intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu tính chất quang của các chấm lượng tử CdS và CdS:Mn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:49

Thêm vào BST
Báo xấu
28
lượt xem 5
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Độ rộng năng lượng vùng cấm được mở rộng khi kích thước hạt nhỏ hom bán kính Bohr, dẫn tới làm dịch đỉnh phổ hấp thụ về phía sóng xanh và làm tăng đáng kể quá trình phát quang và xúc tác quang hoá. Hiện tượng này đóng vai trò to lớn trong việc ứng dụng các hạt nano tinh thể bán dẫn vào các linh kiện quang điện từ như diod phát sáng (LEDs), laser, các linh kiện sử dụng trong viễn thông như khuy ếch đại quang và dẫn sóng, trong các máy tính lượng tử (ứng dụng để làm màn hình với năng suất phân giải rất cao). Mời các bạn cùng tìm hiểu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu tính chất quang của các chấm lượng tử CdS và CdS:Mn

  1. Đ Ạ I H Ọ C TH ÁI N G U Y ÊN K H O A K H O A H Ọ C T ự N H IÊN V À X Ã HỘI ----------------------- ^ £ D .e r----------------------- M AI TH Ị ĐÀO NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdS VÀ CdS:Mn Ịì- - J í £ - ĐẠI H Ọ C THÁI N G U Y Ề N KHOA KHOA HỌC Tự NHIÊN VÀ XẢ HỘI K H Ó A L U Ậ T O Ỡ T Y ltậíỂ Ệ P đỊạI h ọ c N G À N H V Ậ T LÝ C H U Y Ê N NG ÀN H : V ật L ý C hất Rắn L Ớ P : C Ử NH Â N LÝ K2 C án bộ hư óug dẫn: T h .s. N guyễn X uân Ca THÁI N G U Y Ê N -2 0 0 8
  2. LỜI CẢM ƠN Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình đến Th.s Nguyễn Xuân Ca - giảng viên Vật lý Khoa khoa học tự nhiên và xã hội, Đại học Thái Nguyên đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này. Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn của mình đến Bộ Giáo dục và Đào tạo, Trường Đại học Thái Nguyên, Khoa khoa học tự nhiên và xã hội, những nơi đã tạo điều kiện cho em được học tập và làm khóa luận tốt nghiệp. Nhân dịp này, em cũng xin được dành những lời cảm ơn chân thành của mình đến các thầy cô giáo của Khoa khoa học tự nhiên và xã hội, các thầy cô trong bộ môn vật lý đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản, giúp đỡ em nhiệt tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện khóa luận này. Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ sự biết ơn chân thành đến tất cả các bạn sinh viên lớp lý K2 Khoa khoa học tự nhiên và xã hội, Đại học Thái Nguyên đã luôn luôn ủng hộ, động viên, giúp đỡ và góp ý cho tôi ừong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận này. Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008 Sinh viên Mai Thị Đào Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  3. M ỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1 CHƯƠNG I.TỘNG QUAN LÝ TH U Y ẾT.............................................................3 1.1. Vài nét về chất bán dẫn................................................................................... 3 1.2. Các hệ bán dẫn thấp ch iều ..............................................................................4 1.3. Các trạng thái điện tử trong chấm lượng tử bán d ẫ n ...................................7 1.4. Các chế độ giam giữ trong chấm lượng tử .................................................. 11 1.4.1. Chế độ giam giữ m ạnh...........................................................................11 1.4.2. Chế độ giam giữ trung g ian .................................................................. 13 1.4ế3. Chế độ giam giữ y ếu ............................................................................. 13 1.5. Dịch chuyển quang học trong chấm lượng t ử .......................................... 14 1.6 . Một số cấu trúc tinh thể thường g ặ p ............................................................15 1.6.1 ắ Cấu trúc mạng lục giác W urtzte...........................................................15 1.6.2. Cấu trúc mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl................................ 16 1 .6.3. Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm kiểu sphaleit ............................ 17 1.7. Cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử CdS, C dS:M n..................................17 1.8 . Tính chất quang của ion Mn2+.......................................................................18 CHƯƠNG II.CÁC KĨ THUẬT T H ựC NGHIỆM ...............................................21 2.1. Các phương pháp chế tạo m ẫu..................................................................... 21 2.1.2. Phương pháp sol - gel............................................................................21 2.1.2. Phương pháp Micelle đảo...................................................................... 22 2.2. Các phương pháp đo thực nghiệm ............................................................... 22 2.2.1. Quang phổ hấp thụ và phổ truyền qua................................................. 22 2.2ẽ2. Hệ đo phổ hấp th ụ .................................................................................. 25 2.2ẵ3. Phổ quang huỳnh quang.........................................................................26 CHƯƠNG III.KÉT QUẢ VÀ THẢO LU Ậ N .... ................................................. 29 3.1 .Chế tạo chấm lượng tử CdS và CdS:Mn2+bằng phương phápMicelle đảo29 3.1.1.Chế tạo lõi C d S ........................................................................................ 30 3.1.2..Chế tạo lõi Cd0)6Mn04 S .......................................................................... 31 3.1Ế3ẾTạo vỏ bọc Z nS .......ẽ.............................................................................. 32 3Ể2. Tính chất hấp thụ của các chấm lượng từ C d S ...........................................33 3.3. Tính chất hấp thụ của các chấm lượng tử CdS: M n................................... 35 3.4. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS............................................36 3.5. Phổ Huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS: Mn2+............................... 38 3.6. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS:Mn2+/Z nS ........................ 40 KẾT L U Ậ N ............................................................................................................... 43 TÀI LIỆU THAM K H Ả O ........................................................................................45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  4. KHòa luặn tỡt nghiệp LỜI M Ở ĐẨU Lý do chọn đề tài Bước sang thế kỷ 21, các nước trên thế giới đang tích cực nghiên cứu và chuẩn bị cho ra đời một lĩnh vực khoa học công nghệ mới mà tầm cỡ của nó được đánh giá ngang tầm với các cuộc cách mạng công nghiệp trong lịch sử, đó là công nghệ nano. Các nano tinh thể - chấm lượng tử(QDs) là những tinh thể nhân tạo, có kích thước cỡ nano mét. Độ rộng năng lượng vùng cấm được mở rộng khi kích thước hạt nhỏ hom bán kính Bohr, dẫn tới làm dịch đỉnh phổ hấp thụ về phía sóng xanh và làm tăng đáng kể quá trình phát quang và xúc tác quang hoá. Hiện tượng này đóng vai trò to lớn trong việc ứng dụng các hạt nano tinh thể bán dẫn vào các linh kiện quang điện từ như diod phát sáng (LEDs), laser, các linh kiện sử dụng trong viễn thông như khuy ếch đại quang và dẫn sóng, trong các máy tính lượng tử (ứng dụng để làm màn hình với năng suất phân giải rất cao). Đặc biệt khả năng ứng dụng cao trong việc dánh dấu các mã vạch cũng như trong công nghệ sinh học và hiện ảnh các tế bao. Vật liệu CdS được quan tâm nghiên cứu rộng rãi do độ rộng vùng cấm của bán dẫn khối là 2.5 eV tương ứng với vùng ánh sáng nhìn thấy, hiệu suất lượng tử cao, có khả năng điều chỉnh các đặc trưng quang học theo kích thước nên các chấm lượng tử CdS có thể đưa vào sản suất các nguồn laser mới, các thiết bị phát sáng. Đe làm giảm huỳnh quang của trạng thái bề mặt do các nano tinh thể gây ra và đặc biệt là tạo ra các nano tinh thể có thể phát xạ với giải phổ từ 460 - 480 nm với phân bố kích thước tương đối hẹp thì các hạt nano tinh thể CdS, CdS:Mn2+ đã bọc thêm lớp vỏ ZnS [4], Mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu về chấm lượng tử CdS nhưng do ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến chất lượng và hiệu suất phát quang của các chấm lượng tử nên đòi hỏi các nhà khoa học luôn mong muốn chế tạo ra vật M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  5. Rtioa luạn tdt nghièp liệu ưu việt. Với mong muốn tìm hiểu lý thuyết cũng như bước đầu nghiên cứu qui trình chế tạo chấm lượng tử CdS, chúng tôi tiến hành “tìm hiểu tính chất quang của các chấm lượng tử CdS, CdS:Mn, CdS:M n/ZnS\ Với mục đích chế tạo và nghiên cứu các hiệu ứng lượng từ bằng các phép đo quang. Đối tượng nghiên cứu: Các chấm lượng tử CdS,CdS/ZnO, CdS:Mn, CdS:Mn/ZnS”. Nội dung và phương pháp nghiên cứu: - Chế tạo các chấm lượng tử CdS,CdS/ZnS, CdS:Mn, CdS:Mn/ZnS bằng phương pháp micelle đảo. - Nghiên cứu các tính chất quang của các chấm lượng tử qua phép đo phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang. Khóa luận gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan lý thuyết Chương 2: Các kĩ thuật thực nghiệm. Chương 3:Tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdS, CdS:Mn M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  6. Khóa luân tõt nghiệp CHƯƠNG I TỎNG QUAN LÝ TH UYÉT l . l ẵ V ài nét về chất bán dẫn [10] [11] Vật liệu bán dẫn được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học, kĩ thuật và công nghiệp. Vật liệu bán dẫn rất đa dạng và cũng có nhiều cách để phân loại chúng. Các tính chất của các chất bán dẫn phụ thuộc trước tiên vào thành phần hoá học của chúng và sau đó là phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng. Các chất bán dẫn có thể là đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc là các chất vô định hình. Thông thường có các chất bán dẫn thông dụng nhất như: silic, germani, hợp chất AmBv, hợp chất AnBVI và nhiều hợp chất hữu cơ khác. Các chất bán dẫn thông dụng thường kết tinh theo mạng tinh thể lập phương tâm mặt. N ăng lượng Điện môi Bán dẫn Kim loại H ình l . l ẻ Cấu trúc vùng năng lượng cùa vật liệu v ề tính dẫn điện, các chất bán dẫn có giá trị điện trở suất nằm trung gian giữa chất cách điện và kim loại. Điện trờ suất của kim loại khoảng 10' 8 - 1 0 '6 Qm, điện trở suất cùa bán dẫn trong khoảng 10 "4 - 1 0 10 Qm (trong đó cadimi suníua có thể có điện trở suất trong khoảng 1 0 '5 - 1 0 10 fìm ), các vật liệu có điện trở suất lớn hơn 108 Qm được coi là điện môi. Ngoài ra, khác với kim loại, trong một khoảng nhiệt độ xác định, điện trờ của chất bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng. M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  7. Khóa luận tốt nghiệp Cấu trúc vùng năng lượng của các chất bán dẫn bao gồm vùng hoá trị bị lấp đầy hoàn toàn và vùng dẫn bị bỏ trống hoàn toàn được phân cách nhau bởi vùng cấm có độ rộng không lớn lắm và chỉ cách điện thực sự ở nhiệt độ T=0K. Ở nhiệt độ T * OK chuyển động nhiệt trong chất rắn có thể truyền cho electron một năng lượng đủ để nó chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại các trạng thái trống trong vùng hoá trị. Dưới tác dụng của một điện trường không cần mạnh lắm, các electron trong vùng hoá trị có thể đến chiếm các trạng thái trống và tham gia vào quá trình dẫn điện, số các trạng thái trống này trong vùng hoá trị bằng số electron trong vùng dẫn. Nhiệt độ càng tăng thì số electron và số trạng thái trống này càng tăng. l ẻ2. Các hệ bán dẫn thấp chiều [11] Cấu trúc thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một mặt phẳng, một đường thẳng hay một điểm, tức là ta hạn chế chuyển động của các electron theo ít nhất là một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng deBroglie của nó (cỡ nm). Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi kích thước của vật rắn giảm xuống một cách đáng kể theo 1 chiều, 2 chiều, hoặc cả 3 chiều, các tính chất vật lý: tính chất cơ, nhiệt, điện, từ, quang có thể thay đổi một cách đột ngột. Các tính chất của nano có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hình dạng và kích thước cỡ nm của chúng. Sự giảm kích thước xuống cỡ nanomét xảy ra hiệu ứng giam giữ lượng tử mà ở đó các trạng thái electron cũng như các trạng thái dao động trong hạt nano bị lượng tử hoá. Các trạng thái bị lượng tử hoá trong cấu trúc nano sẽ quyết định tính chất điện và quang nói riêng, tính chất hoá học nói chung của cấu trúc đó. Trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng khái niệm giam giữ lượng tử các hạt tải điện trong vật rắn thấp chiều [ 1 1 ]. Đối với hệ ba chiều hay là bán dẫn khối, các electron trong vùng dẫn (và các lỗ trống trong vùng hóa trị) chuyển động tự do trong khắp tinh thể, do M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  8. Khỏa luận tỗt nghiệp lưỡng tính sóng hạt, chuyển động của các hạt tải điện có thể được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng trải khắp vật rắn. Năng lượng của electron tự do phụ thuộc vào vectơ sóng k theo hàm parabol và các trạng thái phân bố gần như liên tục. Mật độ trạng thái ti lệ với căn bậc hai của năng lượng. ( 1 . 1) Người ta tạo ra được cấu trúc điện tử hai chiều (hay giếng thế lượng tử- quantum well) bằng cách tạo một lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Các electron bị giam trong lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và như vậy chuyển động của chúng là chuyển động hai chiều, còn sự chuyển động theo chiều thứ ba đã bị lượng tử hoá mạnh. Năng lượng ứng với hai hàm sóng riêng biệt, nói chung là khác nhau và không liên tục. Điều đó có nghĩa là năng lượng của hạt không thể nhận giá trị tùy ý, mà chỉ nhận các giá trị gián đoạn. Năng lượng của hạt là: 2m 8n 2m Nếu thay kz=nzAk với A kz= 7t/Lz, ta đươc: E =- — ( 1.2 ) “ 8 mL Mật độ trạng thái theo năng lượng có dạng: * (1.3) với 0 là hàm bậc thang Heaviside. Tiếp tục như vậy, ta có thể hình thành nên cấu trúc một chiều (quantum wire-dây lượng tử) bằng cách thu nhỏ kích thước của vật rấn theo phương y và z. Khi đó, các electron chỉ có thể chuyển động tự do theo phương X, còn chuyển động của chúng theo phương y, z bị giới hạn bởi các mặt biên của vật. Trong hệ này, các hạt tải điện có thể chuyển động tự do theo một chiều và M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  9. Khoa luạn tõt nghiệp chiếm các trạng thái lượng tử hóa ở hai chiều còn lại. Sự phân bố năng lượng theo phương song song với trục kz là liên tục. Trong khi đó, các trạng thái ky, kz bị lượng tử hóa, nhận các giá trị gián đoạn. Lúc này, năng lượng toàn phần là tổng các mức gián đoạn theo hai chiều bị giam giữ và liên tục theo chiều dài của d â y [ll]. Điều này dẫn đến mật độ trạng thái của hệ một chiều có dạng: (1.4) g u ( E > ' »^« n nxỵ,ny yịIL I E -ÈClnx „ ,ny „ Mật độ này rất đặc biệt vì nó phân kì khi động năng nhỏ (ở đáy các tiểu vùng nx, ny) và giảm khi động năng tăng. Đối với hệ không chiều (chấm lượng tử-quantum dots) các electron bị giới hạn trong cả ba chiều và không thể chuyển động tự do. Như vậy, các mức năng lượng bị gián đoạn theo cả ba chiều trong không gian. Với một hệ lý tưởng mật độ trạng thái là tổng của các hàm delta: g ữd{E) = 2 ỵ ô { E - E nx^ nz) (1.5) nx ,ny ,nz Các cấu trúc thấp chiều có nhiều tính chất mới lạ so với cấu trúc thông thường, cả về tính chất quang, điện cũng như mật độ trạng thái. / \1 / > y / g(E) g(E) -* E -> E a. c. H ình 1.2ẾMật độ trạng thái theo năng lượng trong các hê lượng tử với số chiều khác nhau: a. Hệ ba chiều (bán dẫn khối); b. Hệ hai chiều ( giếng lượng tử); c. Hệ một chiêu (dây lượng tử); c. Hệ không chiều (chấm lượng tử). M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  10. Khỏa luận tõt nghiệp l ề3. Các trạng thái điện tử trong chấm lượng tử bán dẫn M ột chấm lượng tử thường được miêu tả như là một nguyên tử nhân tạo bởi vì điện tử bị giam giữ về mặt chiều thì giống như là trong một nguyên tử và có các trạng thái năng lượng gián đoạn. Gần đây, đã có nhiều nỗ lực được tiến hành để có thể chế tạo ra các chấm lượng tử với các hình dạng hình học khác nhau, để có thể khổng chế được hàng rào thế giam giữ các điện tử (và các lỗ trống) (Williamson, 2002). Các mức năng lượng gián đoạn sinh ra các phổ hấp thụ, các phổ phát xạ hẹp và nhọn đối với các chấm lượng tử, thậm chí ngay tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, cũng cần phải lưu ý rằng điều này là lý tưởng, và các phổ do dịch chuyển quang học cũng bị mở rộng đồng nhất và bất đồng nhất. Do tỷ lệ lớn giữa thể tích và diện tích bề mặt của các nguyên từ của các chấm lượng tử, nên các chấm lượng từ còn biểu lộ các hiện tượng liên quan đến bề mặt. Các chấm lượng tử thường được miêu tả theo ngôn ngữ của mức độ giam giữ. Chế độ giam giữ mạnh được xác định cho trường hợp khi kích thước của chấm lượng tử nhỏ hon bán kính Bohr exciton (aB). Khi này, sự phân chia năng lượng giữa các vùng (sub-bands) là sự biến đổi các mức của các điện tử và các lỗ trống được lượng tử hoá lớn hơn là năng lượng liên kết exciton. Bởi thế, các điện tử và các lỗ trống thì thường được biểu diễn bằng các trạng thái năng lượng của các vùng sub-bands của chúng. Khi kích thước của chấm lượng tử tăng, sự phân chia năng lượng giữa các vùng sub-bands trở nên so sánh được một cách hiển nhiên với năng lượng liên kết exciton. Đây là trường hợp của chế độ giam giữ yếu, khi kích thước của chấm lượng tử lớn hơn bán kính Bohr exciton. Năng lượng liên kết điện tử - lỗ trống trong trường hợp này gần như là trong bán dẫn khối. Để bắt đầu xem xét về một vài tính chất của các hạt lượng tử thì cần xem xét các điện tử trong tinh thể, ở đây, cần nhớ lại bài toán từ cơ lượng từ M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  11. Khóa luận tõt nghiệp cơ bản, là một hạt trong một giếng thế năng. Chúng ta bắt đầu với hạt trong một giếng thế năng một chiều[10]. Phương trình Schrödinger độc lập về thời gian liên quan có thể viết là: ( 1.6) 2 m õx Ở đây m là khối lượng của hạt, E là năng lượng hạt, và thế năng U(x) được xem là giếng hình trụ với độ cao thành giếng là không xác định, nó là: (1.7) Trong phương trình trên, a ký hiệu cho độ rộng của giếng. Đã được biết từ cơ lượng tử là từ phương trình Schrödinger ở trên (1.6) có lời giải các loại chẵn và lẻ [ 1 0 ]. Kết quả quan trong nhất của bài toán là một tập hợp các giá trị năng lượng gián đoạn được cho bởi công thức: Khoảng cách giữa các mức năng lượng liền kề được cho bời công thức: 7ĩl h \ 2 n + \) AEn = E n+ì- E n = (1.9) 2ma2 và nó tăng theo n. Các hàm sóng đối với mỗi một trạng thái năng lượng thì triệt tiêu ở X > a. Biên độ của các hàm sóng là giống nhau, và sác xuất tổng cộng để tìm thấy một hạt ở bên trong hộp chính xác là bằng một đơn vị đối với tất cả các trạng thái. Lưu ý rằng phương trình (1.8) cho ta các giá trị động năng. Bằng cách dùng quan hệ giữa năng lượng E, momen p, và số sóng k là: ( 1. 10) M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  12. Khóa luận tôt nghiệp Chúng ta có thể viết các giá trị momen và số sóng liên quan: 7ĩh . n các đại lượng này cũng lấy các giá trị gián đoạn. Nếu có tồn tại một hạt, thì đại lượng \ịi\ụ* phải khác 0 tại một nơi nào đó. Như vậy, lời giải thoả mãn (1.6) và (1.7) với n = 0 không thể được phép, bởi vì điều này sẽ phủ nhận sự tồn tại của một hạt. Năng lượng tối thiểu mà một hạt có thể có được cho bởi: E\ - ~7 ~ 2 (1.12) 2m a Năng lượng này được gọi là năng lượng điểm zero của hạt. Nó có thể được rút ra từ kết quả của hệ thức bất định Heisenberg: ApAx>y (1.13) Một hạt bị giam chặt trong vùng không gian Ax = a. Do đó, phù hợp với (1.13), nó phải là không xác đinh nếu momen của nó có giá tri A p > -^ ~ . 2a s ố hạng sau tương ứng năng lượng tối thiểu: tương ứng với Ej trong (1.12) với độ chính xác của 7t 2/ 4 . Trong trường hợp các thành giếng có chiều cao xác định, các hàm sóng không thể bị triệt tiêu tại bờ của thành giếng, nhưng bị giảm theo hàm mũ ở bên trong vùng cấm cổ điển IX I > a/2. Sác xuất khác 0 hiện ra để tìm ra một hạt ở bên ngoài giếng. Với sự tăng n, sác xuất này tăng, số các trạng thái ở bên trong giếng được kiểm soát bởi điều kiện: a^lmƯQ > 7đi{n-1) (1.15) M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  13. Khóa luận tỗt nghiêp Ở đây U 0 là chiều cao của giếng. Điều kiện (1.15) luôn giữ đối vói n= 1. Bởi vậy, ít nhất là có một trạng thái ở bên trong giếng thế năng một chiều với bất kỳ sự liên hợp nào của a và U0. số khả năng của các trạng thái ở bên trong giếng tương ứng với giá trị cực đại n đối với (1.15) vẫn còn được giữ. Vị trí tuyệt đối của các mức năng lượng thì thấp hơn giá trị xác định U 0 được so sánh với Uo -» 00 bởi vì bước sóng hiệu dụng của hạt trở nên lớn hom. Tất cả các trạng thái với En > U 0 tương ứng với chuyển động không xác định và hình thành các trạng thái liên tục. Trong bán dẫn khối, phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng được dùng để tính toán cấu trúc điện tử của các vùng một cách đơn giản và đủ. Các lời giải của phương trình Schrödinger đối với một hạt, với hamitonien p2 Ha = - — + V(r), ở đây V(r) là thế năng tuần hoàn, đươc viết dưới dang hàm 2 ma B loch: y/vk(r) = QXỹ(ikr)uvk(r) (1.16) Ở đây U v k (r) là hàm tuần hoàn với sự tuần hoàn của thế năng V, V là chỉ số của vùng mà hạt thuộc về vùng đó. Bằng cách thay thế V |/vk(r) trong phương trình Schrödinger và dùng toán tử p = - ìh V , do thay P = -ĨÃV -» V = - —P h A 2 h2k 2 ĩikì) P 2 V2 = — , ta nhận được phương trình: —— + —Ĩ- + -Ỉ— + V Vvk = KkVvk 2m„ m„ 2m„ hay là phương trình: p2 tìk.p h 2k 2 uvk = E vkuvk (1.17) .2 m o m 0 2m 6 Các lời giải, Uvo và E vo, với k = 0, từ phương trình (1Ế17) được giả thiết là đã biếtửNhư vậy, ta có thể viết: (H 0 + k02)u vo = (Evo+ ko2)u vo (1.18) h2k 2 Với: Ho = (p /2m0) + V và K - 2 mn M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  14. Khỏa luận tôt nghiệp Như vậy, phương trình (1.18) được viết dưới dạng: (H o + kc+ — k - P > v k = E vku vk (1.19) m0 1.4. C ác chế độ giam giữ trong chấm lượng tử[12] Các hạt tải điện bị giam giữ là các điện tử và lỗ trống tương tác với nhau bởi tương tác Coulomb. Mỗi cặp hạt (i, j) có điện tích q, tại vị trí r đóng góp năng lượng tương tác Coulomb Wịj cho hệ bằng: Wịj (rằ,rằ) = — -------\I ~~ ^ ~ \ Iri 0 -2°) J 4 n n r e 0 |r , - r y ¿ 1 'TT'Tr c Với £0 là hằng số điện môi chân không. Khi qi = qj, các hạt tải chịu một lực đẩy, nó làm tăng tổng năng lượng của hệ hạt. Khi qj = - qj, năng lượng của hệ hạt giảm đi và một exciton được tạo thành. Exciton là một chuẩn hạt trung hoà về điện. Có ba chế độ giam giữ có thể được định nghĩa để so sánh về tầm quan trọng và vai trò của tương tác Coulomb với các hiệu ứng gây bởi sự lượng tử hoá năng lượng. 1.4.1ẼChế độ giam giữ mạnh Chế độ giam giữ mạnh ứng với trường hợp bán kính của chấm lượng tử nhỏ hơn nhiều so với bán kính Borh exciton (Ro
  15. Khỏa luận tôt nghiệp Mômen dịch chuyển lưỡng cực giữa một điện tử ở trạng thái m và một lỗ trống ở trạng thái n tới trạng thái cơ bản g được xác định không phụ thuộc vào Ro: = Pcvômn (l 21) Với pcv là phần tử của ma trận dịch chuyển lưỡng cực, hàm delta ô mô tả qui tắc chọn lọc các hàm bao. Nếu khối lượng điện tử và lỗ trống là khác nhau và thế giam giữ là hữu hạn thì thừa sổ này gần bằng 1 đối với các dịch chuyển được phép. Phổ hấp thụ của chấm lượng tử trong trường hợp giam giữ mạnh có dạng: Enl=Eg+:^ / nl (L22) * * Trong âó ụ = memẰ- là khối lượng rút gọn của cặp điện tử lỗ trống. me + mh Năng lượng của trạng thái cơ bản của điện tử - lỗ trống được biểu diễn dưới dạng: *2 2 2 = E g+ !LJLĨ -1,8^-2 - ° ’248£* 0 -23) Ip R ị sRị Vớ 8 là hằng số điện môi tinh thể, ER là năng lượng Rydberg, aB là bán kính Borh exciton: r- _ e 2 _ » a B - 2 2 aB ụe Cường độ dao động của sự dịch chuyển một điện tử và lỗ trống ở trạng thái n tới trạng thái cơ bản g trong chế độ giam giữ mạnh là: f sc = Ĩ Ỵ n p 2 (124) Trong đó m 0 là khối lượng điện từ tự do. M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  16. Khỏa luận tôt nghiệp 1.4.2ệ Chế độ giam giữ trung gian ứ n g với trường hợp bán kính chấm lượng tử nằm trong khoảng aB A. A7ISr S(\ h Trong đó: ah = ; u rnh Hàm sóng điện tử - lỗ trống là hàm gián đoạn có dạng: mômen dịch chuyển lưỡng cực là nhỏ so với PCv(4aB). Trong trường hợp này, các điện tử và lỗ trống tạo thành các cặp và chuyển động khối tâm của chúng bị lượng tử hoá bởi thế giam giữ và chuyển động của hạt tải sẽ bị chi phối bởi tương tác M ai Thị Đào- L ớp CNLý K2 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  17. Khóa luận tồt nghiệp Coulomb. AEe và AEh là gần bằng hay lớn hơn Ec. Chuyển động tương đối của hạt tải sẽ được biểu diễn dưới dạng: f > /1/ 2 / \ Y e - r h\ (1.27) rh ) = exp __2 \ JlaB ) \ ữ Dn / Năng lượng liên kết exciton có dạng: p p h X„1 (1.28) ¿ i s i s - t g — 2 +~ĩ— ™ nz 2 2MRữ Trong đó M = me + mh. Với n = 1, m = 1, 1 = 0 ta có năng lượng của . . . X í _ _ h 2n 2 trạng thái thâp nhât là: £ lslí = E - E R + -—— (1.29) 2 AŨL í Hay: £ 151í = E g + E R l - i i (1.30) M Cường độ dao động exciton trong chấm lượng tử hình cầu ứng với dịch chuyển ở trạng thái cơ bản là: 2m0(ùn 2 8 R„ Jn + r cv 2 -y ; « = 1,2,3. ( l ễ31) h n \ B / n Như vậy, cường độ dao động giảm đi đối với các dịch chuyển cao hơn, và tăng lên khi kích thước của chấm lượng tử tăng lên. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng khi phép gần đúng lưỡng cực điện được giữ, tức là khi exp(i q Ro)«1, với q là vectơ sóng của trường bức xạ, và bị phá vỡ khi Ro lớn. 1.5ắ Dịch chuyển quang học trong chấm lượng tử [12] Các dịch chuyển quang học đom giản nhất trong một chấm lượng tử hình cầu được chỉ ra trong hình 1.3. Một chấm lượng tử ở trạng thái cơ bản có thể hấp thụ một photon có năng lượng Ex để tạo ra một exciton (a). Sau khi M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  18. Khóa luận tốt nghiệp exciton được tạo thành , chấm lượng tử không thể hấp thụ thêm một photon có năng lượng Exx - Ex (b) và sau đó tạo thành một lưỡng exciton. |lS ,lS ,lS 3 /2 ,ls3/2> Exx |lp,ls3/2> Ịls , lp3/2> E* ịlS,lS3/2> (a) (c) (d) (e) Ngược lại, trạng thái lưỡng cực exciton có thể phân ra thành một photon và một excỉton, rồi sau đó exciton phân ra thành một photon có năng lượng Ex. Các điện tử và lỗ trống tạo nên cặp exciton có spin đối nhau. Với quá trình hấp thụ phi tuyến hai photon một lưỡng exciton có thể tạo ra bằng sự hấp thụ hai photon có năng lượng (Ex + Exx)/2 (c). Khi các dịch chuyển hai photon bao gồm sự thay đổi của số lượng tử quĩ đạo tổng là 0 và 2 thì sự tạo thành một exciton |l p ,ls 3/2> hoặc 11 s, lp 3/2> là có thể xảy ra. 1.6. M ột số cấu trúc tinh thể thường gặp 1.6.1. Cấu trúc mạng lục giác Wurtzte [7] [11] Cấu trúc tinh thể wurtzte là cấu trúc hỗn hợp của cấu trúc lập phương tâm khối nguyên tố đơn. Nó có cơ sờ đa nguyên tử. ô đơn vị bao gồm 4 nguyên tử, 2 nguyên tử cho nguyên tố thứ nhất và 2 nguyên tử cho nguyên tố thứ hai. Đây chính là cấu trúc lục giác xếp chặt. M ột trong những tính chất đặc trưng của phân mạng lục giác xếp chặt là giá trị ti số giữa các hằng số mạng c và a. Trường hợp lý tường thì tỉ số c/a=l,633. Trên thực tế, các giá trị của tỉ sổ c/a của hợp chất AnBvi đều nhỏ M ai Thị Đào- Lớp CNLỳ K2 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  19. Khóa luận tỏt nghiệp hom 1,633. Điều này chứng tỏ các mặt không hoàn toàn xếp chặt. Đối với mạng tinh thể lục giác kiểu Wurtzte của A nBvi, hai nguyên tử An nằm ở vị trí (0, 0, 0) và (1/3, 2/3, 1/3) và hai nguyên tử Bvi nằm ở vị trí (0, 0, u) và (1/3, 2/3, 1/3+u) với u«3/5. Mỗi ô đem vị chứa hai phân tử A iiB v i (hình 1 .4). Mỗi nguyên tử An liên kết với 4 nguyên tử B vi nằm ở lân cận 4 đỉnh tứ diện trong đó 1 nguyên tử nằm ở vị trí có khoảng cách uc, và ba ngnuyên tử khác nằm ở vị trí cách nguyên tử ban đầu một đoạn bằng [l/3a 2 + c2(u-l/2)2]l/2. Xung quanh mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận bậc hai, trong đó có 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác trong cùng một mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách nguyên từ ban đầu một đoạn [l/3a 2 + l/4c2]2. Tinh thể A nBvi không có tâm đối xứng, do đó trong mạng tồn tại trục phân cực song song với hướng [001] như hình 1,4b. Hình l ẵ4ẽ a. c ấ u trúc mạng tinh thể lục giác Wurzite. b. Trục phân cực song song với hướng 1.6.2. Cấu trúc mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl. [10] [11] 0 mạng cơ sờ của cấu trúc lập phương (LP) đơn giản kiểu NaCl có thể được xem như gồm hai phân mạng LP tâm mặt của cation An và anion Bvi lồng vào nhau, trong đó phân mạng anion Bvi dịch đi một đoạn a/ 2 với a là cạnh hình lập phương. Mỗi ô cơ sở gồm bốn phân tử A iiB v i hình 1.5. Vị trí của các nguyên tử An trong ô cơ sở là (0, 0, 0), (1/2, 1/2, 0), (1/2, 0, 1/2), (0, M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
  20. Khỏa luận tốt nghiệp 1/2, 1 / 2 ) và vị trí của các nguyên tử Bvi tương ứng là ( 1 / 2 , 1/2, 1 / 2 ), ( 0 , 0 , 1 / 2 ), ( 0 , 1 / 2 , 0 ), ( 1 / 2 , 0 , 0 ). Số lân cận gần nhất của cation và anion bằng 6 . Hình 1.5. Cấu trúc lập Hình 1Ế6. Cấu trúc mạng pphương i i u w i i g > đơn u w n ggiản i c u i NaCl í 1 C4V_-1 tinh thể wgiả kẽm ễ1 1 ■ t 1.6.3. Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm ki Đây cũng là một trạng thái cấu trúc gií bền c E ỉ t ì t A nqvi- Mỗi ô cơ sở (Hình 1.6 .) chứa bốn phân tử với các tọa độ của bốn nguyên tử An là (0, 0, 0), (0, 1/2, 1/2), (1/2, 0, 1/2), (1/2, 1/2, 0) và tọa độ của bốn nguyên tử Bvi là (1/4,174,1/4), (1/4, 3/4, 3/4), (3/4, 1/4, 3/4), (3/4, 3/4, 1/4). ở đây mỗi nguyên từ bất kì được bao quanh bởi bốn nguyên tử khác, mỗi nguyên tử Bvi được bao quanh bởi bốn nguyên tử A n nằm ở đỉnh của tứ diện có khoảng cách aV 3 /2, a là thông số của mạng lập phương. Còn mỗi nguyên tử An (hoặc Bvi) được bao quanh bởi 1 nguyên tử cùng loại, chúng là lân cận bậc hai nằm tại khoảng cách a Ị 4 Ĩ . Các lớp A iiB v i được định hướng theo trục, do đó tinh thể A nBvi lập phương có tính dị hướng. Các mặt đối xứng nhau, các hướng ngược nhau thì có thể có tính chất vật lí khác nhau. 1.7ễ Cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử C dS, C dS:M n[12] Cấu trúc tinh thể của các chấm lượng tử cũng giống như cấu trúc tinh thể của bán dẫn khối tương ứng. Do đó, chấm lượng tử CdS cũng có cấu trúc tinh thể giống như của CdS khối. Cadimi suníiia (CdS) là hợp chất bán dẫn thuộc nhóm AnBvi- Hợp chất này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử học bán dẫn và điện tử M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2412 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
3=>0