Đ Ạ I H Ọ C H U Ề
T R Ư Ờ N G Đ A I H Ọ C s ư P H Ạ M
N G U Y Ễ N Đ Ì N H H IÊ N
N G H I Ê N C Ứ U Ả N H H Ư Ở N G C Ủ A s ự G IA M G IỮ
P H O N O N L Ê N M Ộ T s ố H IỆ U Ứ N G C Ộ N G H Ư Ở N G
D O T Ư Ơ N G T Á C C Ủ A E L E C T R O N -P H O N O N
T R O N G G IẾ N G L Ư Ợ N G T Ử
Chuyên ngành: Vậ t lý lý thuyế t và Vậ t lý toán
Mã số : 62 44 01 03
TÓM TẮ T LUẬ N ÁN TIEN s ĩ v ậ t l ý
H U Ề , N Ă M 20 1 8
C Ô N G T R Ì N H Đ Ư Ợ C H O À N T H À N H T Ạ I
T R Ư Ờ N G Đ A I H Ọ C s ư P H Ạ M - Đ A I H O C H ư Ế
Ngư ờ i hư ớ ng dẫ n khoa họ c:
1. G S .T S . T rầ n C ôn g P h o n g
2. P G S .T S . Lê Đ ìn h
Phả n biệ n 1:
Phả n biệ n 2:
Phả n biệ n 3:
Luậ n án này sẽ đư ợ c bả o vệ tạ i Hộ i đồ ng chấ m luấ n án cấ p Đạ i họ c
Huế , họ p tạ i:.................................................................................................
vào l ú c
....
giờ , n g à y
......
th á n g
......
năm 2018
Có thể tìm hiề u luậ n án tạ i:
1. Thư việ n Quố c gia
2. Thư việ n trư ờ ng Đạ i họ c Sư phạ m Huế
1
M Ở Đ Ầ U
1. L ý d o ch ọ n đ ề tà i
Khoa họ c và Công nghệ nano là m ộ t ngành khoa họ c và công nghệ mớ i, có
nhiề u triể n vọ ng và dự đoán sẽ tác độ ng m ạ nh mẽ đế n tấ t cả các lĩnh vự c khoa
họ c, công nghệ , kỹ th uậ t cũng như đờ i số ng - kinh tế xã hộ i ở thế kỉ 21. Đây là
lĩnh vự c m ang tín h liên ngành cao, bao gồ m vậ t lí, hóa họ c, y dư ợ c - sinh họ c,
công nghệ điệ n tử tin họ c, công nghệ môi trư ờ ng và nhiề u công nghệ khác. Theo
trung tâm đánh giá công nghệ thế giớ i (World Technology Evaluation C entre),
trong tư ơ ng lai sẽ không có ngành công nghiệ p nào m à không ứ ng dụ ng công
nghệ nano.
Khoa họ c và Công nghệ nano đư ợ c đị nh nghĩa là khoa họ c và công nghệ
nhằ m tạ o ra và nghiên cứ u các vậ t liệ u, các cấ u trú c và các linh kiệ n có kích
thư ớ c trong khoả ng từ 0.1 đế n 100 nm, vớ i rấ t nhiề u tính chấ t khác biệ t so vớ i
vậ t liệ u khố i. T h ậ t vậ y, các nhà nghiên cứ u đã chỉ ra rằ ng khi kích thư ớ c củ a
chấ t bán dẫ n giả m xuố ng m ộ t cách đáng kể theo 1 chiề u, 2 chiề u, hoặ c cả 3
chiề u thì các tính chấ t vậ t lý như : tín h chấ t cơ , nhiệ t, điệ n, từ , quang thay đổ i
mộ t cách độ t ngộ t. C hính điề u đó đã làm cho các cấ u trúc nano trở th àn h đố i
tư ợ ng củ a các nghiên cứ u cơ bả n, cũng như các nghiên cứ u ứ ng dụ ng. Các tính
chấ t củ a các cấ u trúc nano có thể thay đổ i đư ợ c bằ ng cách điề u chỉ nh hình
dạ ng và kích thư ớ c cỡ nanom et củ a chúng.
Khi kích thư ớ c củ a vậ t rắ n theo mộ t phư ơ ng nào đó (chẳ ng hạ n như phư ơ ng
z) giả m xuố ng chỉ còn vào cỡ nanom et (nghĩa là cùng bậ c độ lớ n vớ i bư ớ c sóng
de Broglie củ a hạ t tả i điệ n) thì các electron có thể vẫ n chuyể n độ ng hoàn toàn
tự do trong m ặ t phẳ ng (x,y), như ng chuyể n độ ng củ a chúng theo phư ơ ng z sẽ
bị giớ i hạ n. Hệ electron như vậ y gọ i là hệ electron chuẩ n hai chiề u và chấ t bán
dẫ n đư ợ c gọ i là bán dẫ n chuẩ n 2 chiề u. Nế u kích thư ớ c củ a vậ t rắ n theo phư ơ ng
y cũng giả m xuố ng chỉ còn vào cỡ vài nanom et, khi đó các electron chỉ có thể
chuyể n độ ng tự do theo phư ơ ng X, còn chuyể n độ ng củ a chúng theo các phư ơ ng
z và y đã bị lư ợ ng tử hóa. Hệ electron như vậ y gọ i là hệ electron chuẩ n mộ t
chiề u và chấ t bán dẫ n như vậ y gọ i là bán dẫ n chuẩ n 1 chiề u hay dây lư ợ ng tử .
Tư ơ ng tự , nế u kích thư ớ c củ a vậ t rắ n theo cả 3 phư ơ ng đồ ng thờ i giả m xuố ng
chỉ còn vào cỡ vài nanom et thì chuyể n độ ng củ a các electron theo cả 3 phư ơ ng
(.x,y,z) đề u bị giớ i hạ n hay nói cách khác các electron bị giam giu theo cả 3
1
chiề u, thì hệ đư ợ c gọ i là chấ m lư ợ ng tử . Nhữ ng vậ t liệ u có cấ u trúc như trên
gọ i là vậ t liệ u th ấ p chiề u hay bán dẫ n chuẩ n thấ p chiề u, c ấ u trúc này có nhiề u
tính chấ t mớ i lạ so vớ i cấ u trúc thông thư ờ ng, cả về tín h chấ t quang cũng như
tính chấ t điệ n.
Việ c chuyể n từ hệ electron 3 chiề u sang hệ electron chuẩ n th ấ p chiề u đã
làm thay đổ i đáng kể cả về m ặ t đị nh tính cũng như đị nh lư ợ ng nhiề u tín h chấ t
vậ t lý trong đó có tính chấ t quang, điệ n củ a vậ t liệ u; đồ ng thờ i cũng đã làm
xuấ t hiệ n thêm nhiề u đặ c tín h mớ i ư u việ t hơ n m à hệ electron 3 chiề u không
có. Sự giam giữ electron trong các cấ u trúc thấ p chiề u đã làm cho phả n ứ ng
củ a hệ đố i vớ i trư ờ ng ngoài xả y ra khác biệ t so vớ i trong hệ electron 3 chiề u.
Các vậ t liệ u bán dẫ n vớ i cấ u trúc như trên đã tạ o ra các linh kiệ n, thiế t bị dự a
trên nhữ ng nguyên tắ c hoàn toàn mớ i, từ đó hình thành nên mộ t công nghệ
hiệ n đạ i có tính cách m ạ ng trong khoa họ c, kỹ th u ậ t nói chung và trong lĩnh
vự c quang-điệ n tử nói riêng. Đó là lý do tạ i sao bán dẫ n có cấ u trúc thấ p chiề u,
trong đó có cấ u trú c chuẩ n hai chiề u đã, đang và sẽ đư ợ c nhiề u nhà vậ t lý quan
tâm nghiên cứ u.
Cộ ng hư ở ng electron-phonon (EPR) xả y ra trong chấ t bán dẫ n dư ớ i tác
dụ ng củ a điệ n trư ờ ng ngoài khi hiệ u hai mứ c năng lư ợ ng củ a electron bằ ng
năng lư ợ ng phonon. Nế u quá trình hấ p th ụ photon kèm theo sự hấ p thụ hoặ c
phát xạ phonon thì ta sẽ có hiệ u ứ ng cộ ng hư ở ng electron-phonon dò tìm bằ ng
quang họ c (OD EPR ). Việ c nghiên cứ u hiệ u ứ ng E P R /O D E P R trong các thiế t
bị lư ợ ng tử hiệ n đạ i đóng vai trò rấ t quan trọ ng trong việ c hiể u biế t tín h chấ t
chuyể n tả i lư ợ ng tử củ a hạ t tả i điệ n trong bán dẫ n. Hiệ u ứ ng này trong giế ng
lư ợ ng tử đã đư ợ c quan tâm nghiên cứ u cả về lý thuyế t củ a Kim s. w. và Kang
N. L. lẫ n thự c nghiệ m củ a U num a T. vớ i giả th iế t phonon là phonon khố i.
Cộ ng hư ở ng từ -phonon (M PR) là sự tán xạ cộ ng hư ở ng electron gây ra bở i
sự hấ p th ụ hay phát xạ phonon khi khoả ng cách giữ a hai mứ c Landau bằ ng
năng lư ợ ng củ a phonon quang dọ c. Hiệ u ứ ng này đã và đang đư ợ c các nhà khoa
họ c rấ t quan tâm vì nó là công cụ phổ m ạ nh để khả o sát các tín h chấ t như cơ
cấ u hồ i phụ c hạ t tả i, sự tắ t dầ n củ a các dao độ ng, đo khố i lư ợ ng hiệ u dụ ng,
xác đị nh khoả ng cách giữ a các mứ c năng lư ợ ng kề nhau củ a các chấ t bán dẫ n.
Hiệ n tư ợ ng M PR có thể đư ợ c quan sát trự c tiế p thông qua việ c dò tìm cộ ng
hư ở ng từ -phonon bằ ng quang họ c (O D M PR). Hiệ u ứ ng này trong giế ng lư ợ ng
tử đã đư ợ c quan tâm nghiên cứ u cả về lý thuyế t củ a Hai G. Q. và Peeters F.
M. lẫ n thự c nghiệ m củ a Barnes D. J. khi xét phonon khố i.
2
Cộ ng hư ở ng cyclotron (CR) xả y ra trong bán dẫ n khi có m ặ t cả điệ n trư ờ ng
và từ trư ờ ng, đồ ng thờ i tầ n số điệ n trư ờ ng (tầ n số photon) bằ ng tầ n số cyclotron
hay nói cách khác năng lư ợ ng photon bằ ng năng lư ợ ng cyclotron. Điề u kiệ n và
các đặ c trư ng củ a hiệ n tư ợ ng phụ thuộ c vào nhiệ t độ , cư ờ ng độ từ trư ờ ng và
tính chấ t củ a cơ chế tán xạ hạ t tả i. Vì vậ y, hiệ u ứ ng này cho phép chúng ta
thu thậ p đư ợ c nhiề u thông tin hữ u ích củ a hạ t tả i và phonon. Hiệ u ứ ng CR
đã đư ợ c quan tâm nghiên cứ u cả về lý thuyế t củ a Kang N. L. lẫ n thự c nghiệ m
củ a Kobori H. trong bán dẫ n khố i, trong giế ng lư ợ ng tử củ a Singh M. về m ặ t
lý thuyế t và củ a Hopkins M. A. về thự c nghiệ m cũng vớ i giả thiế t phonon là
phonon khố i.
Việ c nghiên cứ u các hiệ u ứ ng E P R /O D E P R , M P R /O D M PR , C R trong
các hệ electron chuẩ n hai chiề u đã và đang đư ợ c các nhà khoa họ c rấ t quan
tâm . Sở dĩ như vậ y là đố i vớ i như ng bán dẫ n có độ thuầ n khiế t cao thì tư ơ ng
tác electron-phonon là loạ i tư ơ ng tác chủ yế u. Nó sẽ góp phầ n làm sáng tỏ các
tính chấ t mớ i củ a khí electron hai chiề u dư ớ i tác dụ ng củ a trư ờ ng ngoài, từ đó
cung cấ p thông tin về tin h thể và tính chấ t quang củ a hệ electron chuẩ n hai
chiề u cho công nghệ chế tạ o các linh kiệ n quang điệ n tử và quang tử .
Ngày nay, đố i vớ i các bán dẫ n thấ p chiề u nói chung và giế ng lư ợ ng tử nói
riêng, các nhà vậ t lý thư ờ ng quan tâm đế n việ c nghiên cứ u nhằ m p hát hiệ n
thêm các hiệ u ứ ng mớ i m à chư a đi sâu nghiên cứ u để tìm thêm các đặ c tín h mớ i
trong các hiệ u ứ ng quen thuộ c do tư ơ ng tác electron-phonon gây ra dư ớ i tác
dụ ng củ a trư ờ ng cao tầ n như hiệ u ứ ng E PR , M PR và CR khi xét đế n phonon
giam giu.
Bên cạ nh hệ electron bị giam giu thì sự giam giu phonon chắ c chắ n sẽ làm
gia tăng tố c độ tán xạ electron-phonon, từ đó có thể làm xuấ t hiệ n thêm các
đặ c tính mớ i thú vị hơ n. Vì vậ y, các bài toán về E P R /O D E P R , M PR /O D M PR ,
CR khi tín h đế n phonon bị giam giu trong giế ng lư ợ ng tử đang còn bỏ ngỏ ,
chư a đư ợ c nghiên cứ u nhiề u.
Chính vì vậ y, “N g h iê n cứ u ả n h h ư ở n g c ủ a sự g ia m g iữ p h o n o n lên
m ộ t số h iệ u ứ n g c ộ n g h ư ở n g d o tư ơ n g tá c c ủ a e le c tr o n -p h o n o n tr o n g
g iế n g lư ợ n g t ử ” là cầ n thiế t.
3