Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học và hiện tượng phách lượng tử trong một số cấu trúc bán dẫn thấp chiều

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:148

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chung của luận án "Nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học và hiện tượng phách lượng tử trong một số cấu trúc bán dẫn thấp chiều" là khảo sát hiệu ứng Stark quang học và hiện tượng phách lượng tử của exciton trong một số cấu trúc bán dẫn thấp chiều.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học và hiện tượng phách lượng tử trong một số cấu trúc bán dẫn thấp chiều

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ THỊ DIỆU HIỀN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC VÀ HIỆN TƯỢNG PHÁCH LƯỢNG TỬ TRONG MỘT SỐ CẤU TRÚC BÁN DẪN THẤP CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Huế, 2023
ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ THỊ DIỆU HIỀN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC VÀ HIỆN TƯỢNG PHÁCH LƯỢNG TỬ TRONG MỘT SỐ CẤU TRÚC BÁN DẪN THẤP CHIỀU Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 9 44 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học PGS. TS. ĐINH NHƯ THẢO Huế, 2023
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, em xin tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy giáo PGS. TS. Đinh Như Thảo, người thầy đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Ngoài những kiến thức chuyên môn, Thầy còn là người luôn động viên tinh thần và giúp em học được cách tiếp cận và giải quyết các vấn đề khoa học cũng như những vấn đề liên quan khác. Những gì em học được từ Thầy sẽ là hành trang giúp em theo đuổi đam mê nghiên cứu khoa học sau này. Em xin chân thành cám ơn: Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế; Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế; Phòng Sau đại học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án. Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa và toàn thể quý Thầy Cô giáo Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, và động viên quan tâm em trong suốt quá trình em học tập và thực hiện luận án tại khoa. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban chủ nhiệm khoa và toàn thể quý Thầy Cô tại khoa Điện, Điện tử và Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã luôn bên cạnh giúp đỡ và cổ vũ tinh thần cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Em xin cảm ơn các anh chị i
trong nhóm nghiên cứu SNS Huế đã luôn động viên và nhiệt tình hỗ trợ cho em về mặt chuyên môn cũng như kinh nghiệm trong các hoạt động học tập và nghiên cứu khoa học. Cuối cùng, em xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ba Mẹ, chồng và các con cũng như người thân trong gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em có thể hoàn thành tốt luận án này. Nghiên cứu sinh Lê Thị Diệu Hiền ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, hình ảnh và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả luận án Lê Thị Diệu Hiền iii
MỤC LỤC Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv Danh mục các bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Danh mục các hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Nội dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Chương 1. Cơ sở lý thuyết . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1. Tổng quan về chấm lượng tử bán dẫn . . . . . . . . . . . 10 1.2. Exciton trong chấm lượng tử . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3. Phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa . . . . . . . . . . . 15 1.4. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Chương 2. Hiệu ứng Stark quang học ba mức của ex- citon trong chấm lượng tử . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1. Hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử dạng quạt cầu với thế vuông góc sâu vô hạn . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.1. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử và lỗ trống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.2. Phổ hấp thụ của exciton khi không có tác dụng của laser bơm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 iv
2.1.3. Phổ hấp thụ của exciton dưới tác dụng của laser bơm - Hiệu ứng Stark quang học . . . . . . . . . 28 2.1.4. Kết quả tính số và thảo luận . . . . . . . . . . . . 34 2.2. Hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế vuông góc sâu vô hạn . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.1. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử và lỗ trống 41 2.2.2. Phổ hấp thụ của exciton khi không có tác dụng của laser bơm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.3. Phổ hấp thụ của exciton dưới tác dụng của laser bơm - Hiệu ứng Stark quang học . . . . . . . . . 47 2.2.4. Kết quả tính số và thảo luận . . . . . . . . . . . . 49 2.3. Hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.1. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử và lỗ trống 54 2.3.2. Phổ hấp thụ của exciton khi không có tác dụng của laser bơm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.3. Phổ hấp thụ của exciton dưới tác dụng của laser bơm - Hiệu ứng Stark quang học . . . . . . . . . 59 2.3.4. Kết quả tính số và thảo luận . . . . . . . . . . . . 61 2.4. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Chương 3. Phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.1. Phách lượng tử trong chấm lượng tử dạng quạt cầu với thế vuông góc sâu vô hạn . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.1.1. Cường độ hấp thụ của exciton khi không có tác dụng của laser bơm . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 v
3.1.2. Cường độ hấp thụ của exciton dưới tác dụng của laser bơm - Phách lượng tử . . . . . . . . . . . . 73 3.1.3. Kết quả tính số và thảo luận . . . . . . . . . . . . 77 3.2. Phách lượng tử trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế vuông góc sâu vô hạn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2.1. Cường độ hấp thụ của exciton khi không có tác dụng của laser bơm . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2.2. Cường độ hấp thụ của exciton dưới tác dụng của laser bơm - Phách lượng tử . . . . . . . . . . . . 87 3.2.3. Kết quả tính số và thảo luận . . . . . . . . . . . . 89 3.3. Phách lượng tử trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.1. Cường độ hấp thụ của exciton khi không có tác dụng của laser bơm . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.2. Cường độ hấp thụ của exciton dưới tác dụng của laser bơm - Phách lượng tử . . . . . . . . . . . . 96 3.3.3. Kết quả tính số và thảo luận . . . . . . . . . . . . 98 3.4. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Kết luận chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Danh mục các công trình liên quan đến luận án . . . . . . . . 107 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Phụ lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P.1 vi
DANH MỤC CÁC BẢNG 2.1 Các không điểm χn đầu tiên của hàm Bessel Jν+ 2 (ke,h r) 1 với góc ở đỉnh θ0 = 30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 ◦ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1.1 Giản đồ các mức năng lượng của exciton và năng lượng liên kết của exciton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2 Giản đồ mô hình hệ ba mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống. Laser bơm có năng lượng ℏωp cộng hưởng với hai mức E1 và E2 của điện tử, một laser dò có e e năng lượng ℏωt kích thích chuyển dời quang từ mức E0 h của lỗ trống lên mức E1 của điện tử. . . . . . . . . . . . e 16 2.1 Hình ảnh 3D của chấm lượng tử dạng quạt cầu [105]. . . 20 2.2 Hình ảnh của chấm lượng tử dạng quạt cầu trên phép chiếu y = 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Giản đồ mô hình hệ ba mức của điện tử và lỗ trống khi hệ chưa chịu tác dụng của laser bơm. . . . . . . . . . . . 24 2.4 Giản đồ tách mức năng lượng của điện tử khi hệ chịu tác dụng của một laser bơm mạnh cộng hưởng với hiệu hai mức năng lượng của điện tử. . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Tốc độ chuyển dời của exciton trong hai trường hợp: khi không có tác dụng của laser bơm và khi có tác dụng của laser bơm với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = 0 meV. . . . . . 35 2.6 Tốc độ chuyển dời của exciton trong trường hợp có mặt của laser bơm như một hàm của độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω với θ0 = 60 và R = 50 ˚ . . . . . . . . . . . . . . . . . A. 37 ◦ viii
2.7 Tốc độ chuyển dời của exciton khi có tác dụng của laser bơm như một hàm của bán kính chấm R với θ0 = 60◦ , ℏ∆ω = 0.3 meV, và biên độ laser bơm Ap = 30×106 V/m. 38 2.8 Tốc độ chuyển dời của exciton dưới tác dụng của laser bơm như một hàm của góc ở đỉnh θ0 với ℏ∆ω = 0.3 meV, R = 50 ˚ và Ap = 40×106 V/m. . . . . . . . . . . . . . . A 39 2.9 Sự phụ thuộc của tốc độ chuyển dời của exciton vào biên độ của laser bơm Ap với ℏ∆ω = 0 meV, R = 50 ˚ và A θ0 = 60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 ◦ 2.10 Mối quan hệ giữa bước sóng của laser bơm và bán kính chấm với ba giá trị khác nhau của góc θ0 . . . . . . . . . . 41 2.11 Hình ảnh minh họa chấm lượng tử dạng đĩa. . . . . . . . 42 2.12 Giản đồ mô hình hệ ba mức năng lượng của điện tử và lỗ trống trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế vuông góc sâu vô hạn khi chưa có tác dụng của laser bơm. . . . . . 45 2.13 Giản đồ phân tách năng lượng của điện tử dưới tác dụng của một laser bơm mạnh cộng hưởng với hai mức ban đầu của điện tử trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế vuông góc sâu vô hạn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.14 Tốc độ chuyển dời của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa khi chưa có mặt laser bơm (đường đứt nét) và khi có mặt laser bơm với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = 0 meV (đường liền nét). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.15 Sự ảnh hưởng của độ lệch cộng hưởng của laser bơm ℏ∆ω lên tốc độ chuyển dời của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 ix
2.16 Tốc độ chuyển dời của exciton như một hàm của bán kính chấm R với ℏ∆ω = 0.3 meV. . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.17 Tốc độ chuyển dời của exciton như một hàm của năng lượng photon của laser dò ứng với ba giá trị khác nhau của biên độ laser bơm Ap với R = 50 ˚ và ℏ∆ω = 0 meV. A 53 2.18 Tốc độ chuyển dời của exciton như một hàm theo năng lượng photon của laser dò trong: (a) chấm lượng tử dạng quạt cầu với θ0 = 60 và (b) chấm lượng tử dạng đĩa, với ◦ cùng thể tích và ℏ∆ω = 0 meV. . . . . . . . . . . . . . . 54 2.19 (a) Mô hình hệ ba mức năng lượng của điện tử và lỗ trống trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol khi chưa có mặt laser bơm. (b) Giản đồ tách mức năng lượng của điện tử dưới tác dụng của laser bơm cộng hưởng trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol. . . . . . . . . . . . . . 58 2.20 Tốc độ chuyển dời của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol khi không có tác dụng của laser bơm (đường đứt nét) và khi có tác dụng laser bơm với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = 0 meV (đường liền nét). . . . . . . . 61 2.21 Ảnh hưởng của trường laser bơm lên tốc độ chuyển dời của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol với bán kính chấm R = 50 ˚ và năng lượng của thế giam A giữ ℏω0 = 20 meV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.22 Ảnh hưởng của bán kính chấm lên tốc độ chuyển dời của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol với độ lệch cộng hưởng của laser bơm ℏ∆ω = 0.2 meV và năng lượng của thế giam giữ ℏω0 = 20 meV. . . . . . . . 63 x
2.23 Ảnh hưởng của tần số giam giữ lên tốc độ chuyển dời của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol khi bán kính chấm R = 50 ˚ và độ lệch cộng hưởng của laser A bơm ℏ∆ω = 0.1 meV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.24 Tốc độ chuyển dời như một hàm của năng lượng photon của laser dò ứng với ba giá trị khác nhau của biên độ laser bơm Ap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.25 Tốc độ chuyển dời của exciton trong: (a) chấm lượng tử dạng đĩa với thế vuông góc sâu vô hạn, (b) chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol, với cùng điều kiện R = 50 ˚ A, ℏ∆ω = 0 meV, và Ap = 6 × 1010 V/m. . . . . . . . . . . 66 3.1 Mô hình hệ ba mức của exciton trong chấm lượng tử dạng quạt cầu khi không có mặt của laser bơm. . . . . . . . . 69 3.2 Giản đồ phân tách các mức năng lượng của exciton dưới tác dụng của một laser bơm cộng hưởng với hiệu hai mức năng lượng lượng tử hóa đầu tiên của exciton. . . . . . . 73 3.3 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng quạt cầu với bán kính R = 50 ˚ khi A không có tác dụng của laser bơm (đường đứt nét) và khi có mặt laser bơm với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = 0 meV (đường liền nét). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.4 Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton vào bán kính chấm R trong chấm lượng tử dạng quạt cầu với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = 0 meV. . . 80 xi
3.5 Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton vào góc ở đỉnh θ0 của chấm quạt cầu khi có mặt của laser bơm cộng hưởng. . . . . . . . . . . . . . . 81 3.6 Chu kì phách lượng tử như một hàm theo bán kính chấm ứng với ba giá trị khách nhau của góc θ0 . . . . . . . . . . 82 3.7 Sự ảnh hưởng của độ lệch cộng hưởng lên cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng quạt cầu với bán kính chấm R = 50 ˚ . . . . . . . A. 83 3.8 Mối quan hệ giữa chu kì phách lượng tử với bán kính chấm và độ lệch cộng hưởng của laser bơm. . . . . . . . . . . . 84 3.9 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton như một hàm của biên độ của laser bơm Ap với R = 50 ˚ A, ℏ∆ω = 0 meV, và θ0 = 30 . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 ◦ 3.10 (a) Mô hình hệ ba mức năng lượng của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế vô hạn khi chưa có tác dụng của laser bơm; (b) Mô hình hệ ba mức của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế vô hạn khi có mặt của laser bơm cộng hưởng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.11 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế vô hạn có bán kính R = 50 ˚ trong hai trường hợp: khi không có tác dụng của A laser bơm (đường đứt nét) và khi có mặt laser bơm với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = 0 meV (đường liền nét). . . . . . 89 3.12 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa như một hàm của bán kính chấm với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = 0 meV. . . . . . . . . . . 90 xii
3.13 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa như một hàm của độ lệch cộng hưởng của laser bơm khi bán kính chấm R = 50 ˚ . . . A. 91 3.14 Chu kì phách như một hàm của bán kính chấm ứng với ba giá trị khác nhau của độ lệch cộng hưởng của laser bơm. 92 3.15 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton ứng với ba giá trị khác nhau của biên độ laser bơm Ap . . . . 92 3.16 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong: (a) Chấm lượng tử dạng quạt cầu, (b) Chấm lượng tử dạng đĩa, trong điều kiện cùng thể tích. . . . . . . . . . . 93 3.17 (a) Mô hình hệ ba mức năng lượng của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol khi không có mặt của laser bơm; (b) Mô hình hệ ba mức của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol dưới tác dụng của laser bơm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.18 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol với bán kính R = 50 ˚ và năng lượng giam giữ ℏω0 = 20 meV trong hai A trường hợp: khi không có tác dụng của laser bơm (đường đứt nét) và khi có mặt laser bơm với độ lệch cộng hưởng ℏ∆ω = 0 meV (đường liền nét). . . . . . . . . . . . . . . 98 3.19 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol như một hàm của bán kính chấm với ℏ∆ω = 0 meV và ℏω0 = 20 meV . . . 99 xiii
3.20 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol như một hàm của độ lệch cộng hưởng của laser bơm khi R = 50 ˚ và ℏω0 A = 20 meV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.21 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol như một hàm của tần số giam giữ khi R = 50 ˚ và ℏ∆ω = 0 meV. . . . . . 100 A 3.22 Mối liên hệ giữa chu kỳ phách và bán kính chấm ứng với ba giá trị khác nhau của tần số giam giữ. . . . . . . . . . 101 3.23 Ảnh hưởng của biên độ laser bơm Ap lên cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa với thế parabol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.24 Cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton trong chấm lượng tử dạng đĩa: (a) thế vuông góc sâu vô hạn, (b) thế parabol, trong điều kiện cùng thể tích. . . . . . . 103 xiv
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, các cấu trúc bán dẫn thấp chiều đã và đang trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu mang tính thời sự và thu hút sự quan tâm rất lớn của nhiều nhà vật lý lý thuyết lẫn thực nghiệm ở trong và ngoài nước do chúng sở hữu nhiều tính chất độc đáo [1], [2], [3], [4], [5]. Các cấu trúc thấp chiều bao gồm hệ hai chiều - giếng lượng tử, hệ một chiều - dây lượng tử, và hệ không chiều - chấm lượng tử. Cấu trúc thấp chiều được hình thành khi kích thước của chúng được giảm xuống xấp xỉ quãng đường chuyển động tự do trung bình của hạt vi mô hay cỡ bước sóng de Broglie của nó. Điều này đã làm cho các cấu trúc thấp chiều xuất hiện thêm nhiều đặc tính mới và ưu việt hơn mà các hệ điện tử ba chiều không có. Các tính chất của cấu trúc này có thể thay đổi bằng cách thay đổi hình dạng và điều chỉnh kích thước cỡ nanomet của chúng. Nhờ các tính chất ưu việt mà các bán dẫn có cấu trúc thấp chiều được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sinh học, môi trường, làm linh kiện trong các thiết bị quang điện tử, làm tăng tốc độ của các linh kiện và tạo ra các linh kiện bán dẫn có hiệu năng cao [6], [7], [8], [9], [10], [11]. Một trong các cấu trúc thấp chiều đang nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu hiện nay đó là chấm lượng tử. Đây là cấu trúc giam giữ hạt vi mô theo cả ba chiều trong không gian dẫn đến phổ năng lượng 1
của các hạt tải bị gián đoạn theo cả ba chiều, làm xuất hiện nhiều tính chất vật lý mới lạ. Sự đa dạng về hình dạng và kích thước (hình cầu [12], hình đĩa [13], hình nhẫn [14], hình ê-líp [15], hình nón [16], hình trụ [17], và hình kim tự tháp [18]) cũng như các tính chất vật lý độc đáo, phát sinh từ hiệu ứng giam cầm lượng tử đã làm cho các chấm lượng tử trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nhiều lĩnh vực ứng dụng. Bên cạnh các ứng dụng trong các lĩnh vực truyền thống như laser [19], các đi-ốt phát quang (LEDs) [20] và các thiết bị quang điện tử [9], các chấm lượng tử còn có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực mới như máy tính lượng tử và thông tin lượng tử [7], [8], bộ tách sóng quang [21], ứng dụng y sinh [10], và cảm biến sinh học điện hóa [11]. Các nhà khoa học đã tìm thấy nhiều tính chất quang học mới trong các cấu trúc thấp chiều, trong đó phải kể đến hiệu ứng Stark quang học của exciton và hiện tượng phách lượng tử của exciton. Một laser bơm cường độ cao có thể kết cặp với hai trạng thái lượng tử hóa của điện tử trong các cấu trúc bán dẫn thấp chiều dẫn đến sự thay đổi và phân tách trong phổ hấp thụ liên vùng của exciton gọi là hiệu ứng Stark quang học của exciton [22], [23], [24]. Hiệu ứng Stark quang học lần đầu tiên được quan sát trong giếng lượng tử đa lớp vào năm 1986 [22], [23], [25]. Do tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn của hiệu ứng này trong các thiết bị quang phi tuyến cực nhanh, chẳng hạn như cổng quang học [26], [27] và chuyển mạch quang học siêu nhanh [22], cũng như đóng góp cho sự hiểu biết về các tương tác giữa photon và chất bán dẫn [28] nên các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiên cứu cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40]. Trong các công trình [29] và [40], các nhóm tác giả đã khảo sát bài 2
toán có hai sóng laser biến đổi theo thời gian và phổ hấp thụ một photon sẽ thay đổi dưới tác dụng của sóng bơm. Kết quả thu được từ các công trình này đã chứng minh được sự tồn tại của hiệu ứng Stark quang học dưới tác dụng của một điện trường ngoài có cường độ mạnh cộng hưởng với các mức năng lượng của điện tử. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề chưa được giải quyết. Đó là các tác giả chưa giải thích rõ cơ chế tách vạch quang phổ trong phổ hấp thụ của exciton và chưa khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các tham số cấu trúc hình học cũng như của trường ngoài lên phổ hấp thụ của exciton. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu lý thuyết hiệu ứng Stark quang học trong các trúc chấm lượng tử vẫn còn rất hạn chế. Do đó trong những năm gần đây, nhóm tác giả Dinh Nhu Thao và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết hiệu ứng Stark quang học của exciton trong một số cấu trúc chấm lượng tử [41], [42] nhằm làm sáng tỏ các vấn đề mà các công trình trước đây chưa giải quyết được. Tuy nhiên, các công trình của nhóm tác giả Dinh Nhu Thao vẫn chưa khảo sát ảnh hưởng của hình dạng chấm cũng như thế giam giữ lên các đặc tính quang của hiệu ứng này. Vì vậy, chúng tôi muốn nghiên cứu sâu hơn và đầy đủ hơn về các tính chất của hiệu ứng Stark quang học trong cấu trúc chấm lượng tử, trong đó có tính đến ảnh hưởng của hình dạng chấm và thế giam giữ của hệ. Bên cạnh hiệu ứng Stark quang học thì hiện tượng phách lượng tử cũng thu hút được sự quan tâm nghiên cứu về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm của các nhà khoa học trên thế giới từ những năm 1990 [3], [29], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49]. Dưới tác dụng của các xung ánh sáng ngắn, hai hoặc nhiều trạng thái lượng tử có khoảng cách gần nhau được kích thích đồng thời và có thể kết cặp với nhau để tạo ra trạng thái chồng 3
chất. Trạng thái này có thể được phát hiện dưới dạng một dao động của cường độ ánh sáng bị hấp thụ hoặc phát xạ, được gọi là phách lượng tử [47]. Hiện tượng phách lượng tử trong các bán dẫn có cấu trúc nano là một hiện tượng quan trọng trong vật lý siêu nhanh và chúng được ứng dụng trong việc tạo ra bức xạ Tera Hertz [50], [51], trong sự phát triển của công tắc quang học siêu nhanh [52], [53], [54], và rối lượng tử [55]. Đặc biệt, quang phổ phách lượng tử đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để xác định chính xác các mức năng lượng trong nguyên tử [56], phân tử [57], chất rắn phân tử [58], và chất bán dẫn [59]. Ngoài ra, phách lượng tử có tầm quan trọng lớn đối với việc hiểu được sự kết hợp của các trạng thái kích thích trong tương tác vật chất - ánh sáng [60]. Trong các công trình [29] và [44], các nhóm tác giả đã nghiên cứu lý thuyết hiện tượng phách lượng tử của exciton và đã tìm thấy dạng dao động của cường độ hấp thụ phụ thuộc thời gian của exciton, thể hiện hành vi của phách lượng tử dưới tác dụng của một xung bơm mạnh. Nhìn chung, các công trình nghiên cứu trên đã cho thấy sự tồn tại của hiện tượng phách lượng tử trong một số cấu trúc bán dẫn thấp chiều. Tuy nhiên, các nhóm tác giả vẫn chưa giải thích rõ cơ chế hình thành phách lượng tử cũng như chưa khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các tham số cấu trúc hình học cũng như trường ngoài lên hành vi của phách. Đồng thời các công trình nghiên cứu lý thuyết hiện tượng phách lượng tử trong các cấu trúc chấm lượng tử vẫn còn rất hạn chế. Do vậy nhóm tác giả Dinh Nhu Thao và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết hiện tượng này trong một số cấu trúc chấm lượng tử [61], [62] nhằm khắc phục những lớp bài toán mà các công trình trước đây chưa khảo sát. Tuy nhiên, các công trình của nhóm tác giả Dinh Nhu Thao vẫn chưa khảo sát sự phụ 4