Ảnh hưởng của phonon giam cầm lên hiệu ứng radio điện trong siêu mạng hợp phần với cơ chế tán xạ điện tử phonon âm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ LEN ẢNH HƯỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM LÊN HIỆU ỨNG RADIO - ĐIỆN TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN VỚI CƠ CHẾ TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON ÂM Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết - Vật lý Toán Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒNG ĐÌNH TRIỂN Hà Nội - Năm 2014 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài 2 Mục tiêu nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn Chương 1: SIÊU MẠNG HỢP PHẦN VÀ HIỆU ỨNG RADIO – ĐIỆN TRONG BÁN DẪN KHỐI 1.1 Siêu mạng hợp phần 1.1.1 Tổng quan siêu mạng hợp phần 1.1.2 Hàm sóng phổ lượng điện tử siêu mạng hợp phần 1.2 Lý thuyết lượng tử hiệu ứng radio – điện bán dẫn khối Chương 2: HIỆU ỨNG RADIO – ĐIỆN TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM 2.1 Hamiltonian hệ điện tử – phonon phương trình động lượng tử điện tử siêu mạng hợp phần 2.1.1 Hamiltonian hệ điện tử – phonon siêu mạng hợp phần 2.1.2 Phương trình động lượng tử điện tử siêu mạng hợp phần 10 2.2 Biểu thức mật độ dòng toàn phần 24 2.3 Biểu thức giải tích cho cường độ dịng điện 35 Chương 3: TÍNH TOÁN SỐ VÀ VẼ ĐỒ THỊ CHO SIÊU MẠNG HỢP PHẦN GaAs - Al0.3Ga0.7As 40 3.1 Sự phụ thuộc trường radio – điện vào tần số sóng điện từ mạnh 40 3.2 Sự phụ thuộc trường radio – điện vào tần số sóng điện từ phân cực phẳng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤ LỤC 46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1 40 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 3.1 Error! Bookmark not defined.0 Hình 3.2 Error! Bookmark not defined.1 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn em TS Hồng Đình Triển ln bảo, hướng dẫn tận tình vướng mắc em gặp phải suốt q trình thực hiện, để em hồn thành tốt Luận văn thạc sĩ Em xin gửi lời cảm ơn đến tất thầy cô giáo khoa Vật lý dạy dỗ truyền đạt kiến thức bổ ích cho em suốt năm qua, tạo điều kiện để em có kiến thức thực nội dung Luận văn thạc sĩ Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo, tập thể cán làm việc Bộ môn Vật lý lý thuyết Vật lý Toán - Trường Đại học Khoa học tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ em thời gian qua Cuối c ng, em xin gửi lời cảm ơn tới bạn b , người ủng hộ, động viên, giúp đỡ em trình làm Luận văn thạc sĩ Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Len MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, chất bán dẫn ứng dụng rộng rãi điện tử học Một hướng nghiên cứu hình thành việc tạo bán dẫn có nhiều lớp mỏng xen kẽ có độ dày cỡ nano mét, gọi bán dẫn có cấu trúc nano Bán dẫn có cấu trúc nano giúp tạo linh kiện, thiết bị ưu việt cho kỹ thuật đời sống [8] Việc chuyển từ hệ ba chiều sang hệ thấp chiều làm thay đổi nhiều tính chất vật lý vật liệu Trong vật liệu kể trên, hầu hết tính chất điện tử thay đổi, xuất tính chất khác biệt so với vật liệu khối (gọi hiệu ứng giảm kích thước) [2] Ta biết bán dẫn khối, điện tử chuyển động tồn mạng tinh thể (cấu trúc chiều) Với hệ thấp chiều cấu trúc nano, quy luật lượng tử bắt đầu có hiệu lực, trước hết thay đổi phổ lượng Ở hệ thấp chiều, chuyển động điện tử bị giới hạn nghiêm ngặt dọc theo (hoặc hai ba) hướng tọa độ [1-3] Phổ lượng hạt tải trở nên bị gián đoạn theo phương mà chuyển động điện tử bị giới hạn Như vậy, chuyển đổi từ hệ 3D sang 2D, 1D hay 0D làm thay đổi đáng kể đại lượng vật liệu như: hàm phân bố, mật độ trạng thái, mật độ dòng, tương tác điện tử - phonon… làm xuất nhiều hiệu ứng mà hệ điện tử ba chiều [5-6] Với phát triển vật lý chất rắn số cơng nghệ đại, ta hồn tồn tạo cấu trúc thấp chiều khác mà phải kể tới cấu trúc siêu mạng Trong việc nghiên cứu kĩ hệ hai chiều ví dụ như: siêu mạng pha tạp, siêu mạng hợp phần, hố lượng tử… ngày nhận quan tâm nhiều người [2-6] Ta biết xạ laser mạnh ảnh hưởng đến độ dẫn điện hiệu ứng động khác chất bán dẫn khối Trong số hiệu ứng vật lý nghiên cứu, ta không kể tới hiệu ứng radio – điện [3-4] Nghiên cứu hiệu ứng radio – điện bán dẫn khối với chế tán xạ điện tử – phonon âm hay điện tử – phonon quang thu kết cụ thể Tuy nhiên, hiệu ứng radio – điện cấu trúc siêu mạng, đặc biệt siêu mạng hợp phần có tính đến ảnh hưởng giam cầm phonon lên vấn đề mở [7] Do đó, luận văn mình, tơi xin trình bày kết nghiên cứu đề tài: “Ảnh hưởng phonon giam cầm lên hiệu ứng radio – điện siêu mạng hợp phần với chế tán xạ điện tử – phonon âm” Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng phonon giam cầm lên hiệu ứng radio – điện siêu mạng hợp phần với chế tán xạ điện tử – phonon âm sở lý thuyết hiệu ứng radio – điện bán dẫn khối [9-11] Với mục tiêu thu nhận biểu thức giải tích điện trường lên trục, từ khảo sát ảnh hưởng thông số lên cường độ điện trường siêu mạng Kết thu đề tài đóng góp cho hiểu biết thêm hiệu ứng vật lý vật liệu thấp chiều, góp phần thức đẩy pháp triển chung khoa học bản[5-10] Phương pháp nghiên cứu Đối với toán hiệu ứng radio điện siêu mạng hợp phần (trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm), sử dụng số phương pháp nghiên cứu quan trọng Trước tiên phương pháp phương trình động lượng tử Phương pháp sử dụng rộng rãi nghiên cứu hệ bán dẫn thấp chiều, đạt hiệu cao cho kết có ý nghĩa khoa học định[8-12] Sau đó, tơi d ng chương trình Matlab để có kết tính tốn số đồ thị phụ thuộc cường độ điện trường vào thông số siêu mạng hợp phần GaAs/Al0.3Ga0.7As Nội dung nghiên cứu phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu đề ra, nghiên cứu phụ thuộc trường radio – điện vào cường độ tần số sóng điện từ mạnh, tần số sóng điện từ phân cực phẳng, đặc biệt phụ thuộc vào số giam cầm phonon m Bài toán hiệu ứng radio – điện nghiên cứu siêu mạng hợp phần GaAs/Al0.3Ga0.7As Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Những kết thu đề tài đóng góp phần vào việc hoàn thiện lý thuyết lượng tử hiệu ứng động hệ thấp chiều mà cụ thể lý thuyết hiệu ứng radio – điện siêu mạng hợp phần Về mặt phương pháp, với kết thu từ việc sử dụng phương pháp phương trình động lượng tử chương trình Matlab, đề tài góp phần khẳng định thêm tính hiệu đắn phương pháp cho hiệu ứng phi tuyến quan điểm lượng tử [9-13] Bên cạnh đó, tác giả hi vọng kết đề tài đóng góp phần vào việc định hướng, cung cấp thông tin hiệu ứng động cho vật lý thực nghiệm việc nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Các kết nghiên cứu sử dụng làm thước đo, làm tiêu chuẩn hồn thiện cơng nghệ chế tạo vật liệu cấu trúc nano ứng dụng điện tử siêu nhỏ, thông minh đa nay[14] Cấu trúc luận văn Luận văn phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, gồm có chương: Chương 1: Siêu mạng hợp phần hiệu ứng radio – điện bán dẫn khối Chương 2: Hiệu ứng radio – điện siêu mạng hợp phần ảnh hưởng phonon âm giam cầm Chương 3: Tính tốn số vẽ đồ thị cho siêu mạng hợp phần GaAs Al0.7Ga0.3As Chương SIÊU MẠNG HỢP PHẦN VÀ HIỆU ỨNG RADIO – ĐIỆN TRONG BÁN DẪN KHỐI 1.1 Siêu mạng hợp phần 1.1.1 Tổng quan siêu mạng hợp phần Siêu mạng hợp phần tạo thành từ cấu trúc tuần hoàn hố lượng tử khoảng cách hố lượng tử đủ nhỏ để xảy hiệu ứng đường hầm Do đó, điện tử xem lớp mỏng phụ bổ sung vào mạng tinh thể siêu mạng Thế phụ tuần hoàn với chu kỳ lớn nhiều so với số mạng Thế phụ tuần hoàn hình thành chênh lệch lượng cận điểm đáy v ng dẫn hai bán dẫn tạo nên siêu mạng Sự có mặt siêu mạng làm thay đổi phổ lượng điện tử siêu mạng có số tính chất đáng ý mà bán dẫn khối thơng thường khơng có Hệ điện tử siêu mạng hợp phần hệ điện tử chuẩn hai chiều Các tính chất vật lý siêu mạng xác định phổ điện tử chúng thông qua việc giải phương trình Schrodinger với bao gồm tuần hoàn mạng tinh thể phụ tuần hồn siêu mạng, việc giải phương trình Schrodinger tổng qt khó Vì chu kỳ siêu mạng lớn nhiều so với số mạng tinh thể biên độ siêu mạng lại nhỏ nhiều so với biên độ mạng tinh thể nên ảnh hưởng tuần hoàn siêu mạng thể mép v ng lượng Tại đó, quy luật tán sắc điện tử coi dạng bậc hai; phổ lượng điện tử siêu mạng bán dẫn xác định phương pháp gần khối lượng hiệu dụng v ng lượng đẳng hướng không suy biến Dựa vào tương quan vị trí đáy đỉnh v ng dẫn bán dẫn, người ta phân loại siêu mạng hợp phần sau: + Loại I: Được tạo thành từ bán dẫn có độ rộng v ng cấm hồn tồn bao Trong siêu mạng này, tương tác mạng hay từ lớp riêng biệt xảy v ng lượng c ng loại Ở lỗ trống điện tử bị giam nhốt c ng lớp A + Loại II: Được tạo thành từ bán dẫn có độ rộng v ng cấm nằm gần nhau, không bao tr ng phần Trong trường hợp này, hạt mang khác loại tương tác với Siêu mạng lại chia thành loại: Loại IIA: Bán dẫn khe v ng không gian gián tiếp Lỗ trống bị giam c ng lớp A, điện tử bị giam c ng lớp B Loại IIB: Hoặc khơng có có khe lượng nhỏ điện tử lớp B lỗ trống lớp A 1.1.2 Hàm sóng phổ lượng điện tử siêu mạng hợp phần  Phương trình Schrodinger có dạng:   2 (r )  U (r ) (r )  E (r ) 2m * với m* khối lượng hiệu dụng điện tử Hàm sóng điện tử mini v ng n tổ hợp hàm sóng theo mặt phẳng (Oxy) có dạng sóng phẳng theo phương trục siêu mạng (có dạng hàm Block) ψn,k (r) = Nd exp{i(k x x + k y y)} exp(ik Z jz) n (z - jd) Lx L y Nd j=1 Với : L x : Độ dài chuẩn theo phương x L y : Độ dài chuẩn theo phương y  n ( z ) : Hàm sóng điện tử hố biệt lập Dựa vào tính chất tuần hồn U (r ) mà siêu mạng có một, hai ba chiều Đối với hệ điện tử chuẩn hai chiều, cấu trúc v ng lượng tìm cách giải phương trình Schrodinger, ta đưa vào tuần hồn chiều có dạng hình chữ nhật Thế tuần hoàn siêu mạng ảnh hưởng tới chuyển động điện tử theo phương vng góc với trục siêu mạng (trục z) Chuyển động điện tử theo phương z tương ứng với chuyển động trường tuần hoàn với chu kỳ chu kỳ d siêu mạng + Phổ lượng điện tử: 2 p2  n    cos  pzn d  n    2m 2m d Trong đó: d chu kì siêu mạng  n độ rộng mini v ng n  n, p  1.2 Lý thuyết lượng tử hiệu ứng radio – điện bán dẫn khối Ta khảo sát hệ hạt tải bán dẫn khối đặt trường sóng điện từ phân cực phẳng: E (t )  E  eit  eit  ; H (t )  n, E  t   TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Nguyễn Quang Báu (chủ biên), Nguyễn Vũ Nhân, Phạm Văn Bền (2010), Vật lý bán dẫn thấp chiều, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội ThS Nguyễn Văn Hiếu, GS.TS Nguyen Quang Bau, Sự phụ thuộc dòng âm điện lượng tử lên tần số sóng âm siêu mạng, Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHĐN Số: 1(74).2014-Quyển Trang: 99 Năm 2014.(06/05/2014) Nguyễn Văn H ng (1999), Lí thuyết chất rắn, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Lê Thái Hưng (2007), Ảnh hưởng phonon giam cầm lên hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử giam cầm siêu mạng pha tạp, Luận văn thạc sĩ vật lí, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Trần Công Phong (1998), Cấu trúc tính chất quang hố lượng tử siêu mạng, Luận án tiến sĩ vật lí, ĐHKHTN, ĐHQGHN Tài liệu tiếng Anh Nguyen Quang Bau, and Do Manh Hung (2010), “Calculation of the nonlinear absorption coefficient of a strong electromagnetic wave by confined electrons in Doping Superlatices”, Journal of the USA, Progress In Electromagnetic Research B, Vol 25, pp.39-52 Nguyen Quang Bau, Do Manh Hung, and Le Thai Hung (2010), “The influences of confined phonons on the nonlinear absorption coefficient of a strong electromagnetic wave by confined electrons in doping superlattices”, Journal of the USA, Progress In Electromagnetic Research Letters, Vol 15, pp.175-185 Nguyen Quang Bau, Do Manh Hung, Nguyen Bich Ngoc (2009), “The Nonlinear Absorption Coefficient of a Strong Electromagnetic Wave Caused by Confined Electrons in Quantum Wells”, Journal of the Korean Physical 44 Do Manh Hung, Nguyen Quang Bau (2009), “Investigation of the nonlinear absorption phenomena of a strong electromagnetic wave by confined electrons in the compositional superlattices”, Journal of theAdvances in Natural Sciences Vol 10, No 3, pp.317-328 10 Do Manh Hung, Nguyen Quang Bau (2010), “Parametric transformation and parametric resonance of confined acoustic phonons and confined optical phonons in quantum wells”, Journal of the Communications in Physics, pp.124-134 11 Do Manh Hung, Nguyen Quang Bau, Hoang Dinh Trien, Nguyen Thi Nhan (2008), “Calculations of The Nonlinear Absorption Coefficient of a Strong Electromagnetic Wave by Confined Electrons in the Compositional Superlattices”, VNU Journal of Science, Mathematics- Physics, No 24, 1S, pp.236-239 12 Do Manh Hung, Le Thi Thu Phuong, Nguyen Vu Nhan and Nguyen Quang Bau (2008), “On the Nonlinear Absorption Coefficient of a Strong Electromagnetic Wave Caused by Confined Electrons in Quantum Wells”, Proceedings APCTPASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology Natural Sciences, September 15-20/2008, NhaTrang Vietnam pp 921-926 13 Nguyen Thi Mai Nhien, Le Thai Hung, Do Manh Hung, Nguyen Quang Bau (2008), “The Parametric Resonance of Confined Acoustic Phonons in Quantum Wells”, VNU Journal of Science, Mathematics-Physics, No 24, 1S, pp.240-243.8 14 Nguyen Van Thuan, Do Manh Hung, Nguyen Quang Bau (2008), “Influence of Magnetic Field on the Nonlinear Absorption coefficient of a Strong electromagnetic Wave by Confined Electrons in Doping Superlattices” VNU Journal of Science, Mathematics-Physics, No 24, 1S, pp.232-235 45 ... hiệu ứng radio – điện siêu mạng hợp phần với chế tán xạ điện tử – phonon âm? ?? Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng phonon giam cầm lên hiệu ứng radio – điện siêu mạng hợp phần với chế. .. hợp phần 1.2 Lý thuyết lượng tử hiệu ứng radio – điện bán dẫn khối Chương 2: HIỆU ỨNG RADIO – ĐIỆN TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM 2.1 Hamiltonian hệ điện tử – phonon. .. kể tới hiệu ứng radio – điện [3-4] Nghiên cứu hiệu ứng radio – điện bán dẫn khối với chế tán xạ điện tử – phonon âm hay điện tử – phonon quang thu kết cụ thể Tuy nhiên, hiệu ứng radio – điện cấu