Ảnh hưởng của trường bức xạ laser lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong siêu mạng pha tạp tán xạ điện tử phonon âm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI HỒNG PHƯỢNG ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG BỨC XẠ LASER LÊN HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỬ YẾU BỞI ĐIỆN TỬ GIAM CẦM TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP (TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON ÂM) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội- 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Hồng Phượng ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG BỨC XẠ LASER LÊN HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỬ YẾU BỞI ĐIỆN TỬ GIAM CẦM TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP (TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON ÂM) Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 60 44 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán hướng dẫn : GS.TS Nguyễn Quang Báu Hà Nội - 2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Cấu trúc luận văn CHƢƠNG SIÊU MẠNG PHA TẠP VÀ BÀI TOÁN ẢNH HƢỞNG CỦA TRƢỜNG BỨC XẠ LASER LÊN HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ YẾU BỞI ĐIỆN TỬ TRONG BÁN DẪN KHỐI 1.1 Tổng quan siêu mạng pha tạp 1.1.1 Siêu mạng pha tạp 1.1.2 Hàm sóng phổ lƣợng electron siêu mạng pha tạp .4 1.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử bán dẫn khối có mặt trƣờng laser 1.2.1 Xây dựng phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử bán dẫn khối 1.2.2 Tính hệ số hấp thụ 14 CHƢƠNG PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG LƢỢNG TỬ VÀ HỆ SỐ HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ YẾU BỞI ĐIỆN TỬ GIAM CẦM TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP KHI CÓ MẶT TRƢỜNG LASER (TRƢỜNG HỢP TÁN XẠ ĐIỆN TỬ-PHONON ÂM) 20 2.1 Hamiltonian hệ điện tử-phonon siêu mạng pha tạp 20 2.2 Xây dựng phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử siêu mạng pha tạp 21 2.3 Tính hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử giam cầm siêu mạng pha tạp kể đến ảnh hƣởng trƣờng xạ Laser 33 CHƢƠNG TÍNH TỐN SỐ VÀ KẾT LUẬN 50 3.1 Tính tốn số vẽ đồ thị cho hệ số hấp thụ cho trƣờng hợp siêu mạng pha tạp n-GaAs/p-GaAs 50 3.2 Thảo luận kết thu đƣợc 53 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 57 66 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 3.1: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào nhiệt độ T Hình 3.2: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào cường độ sóng điện từ mạnh E01 Hình 3.3: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào lượng sóng điện từ mạnh (Laser) Hình 3.4: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào lượng sóng điện từ yếu Hình 3.5: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào độ rộng hố lượng tử L MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Khởi đầu từ thành công rực rỡ vật liệu bán dẫn với phát triển mạnh mẽ công nghệ nuôi tinh thể, người ta chế tạo nhiều cấu trúc nanô Song song với phát triển công nghệ chế tạo phát triển kỹ thuật đo hiệu ứng vật lý cấp độ vi mô Có thể nói rằng, hai thập niên vừa qua cấu trúc tinh thể nanô ( màng mỏng, siêu mạng, hố lượng tử, dây lượng tử, chấm lượng tử, …) dần thay vật liệu bán dẫn khối kinh điển[1÷ 4] Trong cấu trúc nanơ vậy, chuyển động hạt dẫn bị giới hạn nghiêm ngặt dọc theo hướng tọa độ với vùng có kích thước đặc trưng vào cỡ bậc bước sóng De Broglie Trong cấu trúc nanơ này, tính chất vật lí điện tử thay đổi đáng kể, xuất số tính chất khác, gọi hiệu ứng kích thước Ở quy luật học lượng tử bắt đầu có hiệu lực, đặc trưng hệ điện tử hàm sóng phổ lượng bị biến đổi Phổ lượng bị gián đoạn dọc theo hướng tọa độ giới hạn Do tính chất quang, điện hệ biến đổi mở khả ứng dụng cho linh kiện điện tử làm việc theo ngun lí hồn tồn cơng nghệ đại, siêu nhỏ – đa – thông Hệ vật liệu thấp chiều cấu trúc hoàn toàn mới, khác hẳn với vật liệu trước chia hệ thấp chiều làm loại: hệ không chiều (0D), hệ chiều (1D), hệ hai chiều (2D) Đối với hệ hai chiều (2D), cụ thể siêu mạng pha tạp, phổ lượng điện tử trường hợp trở nên gián đoạn theo chiều siêu mạng pha tạp điện tử chuyển động tự theo hai chiều, cịn chiều bị hạn chế Chính gián đoạn phổ lượng hạn chế chuyển động điện tử theo chiều lần lại ảnh hưởng lên tính chất phi tuyến hệ[5 ÷ 20] Trong lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết, cơng trình ảnh hưởng sóng điện từ mạnh lên sóng điện từ yếu bán dẫn khối nghiên cứu nhiều Thời gian gần có cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng sóng điện từ laze lên hấp thụ phi tuyến sóng điện từ yếu điện tử giam cầm bán dẫn thấp chiều Tuy nhiên, siêu mạng pha tạp, ảnh hưởng trường xạ laze lên hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử giam cầm đề tài mở Do đó, luận văn này, chúng tơi chọn vấn đề nghiên cứu “Ảnh hưởng trường xạ Laser lên hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử giam cầm siêu mạng pha tạp (trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm)” Về phương pháp nghiên cứu: Chúng ta sử dụng nhiều phương pháp lý thuyết khác để giải tốn vật lí kể phương pháp có ưu điểm riêng nên việc áp dụng chúng phụ thuộc vào tốn cụ thể Trong luận văn này, chúng tơi sử dụng phương pháp phương trình động lượng tử Từ Hamilton hệ biểu diễn lượng tử hóa lần hai ta xây dựng phương trình động lượng tử cho điện tử giam cầm, áp dụng phương trình động lượng tử để tính mật độ dịng hạt tải, từ suy biểu thức giải tích hệ số hấp thụ Đây phương pháp sử dụng rộng rãi nghiên cứu hệ bán dẫn thấp chiều, đạt hiệu cao cho kết có ý nghĩa khoa học định Đối tượng nghiên cứu luận văn cấu trúc bán dẫn thấp chiều thuộc hệ hai chiều, cụ thể siêu mạng pha tạp 2.Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, luận văn chia làm chương, mục, hình vẽ, tổng cộng 66 trang: Chƣơng I: Siêu mạng pha tạp toán ảnh hưởng trường xạ laser lên hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử bán dẫn khối Chƣơng II: Phương trình động lượng tử hệ số hấp thụ sóng điện yếu từ điện tử giam cầm siêu mạng pha tạp có mặt trường xạ Laser (trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm) Chƣơng III: Tính tốn số kết luận Trong đó, chương II chương III hai chương chứa đựng kết luận văn Kết luận quan trọng rút từ kết nghiên cứu luận văn là: số điều kiện thỏa mãn định liên quan đến nhiệt độ lượng sóng điện từ (tần số sóng điện từ), hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu trở nên âm, tức hệ số hấp thụ trở thành hệ số gia tăng sóng điện từ yếu Điều mở khả gia tăng sóng điện từ yếu siêu mạng pha tạp có mặt sóng điện từ mạnh khác Đây điều mà bán dẫn khối xảy CHƢƠNG SIÊU MẠNG PHA TẠP VÀ BÀI TOÁN ẢNH HƢỞNG CỦA TRƢỜNG BỨC XẠ LASER LÊN HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ YẾU BỞI ĐIỆN TỬ TRONG BÁN DẪN KHỐI Trong chương trình bày khái quát siêu mạng pha tạp (cấu trúc phổ lượng, hàm sóng điện từ) từ phương pháp phương trình động lượng tử đưa biểu thức giải tích cho hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử bán dẫn khối chịu ảnh hưởng trường laser 1.1 Tổng quan siêu mạng pha tạp 1.1.1 Siêu mạng pha tạp Bán dẫn siêu mạng loại cấu trúc tuần hoàn nhân tạo gồm lớp bán dẫn thuộc hai loại khác có độ dày cỡ nanomet đặt Do cấu trúc tuần hoàn, bán dẫn siêu mạng, tuần hoàn mạng tinh thể, electron phải chịu tuần hoàn phụ siêu mạng tạo với chu kỳ lớn số mạng nhiều Thế phụ tạo nên khác biệt đáy vùng dẫn hai bán dẫn cấu trúc thành siêu mạng Trong bán dẫn siêu mạng, độ rộng lớp đủ hẹp để electron xuyên qua lớp mỏng nhau, coi siêu mạng tuần hoàn bổ sung vào mạng tinh thể Bán dẫn siêu mạng chia thành hai loại: bán dẫn siêu mạng pha tạp bán dẫn siêu mạng hợp phần Bán dẫn siêu mạng pha tạp có cấu tạo hố siêu mạng tạo thành từ hai lớp bán dẫn loại pha tạp khác 1.1.2 Hàm sóng phổ lƣợng electron siêu mạng pha tạp Hàm sóng bán dẫn siêu mạng pha tạp có dạng:  S0    ψ n, p = ei p Phổ lượng: ⊥ r⊥ U ε  (r ) ∑e n jz = ψ  ik z ( z − jd ) j=1 1 2 p2  ωp  n + + ⊥ n, p⊥   2m* Trong đó: n = 1,2,3 số lượng tử phổ lượng theo phương z    p = p⊥  pz : vectơ xung lượng điện tử (chính xác vectơ sóng điện tử) S0: số chu kì siêu mạng d: chu kì siêu mạng e m* : điện tích khối lượng hiệu dụng điện tử  nD  0m* : tần số plasma gây tạp chất donor ωp = 2e nD : nồng độ pha tạp χ0 : số điện Từ ta thấy phổ lượng điện tử bị giam cầm siêu mạng pha tạp nhận giá trị lượng gián đoạn, không giống bán dẫn khối, phổ lượng liên tục tồn khơng gian Sự biến đổi phổ lượng gây khác biệt đáng kể tất tính chất điện tử siêu mạng pha tạp so với mẫu khối 1.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử bán dẫn khối có mặt trƣờng laser 1.2.1 Xây dựng phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử bán dẫn khối Ta có Hamilton hệ điện tử - phonon bán dẫn khối là: H = He + Hph + He− ph Với :   e   + He = ∑ε  p − A(t)  a a  p pp  c  H ph = ∑ω b+b  q H e ph = q q q +   q, p ( +   a b + b Cq ap+q p q −q (1.1) ... cứu ảnh hưởng sóng điện từ laze lên hấp thụ phi tuyến sóng điện từ yếu điện tử giam cầm bán dẫn thấp chiều Tuy nhiên, siêu mạng pha tạp, ảnh hưởng trường xạ laze lên hấp thụ sóng điện từ yếu điện. .. NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Hồng Phượng ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG BỨC XẠ LASER LÊN HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỬ YẾU BỞI ĐIỆN TỬ GIAM CẦM TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP (TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON ÂM) Chuyên... Siêu mạng pha tạp toán ảnh hưởng trường xạ laser lên hấp thụ sóng điện từ yếu điện tử bán dẫn khối Chƣơng II: Phương trình động lượng tử hệ số hấp thụ sóng điện yếu từ điện tử giam cầm siêu mạng