Cấu trúc vùng năng lượng của siêu mạng graphene hai lớp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƢU THỊ PHƢỢNG CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƢỢNG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE HAI LỚP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LƢU THỊ PHƢỢNG CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƢỢNG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE HAI LỚP Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết Vật lý Toán Mã số : 60.44.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Văn Liễn HÀ NỘI, 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình Tác giả luận văn Lƣu Thị Phƣợng iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, nỗ lực cố gắng thân, nhận quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện từ gia đình, thầy bạn bè Xin lưu vào trang luận văn tri ân lời cảm ơn chân thành Đầu tiên, xin bày tỏ lịng biết ơn kính trọng tới thầy, GS.TSKH Nguyễn Văn Liễn, người trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Thầy tận tình hướng dẫn tạo cho tơi điều kiện tốt để học tập nghiên cứu khoa học Đặc biệt xin cảm ơn bạn Phạm Công Huy, bạn trực tiếp hướng dẫn phần tính tốn luận văn kiểm tra lại kết tính tốn Tơi xin cảm ơn thầy cô giáo khoa Vật Lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đaị học Quốc Gia Hà Nội, thầy phịng sau đại học,…những người trực tiếp giảng dạy, truyền đạt kiến thức vật lý xác nhận thủ tục hành suốt q trình học tập Cuối tơi xin cảm ơn bố mẹ, chồng em trai nhắc nhở động viên tạo điều kiện tốt để tơi học tập Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Lƣu Thị Phƣợng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii DANH SÁCH HÌNH VẼ iv LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc vùng lượng .4 1.2 Phương trình Dirac 1.3 Giả spinor Chirality 12 1.4 Truyền dẫn ballistic 14 1.4.1 Chui ngầm Klein 14 1.4.2 Giới hạn độ dẫn lượng tử 17 1.5 Hiệu ứng Hall lượng tử khác thường .19 1.6 Một số cấu trúc nano graphene 22 1.7 Ứng dụng Graphene 22 CHƢƠNG CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƢỢNG CỦA GRAPHENEHAI LỚP 27 2.1 Cấu trúc tinh thể 27 2.2.Cấu trúc vùng lượng .28 2.3 Sự khác biệt graphene đơn lớp graphene hai lớp 32 CHƢƠNG CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƢỢNG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE HAI LỚP: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Siêu mạng bán dẫn 38 3.2 Phương pháp T-ma trận 40 3.3 Siêu mạng Graphene hai lớp 43 3.4.Cấu trúc vùng lượng siêu mạng Graphene hai lớp 47 3.4.1 Mơ hình điện dạng Kronig- Penney 47 3.4.2 Kết thảo luận: .50 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 v DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Các vecto sở vùng Brillouin Graphene Hình 1.2.(a) Cơ chế truyền dẫn khuếch tán (b) chế truyền dẫn ballistic 14 Hình 1.3 Mơ hình chui ngầm Klein .15 Hình 1.4: Hệ số truyền qua phụ thuộc vào độ rộng bờ thế: đường màu đỏ ứng với mẫu graphene đơn lớp, đường màu xanh đậm ứng với mẫu graphene hai lớp đường màu xanh ứng với bán dẫn thơng thường có vùng cấm .16 Hình 1.5 Độ dẫn suất tổng quát phụ thuộc vào tỉ số W/L Đường liền nét biểu diễn độ dẫn theo cơng thức (1.4.43) , điểm hình trịn hình vng số liệu thực nghiệm tương ứng nhóm Miao( 2007) nhóm Danneau (2008) 19 Hình 1.6 Hiệu ứng Hall lượng tử cho (a) hệ bán dẫn hai chiều thông thường (b) graphene đơn lớp, (c) graphene hai lớp, (d) graphene đơn lớp nhiệt độ T= 4K, B=14 T 21 Hình 2.1 : Cấu trúc tinh thể Graphene đơn lớp Graphene hai lớp 27 Hình 2.2 : Cấu trúc vùng lượng graphene đơn lớp 33 Hình 2.3 (a) Cấu trúc vùng lượng graphene hai lớp .34 Hình 2.3 (b): Cấu trúc vùng lượng Graphene hai lớp khơng đối xứng 34 Hình 2.4.Sự xuất khe vùng có điện trường ngồi lớp kép graphene 36 Hình 3.1.Mơ hình điện Kronig- Penney cho graphene hai lớp 44 Hình 3.2 Hệ thức tán sắc với siêu mạng khác cho ta thấy mối liên hệ E với kx, ky 46 Hình 3.3.Mơ hình siêu mạng điện 47 Hình 3.4 Cấu trúc vùng siêu mạng điện Graphene không gian 3D với 48 Hình 3.5 Vận tốc nhóm phụ thuộc vào góc tới trường hợp độ lớn tĩnh điện đặt vào khác nhau: Φ = (đường chấm gạch), Φ = (đường liền đỏ), Φ = 18 (đường gạch xanh)50 LỜI MỞ ĐẦU Lí chọn luận văn Cơng nghệ bán dẫn đại với transistor truyền thống phát triển mạnh mẽ nửa cuối kỷ 20 Bằng chứng cho phát triển định luật Moore với tăng theo hàm mũ mật độ transistor chip điện tử silicon Tuy nhiên, mật độ transistor đạt đến giới hạn mà nguyên lý hoạt động transistor cổ điển khơng cịn nữa, vấn đề mà nhà vật lý công nghệ lo ngại tiếp tục giảm kích thước „bóng bán dẫn‟ Carbon, nguyên tố sống, với tính chất độc đáo kỳ vọng vật liệu sở cho công nghệ tương lai Nhiều người tin rằng, carbon thay silic, công nghệ bán dẫn truyền thống thay cơng nghệ nano dựa ngun tắc hồn toàn Các cấu trúc nano nguyên tố carbon cầu Fullerenes C 60 (Fullerenes carbon ball C 60 ), ống nano carbon (carbon nanotube), dải nano carbon ( carbon nanoribbon ), nghiên cứu sôi lĩnh vực vật lý nano, thập kỷ qua Mà, Graphene xem sở cấu thành cấu trúc Graphene có nhiều tính chất đặc biệt so với vật liệu thông thường Thứ nhất, lượng thấp electron biểu hạt tương đối tính khơng khối lượng, vận tốc khoảng 1/300 lần vận tốc ánh sáng Hàm sóng electron có cấu trúc spinor hai thành phần hướng spinor có liên quan đến hướng xung lượng nguyên nhân tính chirality Thứ hai, khả truyền dẫn đặc biệt tốt Graphene Độ linh động electron Graphene ( tiêu chí để xác định vật liệu dẫn điện tốt) đạt tới ������/�� cao hẳn so với độ linh động electron silicon ( cỡ ���� ���/��) hay GaAs( cỡ ���� ���/��) Ngoài ra, graphene vật liệu dẫn cực mỏng, suốt, bền mặt học, dẫn nhiệt tốt Do đó, Graphene kỳ vọng thay cho vật liệu bán dẫn thông thường nhiều ứng dụng, từ sản xuất vi xử lý tốc độ cao đến cảm biến sinh học Việc nghiên cứu ứng dụng graphene bắt đầu nghiên cứu tính chất electron cấu trúc khác Graphene : carbon nanoribbon, quantum dot, p-n junction, hay siêu mạng Thông thường người ta chế tạo siêu mạng cách điều chỉnh gian cầm electron công nghệ tương tự công nghệ hút bám nguyên tử bề mặt Graphene Ngày công nghệ đại sử dụng kính hiển vi qt đường ngầm STM để quan sát cấu trúc bề mặt vật rắn với độ phân giải lên tới cấp độ nguyên tử, người ta đặt vào điều chỉnh tạp chất hợp lý để tạo cấu trúc siêu mạng ý muốn, với độ xác cực cao Bên cạnh đó, có phương pháp đơn giản làm tạo điện áp địa phương ( tức đặt vào điện áp khơng đổi với chu kỳ tuần hồn đó), electron tuần hoàn siêu mạng Ngoài ra, phương pháp độc đáo sử dụng, ban đầu người ta tạo lớp chất có hình dạng siêu mạng muốn tạo thành Sau đó, người ta cấy lên bề mặt lớp graphene cách tạo siêu mạng graphene Ngày nay, người ta sử dụng kính hiển vi quét đường ngầm STM để điều chỉnh tạp chất graphene đặt lên lớp chất tạo đạt cấu trúc siêu mạng mong muốn Với cơng nghệ này, người ta tạo siêu mạng graphene có chu kỳ nhỏ 5nm Mơ hình siêu mạng phổ biến hay quan tâm mơ hình Kronig- Penney ( tức mơ hình gồm bờ vng góc xếp tuần hồn theo phương đó) Với mơ hình KronigPenny cho siêu mạng điện Bai Zhang [6] khảo sát phụ thuộc hệ số truyền qua vào góc tới lượng tới hạt, đồng thời tính độ dẫn hệ Nhóm Abedbour tính độ dẫn hệ siêu mạng trật tự graphene Nhóm Park với mơ hình Kronig- Penney vận tốc nhóm có tính dị hướng cao tính chirality Trong vận tốc nhóm theo phương tuần hồn khơng đổi( vận tốc Fermi), vận tốc nhóm xét theo phương vng góc với nhỏ vận tốc Fermi Với siêu mạng graphene sử dụng có dạng hàm sin, Brey Fertig [10] tính chirality dẫn tới điều đặc biệt xuất trạng thái lượng không phương trình Dirac, xuất thêm nhiều điểm Dirac nằm đối xứng qua điểm Dirac theo phương xung lượng ngang Ngồi siêu mạng cịn tạo thành bờ từ Siêu mạng từ graphene cấu thành cách áp sắt từ lên bề mặt graphene theo phương định tạo thành tuần hoàn Trong luận văn sử dụng phương pháp Transfer (T) matrix quen thuộc, chúng tơi bước đầu tìm hiểu cấu trúc lượng siêu mạng graphene hai lớp ( bilayer graphene) với tĩnh điện tuần hoàn dạng Kronig- Penney Vì tơi chọn tên luận văn: “Cấu trúc vùng lượng siêu mạng Graphene hai lớp” Mục tiêu luận văn Tìm hiểu tính chất vật lý graphenevà bước đầu học cách tính tốn cấu trúc vùng lượng siêu mạng Graphene hai lớp Phƣơng pháp nghiên cứu luận văn Luận văn chủ yếu sử dụng lý thuyết bloch kết hợp với phương pháp T-ma trận Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận văn -Đối tượng nghiên cứu : Graphene hai lớp tác dụng tĩnh điện tuần hoàn dạng Kronig- Penney - Phạm vi nghiên cứu : Cấu trúc vùng lượng siêu mạng Graphene hai lớp Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan tính chất điện tử Graphene đơn lớp Chương 2: Cấu trúc vùng lượng Graphene hai lớp Chương 3: Trình bày kết thảo luận cấu trúc vùng lượng siêu mạng Graphene lớp với điện dạng Kronig - Penney CHƢƠNG TỔNG QUAN CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN CỦA GRAPHENE ĐƠN LỚP Để làm rõ tính chất đặc biệt graphene giới thiệu phần mở đầu, đồng thời làm sở cho tính tốn giải thích tượng vật lý siêu mạng graphene trình bày phần tiếp theo, tơi xin giới thiệu vài đặc trưng graphene cấu trúc vùng lượng tính chất điện tử 1.1 Cấu trúc vùng lƣợng Cấu trúc vùng lượng Graphene tính tốn phương pháp gần liên kết mạnh so sánh kết nhận với phương pháp ab- initio Hàm sóng electron gần liên kết mạnh viết dạng: �� �, � = �=� �� ,� � �� (�, �)(1.1.1) �� ,� hệ số khai triển Có M dãy lượng khác lượng trạng thái điện tử E dãy thứ j tính : �� � = �� � �� / �� �� Dưới dạng đơn giản nhất, lượng �� với hệ số khai triển �� tạo thành : ��� = �� ��� Trong đó: �� vecto cột, �� � = (�� , �� , … , ��� ) (1.1.2) Ma trận tích phân chuyển đổi H ma trận tích phân chéo S MxM với nhân tố xác định sau : � �� ′ = �� � ��′ ��� ′ = �� ��′ (1.1.3) Dãy lượng �� xác định phương trình giá trị riêng suy rộng (1.1.2) cách giải phương trình : �� � � − �� � = (1.1.4) Ở „det‟ gọi định thức ma trận Các yếu tố ma trận tính trực định nghĩa : � − �) � (� − � ) � = � � (� (1.1.5) ... đơn lớp Graphene hai lớp 27 Hình 2.2 : Cấu trúc vùng lượng graphene đơn lớp 33 Hình 2.3 (a) Cấu trúc vùng lượng graphene hai lớp .34 Hình 2.3 (b): Cấu trúc vùng lượng Graphene hai lớp. .. tìm hiểu cấu trúc lượng siêu mạng graphene hai lớp ( bilayer graphene) với tĩnh điện tuần hồn dạng Kronig- Penney Vì tơi chọn tên luận văn: ? ?Cấu trúc vùng lượng siêu mạng Graphene hai lớp? ?? Mục... GRAPHENEHAI LỚP 27 2.1 Cấu trúc tinh thể 27 2.2 .Cấu trúc vùng lượng .28 2.3 Sự khác biệt graphene đơn lớp graphene hai lớp 32 CHƢƠNG CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƢỢNG