Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật: Các đặc trưng plasmon và tính chất động lực học của hệ điện tử trong graphene

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI<br /> <br /> HỒ SỸ TÁ<br /> <br /> CÁC ĐẶC TRƯNG PLASMON VÀ TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC<br /> HỌC CỦA HỆ ĐIỆN TỬ TRONG GRAPHENE<br /> <br /> Chuyên ngành<br /> <br /> : Vật lý kỹ thuật<br /> <br /> Mã số<br /> <br /> : 62520401<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT<br /> <br /> Hà Nội – 2017<br /> <br /> Công trình được hoàn thành tại:<br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> <br /> Người hướng dẫn khoa học:<br /> 1. TS. Đỗ Vân Nam<br /> 2. PGS. TS. Lê Tuấn<br /> <br /> Phản biện 1: …………………………………………<br /> Phản biện 2:………………………………………….<br /> Phản biện 3: …………………………………………<br /> Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ<br /> cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………<br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:<br /> 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội<br /> 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> Lý do chọn đề tài<br /> Trong lĩnh vực plasmonics, graphene hiện đang là vật liệu được<br /> tập trung nghiên cứu mạnh mẽ do có nhiều thuộc tính ưu việt vượt<br /> trội so với vật liệu kim loại như: bề dày mỏng chỉ là một lớp nguyên<br /> tử carbon nhưng tương tác mạnh với ánh sáng, thời gian sống của<br /> plasmon dài hơn nhiều lần so với plasmon trong kim loại và do đó<br /> quãng đường truyền đi có thể lên tới kích thước micromet, đặc biệt<br /> tần số plasmon trong graphene có thể được điều khiển thông qua việc<br /> điều khiển được mật độ hạt tải điện bằng phương pháp phân cực tĩnh<br /> điện.<br /> Trên phương diện nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu sự hình thành<br /> và các đặc trưng của plasmon trong graphene là cần thiết để hiểu<br /> được các tính chất động lực học cơ bản của hệ điện tử hai chiều trong<br /> mạng tinh thể lục giác.<br /> Mục đích nghiên cứu<br /> Đề tài tập trung khảo sát các tính chất động lực học của hệ<br /> electron dẫn bên trong màng graphene dưới các điều kiện tác động<br /> khác nhau của trường ngoài và nghiên cứu các cơ chế hình thành và<br /> điều kiện duy trì các trạng thái kích thích tập thể (plasmon) của hệ<br /> electron, làm sáng tỏ tiềm năng sử dụng graphene trong lĩnh vực<br /> nano-plasmonics.<br /> Đối tượng và phạm vi nghiên cứu<br /> Đối tượng nghiên cứu là hệ electron hai chiều trong mạng tinh thể<br /> graphene thuần khiết ở các chế độ pha tạp khác nhau. Đề tài tập<br /> trung khảo sát các tính chất động lực học của hệ electron trong các<br /> điều kiện môi trường khác nhau (như nhiệt độ, nồng độ hạt tải, năng<br /> lượng kích thích) và xác định các đặc trưng của các trạng thái kích<br /> thích tập thể của hệ electron.<br /> Phương pháp nghiên cứu<br /> <br /> 1<br /> <br /> Phương pháp chung của đề tài là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với<br /> mô phỏng vật liệu. Các phép gần đúng được áp dụng một cách thích<br /> hợp trong quá trình tính toán để có thể thu nhận được những kết luận<br /> vật lý cơ bản nhất. Trong điều kiện nhiệt độ không tuyệt đối và mức<br /> độ pha tạp yếu chúng tôi sử dụng mô hình liên tục với phương trình<br /> Dirac để mô tả tính động lực học của hệ electron. Phương pháp giải<br /> tích đã được sử dụng hiệu quả để đi đến tận cùng biểu thức hàm điện<br /> môi và phổ tán sắc theo quy luật căn bậc hai của plasmon. Các tính<br /> toán số được phát triển để thực thi các khảo sát hệ điện tử trong<br /> trường hợp tổng quát như nhiệt độ hữu hạn và mức độ pha tạp hữu<br /> hạn. Các tính số được phát triển để tính đến đặc điểm bất đẳng hướng<br /> quan trọng của các mặt năng lượng trong nón Dirac trong toàn vùng<br /> Brillouin thông qua mô hình liên kết chặt trong gần đúng lân cận thứ<br /> hai và tính không trực giao của hệ hàm cơ sở. Tương tác electronelectron được xem xét trong gần đúng pha ngẫu nhiên (RPA) và<br /> được mở rộng để kết hợp được hiệu ứng trường địa phương (LFE).<br /> Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài<br /> Đề tài giải quyết một bài toán vật lý cơ bản là nghiên cứu các tính<br /> chất động lực học của hệ electron trong mạng tinh thể graphene hai<br /> chiều trong đó hiệu ứng tương tác nhiều hạt được tính đến trong gần<br /> đúng pha ngẫu nhiên. Các kết quả mà đề tài thu được cho phép làm<br /> sáng tỏ và góp phần hoàn thiện bức tranh vật lý về các tính chất cơ<br /> bản của vật liệu graphene – tính chất điện tử và quang học. Không<br /> chỉ vậy, các kết quả thu được còn cho phép chỉ ra tiềm năng ứng<br /> dụng của vật liệu graphene trong các lĩnh vực công nghệ cao như<br /> nano-electronics, nano-optoelectronics và nano-photonics qua việc<br /> xác định các mode điện từ mà graphene cho phép lan truyền trong<br /> các điều kiện khác nhau.<br /> Kết quả mới của đề tài<br /> Kết quả nghiên cứu chính của đề tài được công bố trong hai bài<br /> báo ISI, một đăng năm 2014 trên tạp chí Physica E và một đăng đầu<br /> năm 2016 trên tạp chí Physica Status Solidi B.<br /> <br /> 2<br /> <br /> Trong bài báo thứ nhất chúng tôi báo cáo nghiên cứu khảo sát<br /> hiệu ứng của một số tham số như nhiệt độ và độ pha tạp lên sự hình<br /> thành và các đặc trưng của các trạng thái kích thích tập thể của<br /> electron trong màng graphene. Đặc biệt chúng tôi chỉ ra đặc điểm<br /> phân cực của plasmon có nguồn gốc từ tính bất đẳng hướng của các<br /> mặt năng lượng của các dải pi. Theo đó, trong giới hạn pha tạp rất<br /> thấp, hệ điện tử trong graphene chỉ có thể có một mode dao động tập<br /> thể với đặc trưng tán sắc đẳng hướng. Tuy nhiên, khi nâng cao mức<br /> độ pha tạp, mức năng lượng Fermi dịch chuyển lên miền năng lượng<br /> mà ở đó mặt năng lượng Fermi không còn đẳng hướng nữa. Khi đó,<br /> các đóng góp của các trạng thái gần mức Fermi sẽ nổi trội và dẫn đến<br /> kết quả là hệ thức tán sắc của plasmon trở nên bất đẳng hướng.<br /> Trong bài báo thứ hai, chúng tôi công bố kết quả khảo sát sự hình<br /> thành các mode kích thích tập thể của electron trong màng graphene<br /> ở chế độ pha tạp mạnh với mục đích ban đầu là xem xét rõ hơn nữa<br /> hiệu ứng phân cực của plasmon. Tuy nhiên, chúng tôi chỉ ra rằng,<br /> trong điều kiện pha tạp mạnh, màng graphene có thể cho phép hai<br /> mode điện từ truyền đi trên bề mặt, trong đó có một mode cũ đã được<br /> ghi nhận và một mode mới được dự đoán trong tính toán của chúng<br /> tôi. Mode plasmon mới có những đặc trưng hết sức đặc biệt và chúng<br /> tôi nhận thấy sự xuất hiện của mode này có nguồn gốc từ sự bất đẳng<br /> hướng của các mặt năng lượng trong nón Dirac và sự không tương<br /> đương giữa các trạng thái trong hai nón Dirac tồn tại độc lập trong<br /> vùng Brillouin.<br /> Kết cấu của luận án<br /> Luận án được chia làm các phần chính: phần mở đầu (5 trang);<br /> phần nội dung chính (111 trang); phần kết luận và kiến nghị; phần tài<br /> liệu tham khảo; và cuối cùng là phần phụ lục (15 trang).<br /> Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương.<br /> Chương 1 trình bày các kiến thức nền tảng cần thiết liên quan đến<br /> các nội dung của toàn bộ luận án. Các chương: chương 2, chương 3,<br /> chương 4 trình bày ba bài toán tương ứng với ba vấn đề cụ thể, là các<br /> nội dung đóng góp chính của đề tài.<br /> <br /> 3<br /> <br />