ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
********
NGUYỄN THỊ THU
PHƯƠNG PHÁP GẦN ĐÚNG KHỐI LƯỢNG HIỆU DỤNG
VÀ ÁP DỤNG CHO TRẠNG THÁI CỦA ELECTRON
TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆM
Ngành học: Vật lý lý thuyết - Vật lý toán
Giảng viên hướng dẫn
TS. Lê Thị Thu Phương
Huế, khóa học 2014-2018
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, thế giới đã và đang hình thành một ngành khoa học công
nghệ mới có nhiều triển vọng và dự đoán sẽ tác động mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa
học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống kinh tế - xã hội ở thế kỉ XXI, đó là ngành công
nghệ nano. Tuy mới xuất hiện nhưng ngành công nghệ nano đã có những thành tựu hết sức lớn
trên hầu hết các lĩnh vực: điện tử, y học, công nghệ, môi trường. . . Chính vì những ứng dụng
thiết thực đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nói chung và các nhà vật lí nói riêng tập trung
nghiên cứu nhiều về ngành công nghệ này.
Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ nano là sự ra đời của chất bán dẫn mới gồm
nhiều lớp mỏng xen kẽ nhau có độ dày vào cỡ nanomet – gọi là bán dẫn có cấu trúc nano. Ngành
vật lý nghiên cứu bán dẫn này là vật lý thấp chiều hay vật lý có cấu trúc nano (Nanophysics).
Cấu trúc thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một mặt phẳng, một đường
thẳng hay một điểm, tức là hạn chế chuyển động của các electron theo một hướng trong phạm
vi bước sóng De-Broglie. Người ta tạo ra được cấu trúc điện tử hai chiều (giếng thế lượng tử)
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 hóa mạnh. Tiếp tục như vậy, ta có thể hình thành nên cấu trúc không chiều
(chấm lượng tử). Trong bán dẫn thấp chiều, chuyển động của hạt mang điện tự do theo hai
chiều (giếng lượng tử) hoặc một chiều (dây lượng tử) hoặc không chiều (chấm lượng tử) với sự
giam giữ hạt mang điện theo cả 3 chiều. Với tính chất bị giam giữ mạnh của hạt mang điện
nên bán dẫn thấp chiều có các tính chất vật lý khác hẳn với khối bán dẫn thông thường, đặc
biệt là tính chất điện, quang và phản ứng với môi trường.
1
Chấm lượng tử (quantum dot) là một tinh thể nano được làm từ vật liệu bán dẫn, có
kích thước từ vài nm tới vài chục nm, thường có dạng hình cầu. Chấm lượng tử là một vật liệu
mới và có rất nhiều ứng dụng vô cùng quan trọng trong cuộc sống và sản xuất. Có thể nói,
hiện nay là thời đại của chấm lượng tử vì có rất nhiều ứng dụng hứa hẹn và nổi bật của chấm
lượng tử trong các lĩnh vực kể trên. Đặc tính nổi trội của các chấm lượng tử là hiệu ứng giam
dữ lượng tử do kích thước giảm xuống cỡ nm. Đặc tính này dẫn đến việc các hạt tải tích điện
bị giam dữ về mặt không gian, ở bên trong thể tích rất bé của nano tinh thể. Do hiệu ứng này
các nhà khoa học có thể sử dụng kích thước của các chấm lượng tử, để thay đổi năng lượng
của các trạng thái lượng tử gián đoạn và các dịch chuyển quang học. Kết quả là các nhà khoa
học có thể thay đổi phát xạ ánh sáng từ các hạt chấm lượng tử này, từ vùng phổ tử ngoại đến
vùng nhìn thấy, hồng ngoại gần và tới vùng phổ hồng ngoại giữa.
Có nhiều phương pháp để nghiên cứu tính chất của hệ electron trong vật liệu khối nói
chung và vật liệu nano nói riêng như phương pháp gần đúng electron liên kết yếu, phương pháp
gần đúng electron liên kết mạnh. . . Trong đó, phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng được
sử dụng rộng rãi và có nhiều ưu việt. Người ta hy vọng phương pháp này sẽ giúp dự báo các
tính chất của hệ electron khi có ảnh hưởng của hiệu ứng giam giữ lượng tử và tính đối xứng
tuần hoàn của mạng tinh thể khi bị phá vỡ.
Việc nghiên cứu tính chất của chất bán dẫn thấp chiều nói chung và của chấm lượng tử
nói riêng là vô cùng quan trọng và tất yếu. Để bước đầu tiếp cận với việc nghiên cứu tính chất
của các vật liệu mới này và chuẩn bị cho các nghiên cứu sâu hơn, tôi chọn đề tài cho khóa luận
của mình là: "Phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng và áp dụng cho trạng
thái của electron trong chấm lượng tử" để làm nội dung nghiên cứu.
2
2. Cơ sở nghiên cứu
2.1. Cơ sở lý luận
Để nghiên cứu rõ hơn và nghiên cứu sâu hơn thì việc bước đầu tìm hiểu ngành công
nghệ nano qua nghiên cứu các trạng thái của electron trong tinh thể nano là rất cần thiết.
2.2. Cơ sở thực tiễn
Trong thực tế, thực ngữ công nghệ nano xuất hiện rất thường xuyên. Tuy nhiên để
hiểu đúng thuật ngữ này thì không phải dễ dàng. Do đó, việc đưa ra một cách tổng quát phương
pháp nghiên cứu tính chất của electron trong tinh thể và nghiên cứu sâu hơn về phương pháp
gần đúng khối lượng hiệu dụng sẽ giúp chúng ta có một cái nhìn tổng quát về ngành công nghệ
nano và phần nào hiểu được cơ sở khoa học của ngành công nghệ này.
3. Mục đích của đề tài
Mục tiêu của khóa luận là sử dụng phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng để
tính toán các trạng thái điện tử của electron trong chấm lượng tử.
4. Nội dung nghiên cứu
1. Khái quát các phương pháp gần đúng nghiên cứu trạng thái của electron trong tinh thể đặc
biệt là phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng.
2. Nghiên cứu các khái niệm giả hạt, tìm hiểu về cấu trúc thấp chiều.
3. Áp dụng phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng trong việc nghiên cứu các trạng thái
của electron trong chấm lượng tử.
5. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng.
6. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
6.1. Đối tượng nghiên cứu
Các chấm lượng tử. 3
6.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài giới hạn trong phạm vi chỉ nghiên cứu các trạng thái của electron trong chấm lượng
tử. Do đó chỉ tập trung nghiên cứu tương tác electron – phonon, bỏ qua tương tác electron –
electron.
7. Bố cục đề tài nghiên cứu
- Khóa luận gồm có ba phần chính:
+ Phần Mở đầu giới thiệu khái quát về lí do chọn đề tài, cơ sở nghiên cứu, mục tiêu, nội dung,
phương pháp, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
+ Phần Nội dung chính của Khóa luận gồn ba chương:
Chương 1: Phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng cho bài toán electron trong tinh thể
Chương 2: Khái niệm các giả hạt và cấu trúc thấp chiều
Chương 3: Trạng thái lượng tử trong chấm lượng tử
+ Phần Kết luận đưa ra kết luận chung và tóm tắt kết quả đạt được của Khóa luận.
4