 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CỦA CÁC CUMULANT PHỔ EXAFS BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MOMENT 61 3.1 Phương pháp thống kê moment 61 3.2 Các tính chất nhiệt động tinh thể bán dẫn 67 3.3 Phương pháp thống kê moment nghiên cứu cumulant phổ EXAFS 78 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CỦA CÁC CUMULANT PHỔ EXAFS CỦA Si, Ge, GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP VÀ InSb 85 4.1 Sự phụ thuộc nhiệt độ cumulant phổ EXAFS 85 4.2 Sự phụ thuộc áp suất cumulant phổ EXAFS .99 iii KẾT LUẬN .115 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO .118 PHỤ LỤC 130 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải Nghĩa FCC GGA hGGA HCP LDA MC Anharmonic correlated Einstein model Body centered cubic Displacement correlation function Density functional theory Debye-Waller factor Equation-of-motion Effective potential Extended X-ray absorption fine structure Face centered cubic Generalized gradient approximation Hybrid GGA Hexagonal close-packed Local density approximation Monte-Carlo MSD Mean square displacement Mô hình Einstein tương quan phi điều hịa Lập phương tâm khối Hàm dịch chuyển tương quan Lý thuyết phiếm hàm mật độ Hệ số Debye-Waller Phương trình chuyển động Thế hiệu dụng Cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X mở rộng Lập phương tâm diện Gần gradient mở rộng Phương pháp GGA lai Lục giác xếp chặt Gần mật độ địa phương Monte-Carlo Độ dịch chuyển trung bình bình phương Độ dịch chuyển tương đối trung bình bình phương Khoảng lân cận gần Thế hiệu dụng tích phân đường Monte-Carlo tích phân đường Trường tự hợp Phương pháp thống kê moment Stillinger-Weber Mật độ trạng thái dao động Trường lực hóa trị Cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X Cấu trúc phổ hấp thụ tia X gần cận ACEM BCC DCF DFT DWF EM EP EXAFS MSRD Mean-square relative displacement NND PIEP PIMC SCF SMM S-W VDOS VFF XAFS Nearest-neighbor distance Path-integral effective potential Path-integral Monte-Carlo Self-consistent field Statistical moment method Stillinger-Weber Vibrational density of state Valance force field X-ray absorption fine structure XANES X-ray absorption near-edge structure v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Giới hạn nhiệt độ thấp cao cumulant phổ EXAFS 38 Bảng 4.1 Giá trị nhiệt độ nóng chảy áp suất chuyển pha bán dẫn 85 Bảng 4.2 Tham số Morse loại vật liệu 86 Bảng 4.3 Tham số Stillinger-Weber tinh thể bán dẫn 87 Bảng 4.4 Giá trị MSD u  Å  số bán dẫn 94 Bảng 4.5 Giá trị     295K     77 K  (10-2 Å2) lớp cầu GaAs 96 Bảng 4.6 Giá trị 2  Å  phổ EXAFS cận K nguyên tử Ga lớp cầu GaSb 98 Bảng 4.7 Tham số m-n Cu, Kr [5, 98] .104 vi DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự giao thoa sóng quang điện tử tán xạ từ nguyên tử lân cận sóng phát từ nguyên tử hấp thụ tạo nên cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X .7 Hình 1.2: Sự hấp thụ tia X Hình 1.3: Phổ XANES EXAFS GeCl4 nhiệt độ phịng 10 Hình 1.4: Đồ thị phổ EXAFS k   k  cường độ hàm chuyển Fourier F  R  cho Ga As (cận hấp thụ K) số nhiệt độ .13 Hình 2.1: Các nguyên tử lân cận nguyên tử hấp thụ (A) tán xạ (S) 44 Hình 4.1: Sự phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS tinh thể bán dẫn Ge .87 Hình 4.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS tinh thể bán dẫn Si .87 Hình 4.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS tinh thể bán dẫn Ge .88 Hình 4.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS tinh thể bán dẫn Si .88 Hình 4.5: Sự phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS sử dụng ACEM với Morse Stillinger-Weber tinh thể bán dẫn Ge .90 Hình 4.6: Sự phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS sử dụng ACEM với Morse Stillinger-Weber tinh thể bán dẫn Si 90 Hình 4.7: Sự phụ thuộc nhiệt độ độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD nguyên tử Ga As bán dẫn GaAs 93 Hình 4.8: Sự phụ thuộc nhiệt độ độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD nguyên tử Ga P bán dẫn GaP 93 Hình 4.9: Sự phụ thuộc nhiệt độ độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD nguyên tử Ga Sb bán dẫn GaSb 93 Hình 4.10: Sự phụ thuộc nhiệt độ độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD nguyên tử In As bán dẫn InAs 93 Hình 4.11: Sự phụ thuộc nhiệt độ độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD nguyên tử In Sb bán dẫn InSb 94 Hình 4.12: Sự phụ thuộc nhiệt độ độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD nguyên tử In P bán dẫn InP .94 Hình 4.13: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn cấu trúc zinc-blende GaAs 95 vii Hình 4.14: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn cấu trúc zinc-blende GaAs 95 Hình 4.15: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn cấu trúc zinc-blende InP 97 Hình 4.16: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ    T     20 K  phổ EXAFS bán dẫn cấu trúc zinc-blende InP 97 Hình 4.17: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn cấu trúc zinc-blende GaSb 97 Hình 4.18: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn cấu trúc zinc-blende GaSb 97 Hình 4.19: Sự phụ thuộc áp suất cumulant bậc phổ EXAFS Kr 105 Hình 4.20: Sự phụ thuộc áp suất MSD Kr 105 Hình 4.21: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc áp suất  ( P)   (0) kim loại Cu 106 Hình 4.22: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc áp suất  (3) ( P)   (3) (0) kim loại Cu 106 Hình 4.23: Đồ thị phụ thuộc áp suất phổ EXAFS Cu mô FEFF 106 Hình 4.24: Sự phụ thuộc áp suất cường độ hàm chuyển Fourier phổ EXAFS Cu 106 Hình 4.25: Đồ thị phụ thuộc áp suất khoảng cách lân cận gần NND Ge nhiệt độ T = 300 K 108 Hình 4.26: Đồ thị phụ thuộc áp suất số mạng Si nhiệt độ T = 300 K 108 Hình 4.27: Đồ thị phụ thuộc áp suất hệ số nén V/V0 Ge nhiệt độ T = 300 K 109 Hình 4.28: Đồ thị phụ thuộc áp suất hệ số nén V/V0 Si nhiệt độ T = 300 K 109 Hình 4.29: Đồ thị phụ thuộc áp suất hệ số Debye-Waller Ge nhiệt độ T = 300 K 110 Hình 4.30: Đồ thị phụ thuộc áp suất hệ số Debye-Waller Si nhiệt độ T = 300 K 110 Hình 4.31: Sự thay đổi thể tích tinh thể bán dẫn GaAs, GaSb GaP ảnh hưởng áp suất 111 Hình 4.32: Sự thay đổi thể tích tinh thể bán dẫn InAs, InSb InP ảnh hưởng áp suất 111 viii Hình 4.33: Ảnh hưởng áp suất lên độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD nguyên tử Ga As bán dẫn GaAs nhiệt độ T = 300 K 112 Hình 4.34: Ảnh hưởng áp suất lên độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD nguyên tử In As bán dẫn InAs nhiệt độ T = 300 K 112 Hình 4.35: Ảnh hưởng áp suất lên cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn GaAs nhiệt độ T = 300 K 113 Hình 4.36: Ảnh hưởng áp suất lên cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn GaP nhiệt độ T = 300 K 113 Hình 4.37: Ảnh hưởng áp suất lên cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn InAs nhiệt độ T = 300 K 114 Hình 4.38: Ảnh hưởng áp suất lên cumulant bậc phổ EXAFS bán dẫn InP nhiệt độ T = 300 K 114 ix MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, ngành khoa học công nghệ vật liệu ngày trở nên quan trọng phát triển cách nhanh chóng Trong q trình nghiên cứu vật liệu, việc xác định cấu trúc tính chất nhiệt động trở thành vấn đề then chốt Khoảng năm 70 kỷ XX xuất phương pháp thực nghiệm hữu hiệu nghiên cứu vật liệu, cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X mở rộng (Extended X-ray Absorption Fine Structure – EXAFS) Phổ EXAFS cho nhiều thông tin quý báu vật liệu khoảng cách lân cận nguyên tử, số nguyên tử lớp, Tuy nhiên, nhiệt độ tăng cao, phonon tương tác với dẫn đến hiệu ứng phi điều hòa làm ảnh hưởng đến phổ EXAFS thu nhận [8, 23, 95, 111] Để xác định sai khác hiệu ứng phi điều hòa, người ta đưa phép gần khai triển cumulant [5, 16, 37, 69, 82] Mặt khác, phổ EXAFS, cumulant phổ EXAFS, lại nhạy với ảnh hưởng áp suất Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ áp suất lên cumulant phổ EXAFS vấn đề thực tế quan trọng việc phát triển lý thuyết EXAFS Lý thuyết dao động nhiệt EXAFS có tiến việc mô tả định lượng tham số nhiệt động ảnh hưởng đến phổ EXAFS Chẳng hạn lý thuyết Frenkel A I Rehr J J [37], N V Hùng Rehr J J [69], sử dụng mơ hình Einstein tương quan để tính cumulant, với cumulant bậc chẵn tham số ảnh hưởng đến biên độ cumulant bậc lẻ tham số ảnh hưởng đến dịch pha phổ EXAFS Những tính tốn lý thuyết cho mạng tinh khiết cho kết phù hợp tốt với thực nghiệm, yếu tố gắn liền với phi điều hòa dao động nhiệt [37, 67-69, 71, 72] Một số phương pháp khác xây dựng để tính tốn cumulant phổ EXAFS phương pháp hiệu dụng tích phân đường [112, 113], phương pháp ab initio [42,104], phương pháp mơ hình hóa [8, 9, 29, 87], ... Hồ Khắc Hiếu NGHIÊN CỨU CÁC CUMULANT VÀ HỆ SỐ DEBYE- WALLER CỦA TINH THỂ VÀ HỢP CHẤT BÁN DẪN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT Chuyên ngành: Vật lý Lý thuyết Vật lý Toán Mã số: 62 44 01 01... để nghiên cứu ảnh hưởng áp suất lên cumulant phổ EXAFS loại vật liệu Đó lý để lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu cumulant hệ số Debye- Waller tinh thể hợp chất bán dẫn ảnh hưởng nhiệt độ áp suất? ?? Mục... sử dụng, kết hợp với tương tác StillingerWeber, để nghiên cứu tính chất nhiệt động tinh thể silic gecmani ảnh hưởng nhiệt độ áp suất Các tính tốn thơng số mạng, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung