Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ảnh hưởng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm lên một số tính chất quang trong các hệ bán dẫn thấp chiều

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm lên sự hấp thụ sóng điện từ yếu trong các hệ thấp chiều khi có mặt sóng điện từ mạnh (bức xạ laser). Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ảnh hưởng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm lên một số tính chất quang trong các hệ bán dẫn thấp chiều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Ễ Ị THANH NHÀN ẢNH HƯỞ ỦA ĐIỆ Ử ẦM VÀ PHONON ẦM LÊN MỘ Ố TÍNH CHẤ CÁC HỆ BÁN DẪ Ấ Ề LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
HÀ NỘ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Ễ Ị THANH NHÀN ẢNH HƯỞ ỦA ĐIỆ Ử ẦM VÀ PHONON ẦM LÊN MỘ Ố TÍNH CHẤ CÁC HỆ BÁN DẪ Ấ Ề Chuyên ngành ật lý Lý thuyết và Vật lý Toán Mã số
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ỄN QUANG BÁU HÀ NỘ
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu, đồ thị,... được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ các công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thị Thanh Nhàn i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến GS. TS. Nguyễn Quang Báu, người thầy đã hết lòng tận tụy giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của các thầy, cô trong bộ môn Vật lý Lý thuyết, khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Khoa Vật lý và Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nguyễn Thị Thanh Nhàn ii
MỤC LỤC Danh mục hình vẽ Mở đầu ........................................................................................................................... 1 Chƣơng 1. Tổng quan về một số hệ bán dẫn hai chiều và một chiều. Hấp thụ sóng điện từ yếu trong bán dẫn khối khi có mặt trƣờng bức xạ laser ..................... 8 1.1. Hệ bán dẫn hai chiều ................................................................................................ 8 1.1.1. Hố lượng tử ........................................................................................................... 8 1.1.2. Siêu mạng pha tạp ............................................................................................... 10 1.1.3. Siêu mạng hợp phần ........................................................................................... 11 1.2. Hệ bán dẫn một chiều ............................................................................................. 12 1.2.1.Dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn .............................................. 12 1.2.2. Dây lượng tử hình trụ với hố thế cao vô hạn ...................................................... 13 1.2.3. Dây lượng tử hình trụ với hố thế parabol ............................................................ 14 1.3. Hấp thụ sóng điện từ yếu trong bán dẫn khối khi có mặt trường bức xạ laser ...... 15 1.3.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong bán dẫn khối khi có mặt hai sóng điện từ ........................................................................................... 15 1.3.2. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếukhi có mặt trường bức xạ laser trong bán dẫn khối ................................................................................................................................ 17 Chƣơng 2. Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hệ bán dẫn hai chiều khi có mặt trƣờng bức xạ laser ............................................................. 19 2.1. Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hố lượng tử khi có mặt trường bức xạ laser ........................................................................................................ 19 2.1.1. Trường hợp trường bức xạ laser không biến điệu biên độ .................................. 19 2.1.1.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong hố lượng tử khi có mặt hai sóng điện từ ........................................................................................... 19 2.1.1.2. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong hố lượng tử...................................................... 23 2.1.1.3. Kết quả tính số và thảo luận ............................................................................. 31 2.1.2.Trường hợp trường bức xạ laser biến điệu biên độ .............................................. 38 iii
2.1.2.1. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser biến điệu biên độ trong hố lượng tử................................................................. 39 2.1.2.2. Kết quả tính số và thảo luận ............................................................................. 41 2.2. Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong siêu mạng pha tạp khi có mặt trường bức xạ laser ................................................................................................. 46 2.2.1. Trường hợp trường bức xạ laser không biến điệu biên độ .................................. 46 2.2.1.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong siêu mạng pha tạp khi có mặt hai sóng điện từ............................................................................... 46 2.2.1.2. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong siêu mạng pha tạp ........................................... 47 2.2.1.3. Kết quả tính số và thảo luận ............................................................................. 50 2.2.2.Trường hợp trường bức xạ laser biến điệu biên độ .............................................. 55 2.2.2.1. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser biến điệu biên độ trong siêu mạng pha tạp ...................................................... 55 2.2.2.2. Kết quả tính số và thảo luận ............................................................................. 57 2.3. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 60 Chƣơng 3. Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầmtrong hệ bán dẫn một chiều khi có mặt trƣờng bức xạ laser ............................................................. 62 3.1. Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn khi có mặt trường bức xạ laser ................................................. 62 3.1.1. Trường hợp trường bức xạ laser không biến điệu biên độ .................................. 62 3.1.1.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn khi có mặt hai sóng điện từ ....................................... 62 3.1.1.2. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn 64 3.1.1.3. Kết quả tính số và thảo luận ............................................................................. 69 3.1.2.Trường hợp trường bức xạ laser biến điệu biên độ .............................................. 73 3.1.2.1. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser biến điệu biên độ trong dâylượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn ........... 73 iv
3.1.2.2. Kết quả tính số và thảo luận ............................................................................. 75 3.2. Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn khi có mặt trường bức xạ laser.............................................................. 80 3.2.1. Trường hợp trường bức xạ laser không biến điệu biên độ .................................. 80 3.2.1.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn khi có mặt hai sóng điện từ ................................................ 80 3.2.1.2. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong dâylượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn .......... 81 3.2.1.3. Kết quả tính số và thảo luận ............................................................................. 84 3.2.2.Trường hợp trường bức xạ laser biến điệu biên độ .............................................. 88 3.2.2.1. Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser biến điệu biên độ trong dâylượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn ..................... 88 3.2.2.2. Kết quả tính số và thảo luận ............................................................................. 90 3.3. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 93 Chƣơng 4. Ảnh hƣởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hệ bán dẫn hai chiều và một chiều khi có mặt trƣờng bức xạ laser .................................................................................................... 95 4.1. Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hố lượng tử khi có mặt trường bức xạ laser ........................................ 95 4.1.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong hố lượng tử khi có mặt hai sóng điện từ, có kể đến sự giam cầm phonon.............................................. 95 4.1.2.Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser trong hố lượng tử, có kể đến sự giam cầm phonon .............................................. 98 4.1.3. Kết quả tính số và thảo luận .............................................................................. 100 4.2. Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong siêu mạng pha tạp khi có mặt trường bức xạ laser............................ 104 4.2.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong siêu mạng pha tạp khi có mặt hai sóng điện từ, có kể đến sự giam cầm phonon ............................... 104 4.2.2.Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ v
laser trong siêu mạng pha tạp, có kể đến sự giam cầm phonon .................................. 106 4.2.3. Kết quả tính số và thảo luận .............................................................................. 107 4.3. Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn khi có mặt trường bức xạ laser . 110 4.3.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn khi có mặt hai sóng điện từ, có kể đến sự giam cầm phonon.. 110 4.3.2.Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn, có kể đến sự giam cầm phonon .......... 113 4.3.3. Kết quả tính số và thảo luận .............................................................................. 115 4.4. Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn khi có mặt trường bức xạ laser ........... 118 4.4.1. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn khi có mặt hai sóng điện từ, có kể đến sự giam cầm phonon ......................................................................................................................... 118 4.4.2.Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn, có kể đến sự giam cầm phonon ........ 120 4.4.3. Kết quả tính số và thảo luận .............................................................................. 122 4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................................ 126 Kết luận ...................................................................................................................... 128 Danh mục các công trình khoa học của tác giả đã công bố liên quan đến luận án ..... 129 Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 131 Phụ lục vi
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 2.2: Sự phụ thuộc của  vào 1 Hình 2.3: Sự phụ thuộc của  vào  2 Hình 2.4: Sự phụ thuộc của  vào E01 Hình 2.5: Sự phụ thuộc của  vào L Hình 2.6: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 2.7: Sự phụ thuộc của  vào 1 Hình 2.8: Sự phụ thuộc của  vào L Hình 2.9: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 2.10: Sự phụ thuộc của  vào  Hình 2.11: Sự phụ thuộc của  vào Ω1 Hình 2.12: Sự phụ thuộc của  vào  Hình 2.13: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 2.14: Sự phụ thuộc của  vào  Hình 2.15: Sự phụ thuộc của  vào Ω1 Hình 2.16: Sự phụ thuộc của  vào F1 Hình 2.17: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 2.18: Sự phụ thuộc của  vào Ω2 Hình 2.19: Sự phụ thuộc của  vào nD Hình 2.20: Sự phụ thuộc của  vào Nd Hình 2.21: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 2.22: Sự phụ thuộc của  vào E01 Hình 2.23: Sự phụ thuộc của  vào nD Hình 2.24: Sự phụ thuộc của  vào Nd Hình 2.25: Sự phụ thuộc của  vào Ω1 Hình 2.26: Sự phụ thuộc của  vào nD vii
Hình 2.27: Sự phụ thuộc của  vào Nd Hình 2.28: Sự phụ thuộc của  vào F1 Hình 2.29: Sự phụ thuộc của  vào nD Hình 2.30: Sự phụ thuộc của  vào Nd Hình 3.1: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 3.2: Sự phụ thuộc của  vào Ω2 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của  vào Lx Hình 3.4: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 3.5: Sự phụ thuộc của  vào Lx Hình 3.6: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 3.7: Sự phụ thuộc của  vào  Hình 3.8: Sự phụ thuộc của  vào Ω1 Hình 3.9: Sự phụ thuộc của  vào  Hình 3.10: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 3.11: Sự phụ thuộc của  vào F1 Hình 3.12: Sự phụ thuộc của  vào Lx Hình 3.13: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 3.14: Sự phụ thuộc của  vào Ω2 Hình 3.15: Sự phụ thuộc của  vào E01 Hình 3.16: Sự phụ thuộc của  vào R Hình 3.17: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 3.18: Sự phụ thuộc của  vào R Hình 3.19: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 3.20: Sự phụ thuộc của  vào F1 Hình 3.21: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 3.22: Sự phụ thuộc của  vàoR Hình 4.1: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 4.2: Sự phụ thuộc của  vào Ω2 viii
Hình 4.3: Sự phụ thuộc của  vào E01 Hình 4.4: Sự phụ thuộc của  vào L Hình 4.5: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 4.6: Sự phụ thuộc của  vào Ω2 Hình 4.7: Sự phụ thuộc của  vào nD Hình 4.8: Sự phụ thuộc của  vào Nd Hình 4.9: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 4.10: Sự phụ thuộc của  vào Ω2 Hình 4.11: Sự phụ thuộc của  vào E01 Hình 4.12: Sự phụ thuộc của  vào Lx Hình 4.13: Sự phụ thuộc của  vào T Hình 4.14: Sự phụ thuộc của  vào Ω2 Hình 4.15: Sự phụ thuộc của  vào R ix
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong những thập niên gần đây, vật lý chất rắn đã chuyển hướng đối tượng nghiên cứu từ các cấu trúc ba chiều sang các cấu trúc thấp chiều. Các cấu trúc vật liệu thấp chiều là các cấu trúc trong đó chuyển động của hạt dẫn bị giới hạn trong các vùng có kích thước đặc trưng vào cỡ bước sóng De Broglie của hạt. Tại đây, các quy luật lượng tử xuất hiện một cách rõ rệt, trước hết là phổ năng lượng của điện tử bị biến đổi. Phổ năng lượng của điện tử trở nên gián đoạn dọc theo hướng tọa độ bị giới hạn và dáng điệu của các hạt dẫn trong cấu trúc kích thước lượng tử này tương tự như khí hai chiều [3, 4, 52, 59, 63, 65, 67-70, 72, 75, 77] hoặc khí một chiều[3, 4, 12, 18, 25, 37]. Từ đó làm biến đổi hầu hết các tính chất quang, điện của hệ [11, 28, 35, 39], và xuất hiện các hiệu ứng vật lý mới được gọi là hiệu ứng kích thước. Ngày nay, công nghệ epitaxy chùm phân tử là một công nghệ rất thích hợp để tạo ra cấu trúc với phân bố thành phần tùy ý chính xác tới từng lớp đơn phân riêng lẻ. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ epitaxy chùm phân tử, rất nhiều loại vật liệu với cấu trúc nano được chế tạo như hố lượng tử, siêu mạng bán dẫn. Trong các cấu trúc đó, ngoài trường thế tuần hoàn gây ra bởi các nguyên tử tạo nên tinh thể, trong mạng tinh thể còn tồn tại một thế phụ cũng tuần hoàn nhưng với chu kỳ lớn hơn rất nhiều so với chu kỳ thay đổi thế năng của trường các nguyên tử trong mạng. Trong vật liệu có cấu trúc hai chiều thì các hạt tải bị giới hạn theo một chiều, và chỉ có thể chuyển động tự do trong mặt phẳng của vật liệu. Người ta chia vật liệu có cấu trúc hai chiều thành hai loại chính, đó là hố lượng tử và siêu mạng bán dẫn (siêu mạng pha tạp và siêu mạng hợp phần). Dây lượng tử là một cấu trúc bán dẫn một chiều. Trong dây lượng tử, các hạt tải bị giới hạn theo hai chiều, và chỉ có thể chuyển động tự do theo một chiều. Dây lượng tử có thể được tạo ra nhờ kỹ thuật lithography (điêu khắc) và photoetching (quang khắc) từ các lớp giếng lượng tử. Bằng kỹ thuật này, các dây lượng tử có hình dạng khác nhau được tạo thành như dây lượng tử hình chữ nhật, dây lượng tử hình trụ,... 1
Sự giam cầm của điện tử trong các cấu trúc thấp chiều đã làm thay đổi đáng kể nhiều đặc tính của vật liệu, và xuất hiện thêm nhiều đặc tính mới, ưu việt hơn mà cấu trúc ba chiều thông thường không có. Do đó, nó tạo ra được những linh kiện mới, thiết bị mới có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống. Hàng loạt các hiệu ứng đã được nghiên cứu đối với hệ bán dẫn thấp chiều như: các cơ chế tán xạ điện tử - phonon [12, 27, 29, 41, 43, 47, 49, 51, 62, 64, 76], tính chất điện [50, 53, 56, 58, 61, 72, 73, 82-84], các tính chất quang [30, 31, 36, 38, 40, 45, 46, 63, 66, 86],… Trong số các tính chất quang, thì hấp thụ sóng điện từ bởi vật chất rất được quan tâm và đã được phát triển cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Chúng ta đã biết khi chiếu chùm bức xạ sóng điện từ vào vật chất, sóng điện từ sẽ tương tác với vật chất, một phần sóng điện từ sẽ được truyền qua, một phần sẽ bị phản xạ, và một phần sẽ bị hấp thụ bởi vật chất. Việc nghiên cứu sự hấp thụ sóng điện từ bởi vật chất có nhiều ứng dụng mạnh mẽ và sâu rộng trong khoa học và kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực quân sự (ứng dụng để chế tạo vật liệu dùng cho kỹ thuật “tàng hình” của các phương tiện quân sự). Theo quan điểm lý thuyết cổ điển, để giải bài toán hấp thụ sóng điện từ thì chủ yếu dựa trên việc giải phương trình động cổ điển Boltzmann [34, 81]. Theo quan điểm lý thuyết lượng tử thì bài toán hấp thụ sóng điện từ có thể được giải bằng nhiều phương pháp khác nhau như lý thuyết hàm Green, lý thuyết nhiễu loạn[5], phương pháp phương trình động lượng tử [45, 57], phương pháp Kubo-Mori[68, 70]. Bài toán hấp thụ tuyến tính sóng điện từ yếu đã được nghiên cứu bằng phương pháp Kubo-Mori trong các hệ thấp chiều [7, 14, 19, 20]. Bài toán hấp thụ phi tuyến sóng điện từ mạnh trong các hệ thấp chiều cũng đã được nghiên cứu bằng phương pháp phương trình động lượng tử [15-18, 21-24, 78-80]. Nhưng trong thực nghiệm, việc đo trực tiếp sự hấp thụ sóng điện từ mạnh rất khó khăn. Nó có thể ngay lập tức làm mẫu bị cháy, bị hỏng. Tuy nhiên, nếu chúng ta cho mẫu ở trong sóng điện từ yếu trước, sau đó mới chiếu sóng điện từ mạnh vào 2
thì vật liệu sẽ không bị hỏng. Vì vậy, bài toán ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh (bức xạ laser) lên hấp thụ sóng điện từ yếu là nhu cầu của thực nghiệm. Bài toán ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh (bức xạ laser) lên hấp thụ sóng điện từ yếu trong bán dẫn khối đã được nghiên cứu bằng phương pháp Kubo-Mori mở rộng [7] và phương pháp phương trình động lượng tử (bởi V. L. Malevich và E. M. Epshtein) [45]. Tuy nhiên, bài toán ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh lên hấp thụ sóng điện từ yếu trong các hệ thấp chiều thì chưa có ai nghiên cứu. Ngoài ra, trong những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, nhiều công bố quốc tế đã chỉ ra ảnh hưởng rõ nét của sự giam cầm phonon lên các hiệu ứng vật lý trong hệ thấp chiều [6, 8, 10, 16, 17, 25, 26, 42, 44, 45]. Nhưng bên cạnh đó, ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên bài toán ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh lên hấp thụ sóng điện từ yếu trong các hệ thấp chiều cũng chưa được nghiên cứu. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài luận án với tiêu đề “Ảnh hưởng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm lên một số tính chất quangtrong các hệ bán dẫn thấp chiều”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm lên sự hấp thụ sóng điện từ yếu trong các hệ thấp chiều khi có mặt sóng điện từ mạnh (bức xạ laser). 3. Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu đã đề ra thìnội dung nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm lên sự hấp thụ sóng điện từ yếu trong hệ bán dẫn hai chiều và một chiều khi có mặt sóng điện từ mạnh (bức xạ laser)với hai cơ chế tán xạ điện tử - phonon quang và tán xạ điện tử - phonon âm.Cụ thể là, chúng tôi tính toán biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser trong các hệ bán dẫn hai chiều và một chiều cho hai trường hợp: không kể đến ảnh hưởng của sự giam cầm phonon và có kể đến ảnh hưởng của sự giam cầm phonon. Với trường hợp phonon không bị giam cầm, chúng tôi xét hai trường hợp của bức xạ laser, đó là bức xạ laser biến 3
điệu và không biến điệu biên độ. Sau đó, thực hiện tính số các biểu thức giải tích thu được và vẽ đồ thị để thấy rõ ràng hơn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu vào các tham số của vật liệu thấp chiều, cũng như thấy rõ ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh và ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên sự hấp thụ sóng điện từ yếu khi có mặt sóng điện từ mạnh. Các kết quả thu được trong các hệ thấp chiều được so sánh với kết quả đã được nghiên cứu trong bán dẫn khối và so sánh với trường hợp không có mặt bức xạ laser, đồng thời chúng tôi cũng so sánh các kết quả thu được trong các hệ thấp chiều với nhau. Đối với hệ bán dẫn hai chiều, các nội dung trên được nghiên cứu với hai loại cấu trúc là: hố lượng tử và siêu mạng pha tạp. Đối với hệ bán dẫn một chiều, các nội dung trên được nghiên cứu với hai loại dây lượng tử đặc trưng là: dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn và dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong luận án, chúng tôi sử dụng phương pháp phương trình động lượng tử để nghiên cứu. Đầu tiên, ta thiết lập phương trình động lượng tử cho điện tử trong các hệ thấp chiềukhi có mặt hai sóng điện từ (gồm có bức xạ laser và một sóng điện từ yếu), sau đó giải nó ta được hàm phân bố không cân bằng của điện tử, từ đó tính được biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu khi có mặt sóng điện từ mạnh. Phương pháp phương trình động lượng tử đã được sử dụng cho bài toán tương tự trong bán dẫn khối bởi các tác giả V. L. Malevich và E. M. Epshtein [45].Để tính số và vẽ đồ thị, chúng tôi sử dụng phần mềm Matlab. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Trong luận án, chúng tôi đã thu được những kết quả chính và mới sau: +Thiết lập được các phương trình động lượng tử cho điện tử khi có mặt hai sóng điện từ (gồm có bức xạ laser và một sóng điện từ yếu) và tìm được các biểu thức giải tích lượng tử của hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong các hệ thấp chiều khi có mặt bức xạ laser với hai cơ chế tán xạ điện tử - phonon quang và tán xạ điện tử - phonon âm, đối với hai trường hợp phonon không bị giam cầm và phonon bị giam cầm. Với trường hợp phonon không bị giam 4
cầm,bức xạ laser được xét với cả hai trường hợp biến điệu và không biến điệu biên độ. +Bằng các kết quả giải tích và vẽ đồ thị, đã chỉ ra rằng khi có mặt bức xạ laser, với các điều kiện thích hợp của trường ngoài và hệ bán dẫn, hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu sẽ có giá trị âm, tức là sóng điện từ yếu được gia tăng. Điều này là hoàn toàn khác biệt so với bài toán tương tự trong bán dẫn khối và khác so với trường hợp không có mặt bức xạ laser. +Kết quả tính số cho thấy sự giam cầm phonon trong các hệ thấp chiều dẫn tới hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu khi có mặt bức xạ laser có thể thay đổi cả định lượng lẫn định tính, hoặc chỉ thay đổi định lượng. Về mặt phương pháp, với những kết quả thu được trong luận án từ việc sử dụng phương pháp phương trình động lượng tử, luận án góp phần khẳng định thêm khả năng, tính hiệu quả và sự đúng đắn của phương pháp này khi nghiên cứu các hiệu ứngvật lý trong các hệ bán dẫn thấp chiều. Kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần làm tăng tính chính xác và hoàn chỉnh hơn các nghiên cứu lý thuyết về tính chất vật lý của bán dẫn thấp chiều. Nó cũng góp phần thu nhận được các thông tin về các tính chất mới của các cấu trúc bán dẫn thấp chiều. Các tính chất mới này có thể được xem là một trong những tiêu chí cho công nghệ chế tạo vật liệu cấu trúc nano ứng dụng trong điện tử siêu nhỏ, thông minh và đa năng hiện nay. Bài toán vật lý liên quan đến sự có mặt của sóng điện từ mạnh (bức xạ laser) xuất phát từ nhu cầu của thực tế đã được nghiên cứu một cách lý thuyết trong luận án. Ngoài ra, vì sóng điện từ mạnh (bức xạ laser) có năng lượng lớn nên có thể ứng dụng nó để điều khiển các quá trình vật lý từ xa. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình liên quan đến luận án đã công bố, các tài liệu tham khảo, nội dung của luận án gồm 4 chương, 14 mục, với 67 hình vẽ. Nội dung của các chương như sau: Trong chương 1, chúng tôi trình bày tổng quan về một số hệ bán dẫn hai 5
chiều và một chiều, và bài toán hấp thụ sóng điện từ yếu trong bán dẫn khối khi có mặt bức xạ laser (nghiên cứu bằng phương pháp phương trình động lượng tử). Đây là những kiến thức cơ sở cho các vấn đề nghiên cứu trong các chương sau. Trong chương 2, chúng tôi nghiên cứu sự hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hệ bán dẫn hai chiều khi có mặt trường bức xạ laser. Hệ bán dẫn hai chiều nghiên cứu trong chương 2 gồm có hố lượng tử và siêu mạng pha tạp. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong các hệ đó đã được thiết lập; biểu thức giải tích cho hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu trong các hệ đó cũng đã được tính toán với cả hai cơ chế tán xạ điện tử - phonon quang và tán xạ điện tử - phonon âm, cho cả hai trường hợp bức xạ laser biến điệu vàkhông biến điệu biên độ. Các kết quả giải tích của hệ số hấp thụ được tính số và bàn luận cho trường hợp cụ thể của các hệ đó. Trong chương 3, chúng tôi nghiên cứu sự hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hệ bán dẫn một chiều khi có mặt trường bức xạ laser. Hệ bán dẫn một chiều nghiên cứu trong chương 3 gồm có dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn và dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn. Các nội dung nghiên cứu trong chương 3 cũng tương tự như chương 2 nhưng được áp dụng cho hệ một chiều. Trong chương 4, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hệ bán dẫn hai chiều và một chiều khi có mặt trường bức xạ laser. Hệ bán dẫn hai chiều nghiên cứu trong chương 4 gồm có hố lượng tử và siêu mạng pha tạp, hệ bán dẫn một chiều gồm có dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn và dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn. Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong các hệ đó khi có kể đến sự giam cầm phonon đã được thiết lập; biểu thức giải tích cho hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu trong các hệ đó khi có kể đến sự giam cầm phonon cũng đã được tính toán với cơ chế tán xạ điện tử - phonon quang. Các kết quả giải tích của hệ số hấp thụ cũng được tính số và bàn luận cho trường hợp cụ thể của các hệ đó để thấy rõ ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu. Các kết quả nghiên cứu chính của luận án được công bố trong 8 công trình 6
dưới dạng các bài báo và báo cáo khoa học đăng trong các tạp chí và kỷ yếu hội nghị khoa học trong nước và quốc tế,bao gồm: 03 bài trong tạp chí quốc tế: 01 bài trong Journal of the Korean Physical Society (Korea), 02 bài trong Progress In Electromagnetics Research M (USA); 01 bài báo đăng trong tạp chí VNU Journal of Science, Mathematics – Physics của Đại học Quốc gia Hà Nội;01 bài đăng trong tạp chí Journal of science of HNUE, Mathematical and Physical Sci. của trường Đại học Sư Phạm Hà Nội; 01 bài đăng trong Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự;01 báo cáo đăng trong PIERS Proceedings ở hội nghị vật lý quốc tế Malaysia; 01 báo cáo đăng trong hội nghị vật lý lý thuyết toàn quốc lần thứ 36. 7
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ HỆ BÁN DẪN HAI CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU. HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ YẾU TRONG BÁN DẪN KHỐI KHI CÓ MẶT TRƢỜNG BỨC XẠ LASER 1.1. Hệ bán dẫn hai chiều 1.1.1. Hố lƣợng tử Hố lượng tử là một cấu trúc bán dẫn thuộc hệ điện tử chuẩn hai chiều, được cấu tạo bởi các chất bán dẫn có hằng số mạng xấp xỉ bằng nhau, có cấu trúc tinh thể tương đối giống nhau.Trong đó một lớp mỏng chất bán dẫn này được đặt giữa hai lớp chất bán dẫn khác.Sự khác biệt giữa các cực tiểu vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị của hai chất bán dẫn đó đã tạo ra một giếng thế năng đối với các điện tử. Trong thực tế, người ta thường tạo các cấu trúc tiếp xúc dị chất nhiều lớp, với một số lớn các hố thế giống nhau được lặp lại một cách tuần hoàn thay vì chỉ có một hố thế duy nhất. Nếu chiều dày b của lớp bán dẫn vùng cấm rộng lớn: b  100 A , thì các hạt o tải điện nằm trong mỗi lớp chất bán dẫn vùng cấm hẹp không thể xuyên qua lớp bán dẫn vùng cấm rộng bên cạnh để đi tới các lớp khác của bán dẫn vùng cấm hẹp (tức không có hiệu ứng đường hầm). Như vậy trong các cấu trúc này các hạt tải điện bị định xứ mạnh, chúng bị cách ly lẫn nhau trong các giếng thế năng một chiều. Những cấu trúc như vậy được gọi là cấu trúc nhiều hố lượng tử (MQW) được áp dụng để khuếch đại biên độ các hiệu ứng trong đo lường, ví dụ trong các thực nghiệm về hấp thụ quang học, khi biên độ tín hiệu từ một hố lượng tử đơn không đủ mạnh để thu được các giá trị có độ tin cậy chấp nhận được, nó cần được khuếch đại. Điện tử bị phản xạ tại các thành hố, do đó chúng bị giữ lại trong hố thế và phổ năng lượng của chúng bị lượng tử hóa, các giá trị xung lượng được phép của điện tử theo chiều vuông góc với dị tiếp xúc cũng bị giới hạn. Nhờ hiệu ứng lượng tử hóa năng lượng của điện tử trong hố lượng tử này mà người ta có thể điều chỉnh để tối ưu hóa trong các ứng dụng thực tế, bằng cách lựa chọn độ rộng, độ sâu hố thế của vật liệu bán dẫn một cách thích hợp. 8