Luận án: Động lực học hạt tải và dao động trong bán dẫn có cấu trúc nano

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận án này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất cũng như sự kính trọng của mình đến Thầy giáo PGS. Đinh Như Thảo. Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và định hướng cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Thầy đã dìu dắt tôi trên con đường nghiên cứu khoa học, tận tình hướng dẫn tôi từ phương pháp làm việc có hiệu quả, phương pháp nghiên cứu khoa học, sự nghiêm túc trong khoa học, đến việc chỉnh sửa cho tôi từng câu văn, đoạn văn trong luận án.

Bên cạnh đó, Thầy còn truyền đạt cho tôi những kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm quý báu trong công việc cũng như trong cuộc sống. Luận án này là một sự kiện đặc biệt và có ý nghĩa lớn đối với tôi. Trong sự kiện ý nghĩa đó tôi đã nhận được món quà trân quý nhất từ Thầy, đó là sự trưởng thành hơn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong công việc giảng dạy của tôi. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo TS.

Lê Quý Thông và Thầy giáo ThS. Lê Ngọc Minh. Hai người Thầy kính mến, tuy không trực tiếp hướng dẫn tôi trong công trình nghiên cứu này nhưng hai Thầy luôn luôn động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong công việc cũng như chia sẻ niềm vui mỗi khi tôi đạt được kết quả mới. Xin trân trọng cảm ơn Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, cùng tất cả các Thầy Cô trong Khoa đã giảng dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu.

Xin chân thành cảm ơn Phòng Đào tạo Sau đại học, Trường Đại i học Sư phạm, Đại học Huế đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong việc hoàn thành các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy, các Cô, các anh chị em đồng nghiệp trong Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu và công tác. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến hai bạn đồng môn Dương Đình Phước và Trần Thiện Lân. Hai bạn đã cùng tôi ngồi tại những quán cà phê để cùng nhau tâm sự và chia sẻ về những khó khăn trong quá trình nghiên cứu cũng như niềm vui mỗi khi đạt được một kết quả mới.

Cuối cùng tôi xin dành tất cả sự yêu thương và lời cảm ơn đến những thành viên trong gia đình. Cảm ơn bố mẹ đã luôn giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất để con dâu và con gái yên tâm học tập, nghiên cứu khoa học. Cảm ơn chồng đã luôn luôn bên cạnh giúp đỡ, động viên, ủng hộ vợ hết mình. Mẹ cảm ơn hai con Gin, Bin đã ngoan ngoãn và luôn yêu thương mẹ.

Mẹ yêu ba bố con nhiều lắm. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả! ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu, đồ thị nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Thị Ngọc Bảo iii MỤC LỤC Lời cảm ơn.

i Lời cam đoan. iii Mục lục. iv Danh sách các hình vẽ. xiv Danh sách các bảng.

xv Mở đầu. Tổng quan về bán dẫn có cấu trúc na-nô-mét. Chấm lượng tử. Tổng quan về chấm lượng tử bán dẫn.

Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử (lỗ trống) trong chấm lượng tử hình cầu. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử (lỗ trống) trong chấm lượng tử hình ellip. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo tập hợp tự hợp. Tổng quan phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa.

Kết luận chương 1. Mô phỏng động lực học hạt tải. Tổng quan tình hình nghiên cứu. Phương pháp giải phương trình Poisson ba chiều bằng thuật toán BiCGstab(l ).

Kết quả mô phỏng và thảo luận. Kết luận chương 2. Hiệu ứng Stark quang học của exciton trong chấm lượng tử. Tổng quan tình hình nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học 58 3.

Hiệu ứng Stark quang học của exciton trong chấm lượng tử hình cầu. Mô hình và lý thuyết. Yếu tố ma trận cho chuyển dời quang giữa hai mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử. Hấp thụ exciton khi không có laser bơm.

Hấp thụ exciton trong trường hợp có laser bơm. Kết quả tính toán và thảo luận. Hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử hình ellip 77 3. Mô hình và lý thuyết.

Kết quả tính toán và thảo luận. Kết luận chương 3. Hiện tượng phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử. Tổng quan tình hình nghiên cứu hiện tượng phách lượng tử 92 4.

Hiện tượng phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử hình cầu. Mô hình và lý thuyết. Hàm sóng của exciton lưỡng cực. Phách lượng tử của exciton.

Kết quả tính toán và thảo luận. Hiện tượng phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử hình ellip. Mô hình và lý thuyết. Kết quả tính toán và thảo luận.

Kết luận chương 4. 127 Danh mục các bài báo đã công bố liên quan đến luận án. 130 Tài liệu tham khảo .1 vi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 1.1 Minh họa chấm lượng tử hình ellip dạng thuẫn (hình a) và chấm lượng tử hình ellip dạng dẹt (hình b).2 Lưu đồ mô phỏng Monte Carlo tập hợp tự hợp ba chiều [74].3 Lược đồ động lực học hạt tải theo thời gian trong phương pháp Monte Carlo tập hợp. Các đường nét liền nằm ngang chỉ ra quỹ đạo chuyển động theo thời gian của mỗi hạt.

Các đường nét đứt dọc chỉ ra thời điểm tính toán. Dấu × trên các đường nét liền chỉ ra thời điểm xảy ra sự kiện tán xạ [74].4 Giản đồ chọn lựa một cơ chế tán xạ [74].5 Sơ đồ mô hình hệ ba mức. Trong đó kí hiệu E0 là mức năng lượng của lỗ trống; E1 , E2 là các mức năng lượng của điện tử; ωp là tần số của laser bơm; ωt là tần số của laser dò và ∆ω là độ lệch tần số cộng hưởng của sóng bơm với hiệu hai mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử.1 Thuật toán BiCGstab(l ) [66].2 Mô hình đi-ốt p-i-n GaAs [12].3 Vận tốc trôi dạt của điện tử theo các phương khác nhau và vận tốc trôi dạt toàn phần như là hàm của thời gian ứng với điện trường ngoài Eex = 100 kV/cm.4 Vận tốc trôi dạt toàn phần của điện tử theo thời gian ứng với điện trường ngoài Eex = 70 kV/cm, Eex = 100 kV/cm và Eex = 130 kV/cm.5 Vận tốc trôi dạt toàn phần của điện tử theo thời gian thu được khi sử dụng thuật toán BiCGstab(5) và BiCGstab [6] ứng với điện trường ngoài Eex = 100 kV/cm.6 Phân bố điện thế trong đi-ốt p-i-n bán dẫn GaAs ứng với điện trường ngoài Eex = 100 kV/cm: a) Trong không gian tại các điểm nút trên mặt cắt z = 10 nm. b) Dọc theo trục Ox, y = z = 10 nm trong chương trình mô phỏng có sử dụng thuật toán BiCGstab(5) và BiCGstab.7 So sánh chuẩn Euclide của vectơ thặng dư trong trường hợp chương trình con Poisson dùng thuật toán BiCGstab(l ) và thuật toán BiCGstab.8 Đồ thị biểu diễn độ lớn của các thành phần của vectơ thặng dư của chương trình con Poisson trong hai trường hợp dùng thuật toán BiCGstab(l ) và thuật toán BiCGstab.9 Thời gian trung bình trên một lần giải phương trình Pois- son theo thuật toán BiCGstab và BiCGstab(l ) với l = 1, 10.1 Mô hình hệ ba mức: |0i là mức của lỗ trống, |1i và |2i là các mức của điện tử.

a) Chuyển dời quang giữa hai mức năng lượng của điện tử dưới tác dụng của laser bơm có tần số ωp được kí hiệu bởi đường mũi tên nét đứt. b) Chuyển dời quang giữa hai mức |0i và |1i dưới tác dụng của laser dò có tần số ωt được kí hiệu bởi đường mũi tên chấm chấm.2 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu có bán kính R = 60 Å khi không có sóng bơm (đường đứt nét) và khi có sóng bơm (đường liền nét) trong trường hợp độ lệch của sóng bơm với khoảng cách hai mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử ~∆ω = 0 meV.3 a) Chuyển dời từ mức năng lượng của lỗ trống lên mức năng lượng đầu tiên của điện tử khi không có sóng bơm laser. b) Khi có sóng bơm laser cộng hưởng hai mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử, mỗi mức năng lượng của điện tử được tách thành hai mức con; tồn tại chuyển dời từ mức năng lượng của lỗ trống lên hai mức con của mức năng lượng điện tử thứ nhất |1+i và |1−i tuân theo quy tắc lọc lựa.4 Sự phụ thuộc của xác suất hấp thụ vào tần số khi có sóng bơm với các độ lệch cộng hưởng khác nhau ~∆ω = 0 meV (đường liền nét), ~∆ω = 0.5 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu khi có tác dụng của laser bơm trong trường hợp bán kính chấm R = 60 Å như là hàm của độ lệch của sóng bơm với khoảng cách hai mức năng lượng ~∆ω và năng lượng photon ~ωt .6 Phổ hấp thụ của exciton khi không có sóng bơm (đường đứt nét màu đỏ) và khi có sóng bơm (đường liền nét màu xanh) trong trường hợp độ lệch của sóng bơm với khoảng cách hai mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử ~∆ω = 0 meV trong hai chấm lượng tử hình ellip: a) Dạng thuẫn; b) Dạng dẹt.7 Sự phụ thuộc của xác suất hấp thụ vào tần số khi có sóng bơm với các độ lệch cộng hưởng khác nhau ~∆ω = 0 meV (đường liền nét), ~∆ω = 0.8 Sự phụ thuộc của xác suất hấp thụ vào tần số khi có sóng bơm với các độ lệch cộng hưởng khác nhau ~∆ω = 0 meV (đường liền nét), ~∆ω = 0.3 meV (đường chấm chấm) trong hai chấm lượng tử hình ellip: dạng thuẫn với χ = 5 (hình a) và dạng dẹt với χ = 0.9 Phổ hấp thụ của exciton khi có tác dụng của laser bơm trong như là hàm của độ lệch của sóng bơm với khoảng cách hai mức năng lượng ∆ω và năng lượng photon ~ωt trong hai chấm lượng tử hình ellip: dạng thuẫn với χ = 3.5 (hình a) và dạng dẹt với χ = 0.