5. Bố cục của luận văn gồm
1.5. Sự lai hóa giữa vật liệu nano Si và Ge
Sự lai hóa của hai bán dẫn vùng cấm xiên Si và Ge tạo thành hợp kim Si-Ge thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và công nghệ bởi nhiều đặc tính ưu việt như khả năng điều chỉnh cấu trúc vùng năng lượng, độ linh động của hạt tải cao. Trên nền tảng Si, loại vật liệu này tận dụng được công nghệ chế tạo vi điện tử bán dẫn hiện đại, đây là cơ sở cho việc phát triển những loại linh kiện bán dẫn với thời gian đáp ứng nhanh trên cơ sở vật liệu Si truyền thống.
Vật liệu lai hóa SiGe đang được đặc biệt quan tâm của nhiều phòng thí nghiệm lớn trên thế giới. Các nhóm nghiên cứu mạnh về vấn đề này có thể kể ra như nhóm nghiên cứu của giáo sư T. Gregorkiewicz từ Viện van der Waals- Zeeman (WZI), Đại học Amsterdam (Hà Lan): nghiên cứu các hiệu ứng nhân hạt tải điện trong hệ vật liệu thấp chiều bao gồm Si và Ge; các nghiên cứu về khả năng ứng dụng vật liệu nano Ge nhóm nghiên cứu của giáo sư L. Tsybeskov; nghiên cứu linh kiện quang điện Ge và Si của nhóm nghiên cứu của giáo sư J. Michel từ phòng thí nghiệm công nghệ Massachuset (MIT) Mỹ, nhóm nghiên cứu của giáo sư A. J. Nozik và V. I. Klimov từ phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ về năng lượng tái tạo và ĐH Colorado, nhóm nghiên cứu lý thuyết về vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên Si và Ge của giáo sư C. Delerue từ Viện điện tử, vi điện tử và công nghệ nanô (Pháp), nhóm nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Si, Ge và vật liệu lai hóa SiGe của giáo sư M. Fujii từ ĐH Kyoto (Nhật Bản).
Việc nghiên cứu tích chất quang, điện tử của vật liệu Si và Ge cũng được quan tâm tại một số phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu có uy tín ở Việt Nam. Có thể kể tới lý thuyết về độ linh động và các cơ chế tán xạ của lỗ trống trong vật liệu lượng tử Si/SiGe/Si giàu Ge của nhóm nghiên cứu lý thuyết thuộc nhóm nghiên cứu của GS.TS. Đoàn Nhật Quang tại Trung tâm Vật lý Lý thuyết, Viện Vật lý. PGS.TS. Vũ Ngọc Tước, PGS.TS. Nguyễn Huyền Tụng, Bộ môn Vật lý Lý thuyết, Viện Vật lý Kĩ Thuật, các nghiên cứu về dây nano Si bằng phương pháp phún xạ catốt nhóm được nghiên cứu thực nghiệm bởi PGS.TS. Nguyễn Hữu Lâm, Viện Vật lý Kĩ
Thuật, các nghiên cứu về chế tạo và tính chất quang của các loại vật liệu Si có cấu trúc thấp chiều bởi PGS.TS. Phạm Thành Huy, Viện Tiên tiến về Khoa học Công nghệ, Đại học Bách Khoa Hà Nội, và một số nhóm nghiên cứu từ các Trường ĐH và các Viện nghiên cứu khác.
Khoa học và Công nghệ Nano đã được nghiên cứu và phát triển từ cuối thế kỷ XX. Cho đến nay, Công nghệ nano có ảnh hưởng lớp đến hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống và nó cúng hứa hẹn nhiều khả năng ứng dụng mới trong tương lai. Vì vậy, hiện nay các nghiên cứu về đặc tính của vật liệu nano cũng như triển vọng ứng dụng đã và đang được thu hút nghiên cứu bởi các nhà khoa học trong nước và ngoài nước. Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước cấu trúc cỡ nano (kích thước các hạt vật liệu nằm trong khoảng 0,1 đến nhỏ hơn 100 nm), chúng có rất nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối.
Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng khi kích thước của vật rắn giảm xuống một cách đáng kể theo 1 chiều, 2 chiều, hay cả 3 chiều thì các tính chất vật lý có thể thay đổi khác với tính chất của chúng ở dạng khối. Tính chất vật lý của vật liệu có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hình dạng và kích thước cỡ nm của chúng. khi kích thước vật liệu giảm xuống cỡ nm, khi đó sẽ xuất hiện hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng giam giữ lượng tử. Đặc tính thú vị này đã và đang thu hút các nhà khoa học tập trung nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano trở thành đối tượng chính trong các nghiên cứu cơ bản cũng như các nghiên cứu ứng dụng trong thực tế.
Trong các hệ cấu trúc thấp chiều, tính chất quang học của chất bán dẫn vùng cấm xiên này có thể được tăng cường bởi sự giam cầm lượng tử. Các hiệu ứng này bao gồm việc giảm thời gian tái hợp phát xạ của các cặp điện tử - lỗ trống, do đó tăng khả năng phát xạ tái hợp vùng vùng - tái hợp exciton, và khả năng điều chỉnh được bước sóng phát xạ. Hơn nữa, các cấu trúc thấp chiều có thể giúp nâng cao hiệu quả của quá trình tương tác lưỡng cực giữa các hạt tải, chẳng hạn như tái hợp Auger và hiệu ứng nhân hạt tải điện - quá trình sinh ra nhiều hơn một cặp điện tử lỗ trống với chỉ một photon ánh sáng hấp thụ. Trong đó, hiệu ứng nhân hạt tải điện có thể giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của các hệ pin mặt trời thế hệ mới.
Khi mà điểm năng lượng thấp trong vùng dẫn tại điểm trong vùng Brillouin của Si liên quan đến quỹ đạo p không liến kết, trật tự của tiểu vùng dẫn tại vị trí này trong Ge được bảo toàn, với mức năng lượng thấp nhất phản liên kết vùng dẫn quỹ đạo s. Điều này tạo cho Ge gần giống như loại bán dẫn vùng cấm thẳng.
Mức năng lượng vùng cấm thẳng 0,8 eV; cao hơn 0,14 eV so với mức năng lượng vùng cấm xiên thấp nhất của Ge tại điểm L trong vùng Brillouin. Sự chuyển tiếp quang điện tử vùng dẫn thẳng có thể xảy ra ở các tiểu vùng có mức năng lương cao hơn như 2,3; 3,2 và 4,6 eV tại các điểm L, , và X trong vùng Brillouin của Ge. Điều này làm tăng tiết diện hấp thụ của vật liệu trong phổ phát xạ của mặt trời.
Cũng cần thiết đề cập thêm ở đây rằng với sự khác biệt nhỏ, cấu trúc vùng năng lượng của Ge có thể đưa ra một khả năng chuyển đổi từ cấu trúc vùng năng lượng xiên thành cấu trúc vùng năng lượng thẳng. Sự pha trộn giữa hai vật liệu Si và Ge nhằm đem lại những thay đổi trong cấu trúc vùng năng lượng hay độ rộng vùng cấm phù hợp, tăng khả năng tận dụng tối đa năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng.