Nghiên cứu độ rộng vạch phổ trong dây lượng tử hình chữ nhật

Nghiên cứu độ rộng vạch phổ trong dây lượng tử hình chữ nhật.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG DỰ BỊ ĐHDT TRUNG ƯƠNG NHA TRANG - NGUYỄN ĐÌNH HIÊN NGHIÊN CỨU ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ TRONG DÂY LƯỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT BỘ MƠN: LÝ - SINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Nha trang, tháng năm 2010 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu nêu đề tài trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả đề tài Nguyễn Đình Hiên ii LỜI CẢM ƠN Hồn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu, Hội đồng khoa học, trưởng môn Lý - Sinh, tồn thể q thầy anh chị công nhân viên nhà trường động viên, chia sẽ, đóng góp ý kiến giúp đỡ tơi hoàn thiện đề tài Tác giả đề tài Nguyễn Đình Hiên iii MỤC LỤC Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục MỞ ĐẦU NỘI DUNG 10 Chương MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUAN 10 1.1 Phép chiếu toán tử loại II 10 1.2 Bán dẫn dây lượng tử Hamiltonian hệ electronphonon có mặt điện trường 13 1.2.1 Bán dẫn dây lượng tử hình chữ nhật 13 1.2.2 Hamiltonian hệ electron - phonon điện trường 14 1.3 Tính tốn giải tích hàm dạng phổ 16 1.3.1 Biểu thức tổng quát tenxơ độ dẫn 16 1.3.2 Sử dụng phép chiếu phụ thuộc trạng thái loại II để tính biểu thức tenxơ độ dẫn 20 Chương TÍNH GIẢI TÍCH ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ TRONG DÂY LƯỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT 24 2.1 Biểu thức độ rộng vạch phổ 24 2.1.1 Biểu thức hàm dạng phổ 24 2.1.2 Biểu thức độ rộng vạch phổ 34 2.2 Biểu thức công suất hấp thụ 42 Chương LẬP TRÌNH ĐỂ KHẢO SÁT SỐ VÀ VẼ ĐỒ THỊ 43 3.1 Kết tính số thảo luận 43 3.1.1 Khảo sát phụ thuộc công suất hấp thụ vào tần số trường 45 3.1.2 Khảo sát phụ thuộc nửa độ rộng vạch phổ vào nhiệt độ kích thước dây 47 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC P.1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện giới hình thành ngành khoa học cộng nghệ mới, có nhiều triển vọng dự đoán tác động mạnh mẽ đến tất lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật đời sống-kinh tế xã hội kỷ 21 Đó Khoa học Công nghệ Nano Đây lĩnh vực mang tính liên ngành cao, bao gồm vật lý, hóa học, y dược-sinh học, cơng nghệ điện tử tin học, công nghệ môi trường nhiều công nghệ khác Theo trung tâm đánh giá công nghệ giới (World Technology Evaluation Centrer), tương lai khơng có ngành công nghiệp mà không ứng dụng công nghệ nano [4] Khoa học Công nghệ Nano định nghĩa khoa học công nghệ nhằm tạo nghiên cứu vật liệu, hệ thống, cấu trúc linh kiện có kích thước khoảng từ 0,1 đến 100 nm, với nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối [4] Thật vậy, nhà nghiên cứu kích thước chất bán dẫn giảm xuống cách đáng kể theo chiều, chiều, chiều tính chất vật lý: tính chất cơ, nhiệt, điện, từ, quang thay đổi cách đột ngột Chính điều làm cho cấu trúc nano trở thành đối tượng nghiên cứu bản, nghiên cứu ứng dụng Các tính chất cấu trúc nano thay đổi cách điều chỉnh hình dạng kích thước cỡ nanomet chúng [1], [4] Khi giảm kích thước vật rắn xuống theo phương (phương x) vào cỡ vài nanomet (nghĩa bậc độ lớn với bước sóng de Broglie hạt tải điện) electron chuyển động hồn tồn tự mặt phẳng (y,z), chuyển động chúng theo phương x bị giới hạn Hệ electron gọi hệ điện tử chuẩn hai chiều chất bán dẫn gọi bán dẫn chuẩn chiều (giếng lượng tử siêu mạng) Nếu kích thước vật rắn theo phương y co lại cịn vào cỡ vài nanomet, electron chuyển động tự theo phương z, chuyển động chúng theo phương y x bị lượng tử hóa Hệ electron gọi hệ điện tử chuẩn chiều chất bán dẫn gọi bán dẫn chuẩn chiều hay dây lượng tử Tương tự, kích thước vật rắn theo phương co lại cịn vào cỡ vài nanomet chuyển động electron theo phương (x-y-z) bị giới hạn hay nói cách khác electron bị giam giữ theo chiều, hệ gọi "chấm lượng tử" Tuy nhiên, định nghĩa có phần khơng chặt chẽ, ví dụ, đám (clusters) bao gồm số ngun tử khơng coi chấm lượng tử, kích thước đám nhỏ bước sóng de Broglie, tính chất chúng phụ thuộc mạnh vào số nguyên tử tạo nên chúng Chỉ có đám lớn hơn, có cấu trúc mạng hồn tồn xác định tính chất chúng khơng cịn phụ thuộc vào số nguyên tử nữa, coi chấm lượng tử [1], [2] Những vật liệu có cấu trúc gọi vật liệu thấp chiều hay bán dẫn chuẩn thấp chiều, cấu trúc có nhiều tính chất lạ so với cấu trúc thông thường, tính chất quang, điện mật độ trạng thái Việc chuyển từ hệ điện tử chiều sạng hệ điện tử chuẩn chiều làm thay đổi đáng kể mặt định tính định lượng nhiều tính chất vật lý có tính chất quang, điện vật liệu Sự giam giữ điện tử dây lượng tử làm cho phản ứng hệ điện tử tác dụng (từ trường, điện trường, điện từ trường ) xảy khác biệt so với hệ điện tử chiều chiều Cấu trúc bán dẫn chiều làm thay đổi đáng kể nhiều đặc tính vật liệu, đồng thời làm xuất thêm nhiều đặc tính ưu việt mà hệ điện tử chiều chiều khơng có Các vật liệu bán dẫn với cấu trúc chiều giúp cho việc tạo linh kiện, thiết bị dựa nguyên tắc hoàn toàn cơng nghệ đại có tính chất cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung lĩnh vực quang-điện tử nói riêng Đó lý bán dẫn có cấu trúc chiều đã, nhiều nhà vật lý quan tâm nghiên cứu Về mặt thực nghiệm, phát triển mẫu bán dẫn chất lượng cao mở khả cho việc nghiên cứu Với mẫu thế, có khả đo trực tiếp khối lượng hiệu dụng electron, đại lượng phản ánh cấu trúc vùng dẫn mini thời gian phục hồi dịch chuyển hạt tải thông qua hàm dạng phổ cộng hưởng electron-phonon Cho đến nay, phương pháp trực tiếp xác để cung cấp thông tin Về mặt lý thuyết, việc nghiên cứu tính chất điện tử bán dẫn thấp chiều nhận quan tâm nhiều nhà Vật lý Mặc dù có nhiều cách tiếp cận vấn đề phép chiếu toán tử phương pháp quan tâm với lý với tốn tử chiếu hồn tồn xác định, thu cơng thức độ dẫn hoàn hảo, biểu thức hàm dạng phổ tường minh [15] Lý thuyết Cho Choi dùng để tính tốc độ hồi phục Ge Si bỏ qua tán xạ biến dạng cách sử dụng toán tử chiếu phụ thuộc trạng thái loại I, định nghĩa Badjou Argyres [14] Tuy nhiên, lý thuyết này, phát xạ (hấp thụ) phonon không giải thích cách chặt chẽ Nói cách khác, có xét đến hiệu ứng nhiều hạt hàm phân bố điện tử phonon kết hợp ngẫu nhiên Để khắc phục nhược điểm trên, áp dụng phương pháp chiếu mới, phương pháp chiếu phụ thuộc trạng thái loại II Phương pháp có ưu điểm khắc phục phân kỳ tán xạ, chứa tường minh hàm dạng phổ đưa tất dịch chuyển có electron vậy, cách sử dụng phép chiếu tốn tử phụ thuộc trạng thái loại II, biểu thức tenxơ độ dẫn diễn tả cách tường minh Cộng hưởng electron-phonon ( Electrophonon resonance-EPR ) tượng thú vị xảy bán dẫn tác dụng trường Hiện tượng liên quan đến tính kỳ dị mật độ trạng thái electron bán dẫn Khi hiệu số hai mức lượng electron lượng phonon với điều kiện đặt vào đủ lớn xảy cộng hưởng EPR [30] Nếu trình hấp thụ LO-phonon có hấp thụ phát xạ photon ta có hiệu ứng cộng hưởng electron-phonon dị tìm quang học (Optically detected electron-phonon resonance-ODEPR) [30] Hiện tượng EPR bắt đầu nghiên cứu kể từ năm 1972 Bryskin Firsov cho trường hợp bán dẫn không suy biến đặt điện trường mạnh, có số cơng trình nghiên cứu vấn đề này, chẳng hạn nhóm Sang Chil Lee đồng nghiệp [28]; nhóm Se Gi Yu [41] Việc nghiên cứu hiệu ứng EPR/ODEPR thiết bị lượng tử đại đóng vai trị quan trọng việc hiểu biết tính chất chuyển tải lượng tử hạt tải điện bán dẫn Vì vậy, nghiên cứu hiệu ứng EPR/ODEPR cho ta thu thông tin hạt tải phonon Việc nghiên cứu hiệu ứng EPR/ODEPR bán dẫn dây lượng tử nhà khoa học quan tâm Sở dĩ bán dẫn có độ khiết cao tương tác electron-phonon loại tương tác chủ yếu Nó góp phần làm sáng tỏ tính chất khí electron chuẩn chiều tác dụng trường ngồi, từ cung cấp thơng tin tinh thể tính chất quang dây lượng tử bán dẫn cho công nghệ chế tạo linh kiện quang điện tử quang tử Chính vậy, chúng tơi chọn đề tài "Nghiên cứu độ rộng vạch phổ dây lượng tử hình chữ nhật" làm đề tài nghiên cứu Lịch sử nghiên cứu đề tài Ở nước: Ở nước ta, ngành khoa học công nghệ nano lĩnh vực nhà khoa học quan tâm sâu nghiên cứu từ năm 1995 Mỗi nhóm tác giả tập trung nghiên cứu vấn đề riêng, vấn đề "Độ rộng vạch phổ" bán dẫn thấp chiều nói chung hay dây lượng tử nói riêng chưa quan tâm nhiều Trong năm gần đây, số tác giả trường ĐHSP Huế sâu nghiên cứu phản ứng hệ electron - phonon tác dụng trường ngồi Có số tác giả nghiên cứu vấn đề liên quan như: Cộng hưởng cyclotron có mặt tương tác electron-phonon bán dẫn hố lượng tử, dò quang học cộng hưởng electron-phonon hố lượng tử, hiệu ứng Cerenkov bán dẫn dây lượng tử hình trụ Ở nước ngồi: Trong năm gần đây, có số nhóm tác giả tâm nghiên cứu cộng hưởng electron - phonon bán dẫn thấp chiều như: ... quang dây lượng tử bán dẫn cho công nghệ chế tạo linh kiện quang điện tử quang tử Chính vậy, chọn đề tài "Nghiên cứu độ rộng vạch phổ dây lượng tử hình chữ nhật" làm đề tài nghiên cứu Lịch sử nghiên. .. GIẢI TÍCH ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ TRONG DÂY LƯỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT 24 2.1 Biểu thức độ rộng vạch phổ 24 2.1.1 Biểu thức hàm dạng phổ 24 2.1.2 Biểu thức độ rộng vạch phổ ... loại II để tìm độ dẫn điện độ rộng vạch phổ tương tác electron-phonon dây lượng tử hình chữ nhật với vơ hạn tác dụng trường laser, từ khảo sát số độ rộng vạch phổ Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng