Luận án tiến sĩ nghiên cứu các cumulant và hệ số debye waller của tinh thể và hợ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  HỒ KHẮC HIẾU NGHIÊN CỨU CÁC CUMULANT VÀ HỆ SỐ DEBYE-WALLER CỦA TINH THỂ VÀ HỢP CHẤT BÁN DẪN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2011 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- Hồ Khắc Hiếu NGHIÊN CỨU CÁC CUMULANT VÀ HỆ SỐ DEBYE-WALLER CỦA TINH THỂ VÀ HỢP CHẤT BÁN DẪN DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT Chuyên ngành: Vật lý Lý thuyết và Vật lý Toán Mã số: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. Nguyễn Văn Hùng GS. Vũ Văn Hùng Hà Nội - 2011 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. i LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .v DANH MỤC BẢNG BIỂU. vi DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ. vii MỞ ĐẦU.1 CHƯƠNG 1: CUMULANT PHỔ EXAFS VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

Cumulant phổ EXAFS. Các phương pháp chủ yếu nghiên cứu các cumulant phổ EXAFS .19 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CỦA CÁC CUMULANT PHỔ EXAFS BẰNG MÔ HÌNH EINSTEIN TƯƠNG QUAN PHI ĐIỀU HÒA. Lý thuyết tổng quát mô hình Einstein tương quan phi điều hòa. Áp dụng mô hình Einstein tương quan phi điều hòa.41 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CỦA CÁC CUMULANT PHỔ EXAFS BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MOMENT.

Phương pháp thống kê moment. Các tính chất nhiệt động của tinh thể bán dẫn. Phương pháp thống kê moment trong nghiên cứu các cumulant phổ EXAFS .78 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CỦA CÁC CUMULANT PHỔ EXAFS CỦA Si, Ge, GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP VÀ InSb. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các cumulant phổ EXAFS.

Sự phụ thuộc áp suất của các cumulant phổ EXAFS .99 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com KẾT LUẬN .115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ.117 TÀI LIỆU THAM KHẢO.130 iv TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Diễn giải Nghĩa tắt Anharmonic correlated Einstein Mô hình Einstein tương quan phi ACEM model điều hòa BCC Body centered cubic Lập phương tâm khối DCF Displacement correlation function Hàm dịch chuyển tương quan DFT Density functional theory Lý thuyết phiếm hàm mật độ DWF Debye-Waller factor Hệ số Debye-Waller EM Equation-of-motion Phương trình chuyển động EP Effective potential Thế hiệu dụng Extended X-ray absorption fine Cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X EXAFS structure mở rộng FCC Face centered cubic Lập phương tâm diện GGA Generalized gradient approximation Gần đúng gradient mở rộng hGGA Hybrid GGA Phương pháp GGA lai HCP Hexagonal close-packed Lục giác xếp chặt LDA Local density approximation Gần đúng mật độ địa phương MC Monte-Carlo Monte-Carlo Độ dịch chuyển trung bình bình MSD Mean square displacement phương Độ dịch chuyển tương đối trung MSRD Mean-square relative displacement bình bình phương NND Nearest-neighbor distance Khoảng lân cận gần nhất PIEP Path-integral effective potential Thế hiệu dụng tích phân đường PIMC Path-integral Monte-Carlo Monte-Carlo tích phân đường SCF Self-consistent field Trường tự hợp SMM Statistical moment method Phương pháp thống kê moment S-W Stillinger-Weber Stillinger-Weber VDOS Vibrational density of state Mật độ trạng thái dao động VFF Valance force field Trường lực hóa trị XAFS X-ray absorption fine structure Cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X Cấu trúc phổ hấp thụ tia X gần XANES X-ray absorption near-edge structure cận v TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. Giới hạn nhiệt độ thấp và cao của các cumulant phổ EXAFS. Giá trị nhiệt độ nóng chảy và áp suất chuyển pha của các bán dẫn. Tham số thế Morse của các loại vật liệu.

Tham số thế Stillinger-Weber của các tinh thể bán dẫn. Giá trị MSD u 2  Å  của một số bán dẫn. Giá trị  2   2  295K    2  77 K  (10-2 Å2) đối với lớp cầu đầu tiên của GaAs. Giá trị 2 2  Å 2  phổ EXAFS cận K của nguyên tử Ga đối với lớp cầu đầu tiên của GaSb.

Tham số thế m-n của Cu, Kr [5, 98].104 vi TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự giao thoa của sóng quang điện tử tán xạ từ các nguyên tử lân cận và sóng phát ra từ nguyên tử hấp thụ tạo nên cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X.2: Sự hấp thụ tia X.3: Phổ XANES và EXAFS của GeCl4 ở nhiệt độ phòng.4: Đồ thị phổ EXAFS k   k  và cường độ của hàm chuyển Fourier F  R  cho Ga và As (cận hấp thụ K) tại một số nhiệt độ.1: Các nguyên tử lân cận của nguyên tử hấp thụ (A) và tán xạ (S).1: Sự phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 1 phổ EXAFS đối với tinh thể bán dẫn Ge.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 1 phổ EXAFS đối với tinh thể bán dẫn Si.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 2 phổ EXAFS đối với tinh thể bán dẫn Ge.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 2 phổ EXAFS đối với tinh thể bán dẫn Si.5: Sự phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 3 phổ EXAFS khi sử dụng ACEM với thế Morse và thế Stillinger-Weber đối với tinh thể bán dẫn Ge.6: Sự phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 3 phổ EXAFS khi sử dụng ACEM với thế Morse và thế Stillinger-Weber đối với tinh thể bán dẫn Si.7: Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD của nguyên tử Ga và As trong bán dẫn GaAs.8: Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD của nguyên tử Ga và P trong bán dẫn GaP.9: Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD của nguyên tử Ga và Sb trong bán dẫn GaSb.10: Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD của nguyên tử In và As trong bán dẫn InAs.11: Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD của nguyên tử In và Sb trong bán dẫn InSb.12: Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD của nguyên tử In và P trong bán dẫn InP.13: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 1 phổ EXAFS của bán dẫn cấu trúc zinc-blende GaAs.95 vii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.14: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 2 phổ EXAFS của bán dẫn cấu trúc zinc-blende GaAs.15: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 1 phổ EXAFS của bán dẫn cấu trúc zinc-blende InP.16: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ  2   2 T    2  20 K  phổ EXAFS của bán dẫn cấu trúc zinc-blende InP.17: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 1 phổ EXAFS của bán dẫn cấu trúc zinc-blende GaSb.18: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc 2 phổ EXAFS của bán dẫn cấu trúc zinc-blende GaSb.19: Sự phụ thuộc áp suất của cumulant bậc 2 phổ EXAFS của Kr.20: Sự phụ thuộc áp suất của MSD của Kr.21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc áp suất của  2 ( P)   2 (0) đối với kim loại Cu.22: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc áp suất của  (3) ( P)   (3) (0) đối với kim loại Cu.23: Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của phổ EXAFS của Cu mô phỏng bằng FEFF.24: Sự phụ thuộc áp suất của cường độ hàm chuyển Fourier của phổ EXAFS của Cu.25: Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của khoảng cách lân cận gần nhất NND của Ge ở nhiệt độ T = 300 K.26: Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của hằng số mạng của Si ở nhiệt độ T = 300 K.27: Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của hệ số nén V/V0 của Ge ở nhiệt độ T = 300 K.28: Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của hệ số nén V/V0 của Si ở nhiệt độ T = 300 K.29: Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của hệ số Debye-Waller của Ge ở nhiệt độ T = 300 K.30: Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của hệ số Debye-Waller của Si ở nhiệt độ T = 300 K.31: Sự thay đổi thể tích của các tinh thể bán dẫn GaAs, GaSb và GaP dưới ảnh hưởng của áp suất.32: Sự thay đổi thể tích của các tinh thể bán dẫn InAs, InSb và InP dưới ảnh hưởng của áp suất.111 viii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.33: Ảnh hưởng của áp suất lên độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD của nguyên tử Ga và As trong bán dẫn GaAs ở nhiệt độ T = 300 K.34: Ảnh hưởng của áp suất lên độ dịch chuyển trung bình bình phương MSD của nguyên tử In và As trong bán dẫn InAs ở nhiệt độ T = 300 K.35: Ảnh hưởng của áp suất lên cumulant bậc 2 phổ EXAFS của bán dẫn GaAs ở nhiệt độ T = 300 K.36: Ảnh hưởng của áp suất lên cumulant bậc 2 phổ EXAFS của bán dẫn GaP ở nhiệt độ T = 300 K.37: Ảnh hưởng của áp suất lên cumulant bậc 2 phổ EXAFS của bán dẫn InAs ở nhiệt độ T = 300 K.38: Ảnh hưởng của áp suất lên cumulant bậc 2 phổ EXAFS của bán dẫn InP ở nhiệt độ T = 300 K.114 ix TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, ngành khoa học và công nghệ vật liệu ngày càng trở nên quan trọng và phát triển một cách nhanh chóng. Trong quá trình nghiên cứu các vật liệu, việc xác định cấu trúc và các tính chất nhiệt động trở thành một vấn đề then chốt. Khoảng những năm 70 của thế kỷ XX xuất hiện một phương pháp thực nghiệm hữu hiệu nghiên cứu vật liệu, đó là cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X mở rộng (Extended X-ray Absorption Fine Structure – EXAFS).

Phổ EXAFS cho chúng ta rất nhiều thông tin quý báu của vật liệu như khoảng cách lân cận giữa các nguyên tử, số nguyên tử trong các lớp,. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng cao, các phonon tương tác với nhau dẫn đến các hiệu ứng phi điều hòa làm ảnh hưởng đến phổ EXAFS thu nhận được [8, 23, 95, 111]. Để xác định các sai khác do hiệu ứng phi điều hòa, người ta đã đưa ra phép gần đúng khai triển các cumulant [5, 16, 37, 69, 82]. Mặt khác, phổ EXAFS, và do đó các cumulant phổ EXAFS, lại rất nhạy với ảnh hưởng của áp suất.

Vì vậy, nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiệt độ cũng như áp suất lên các cumulant phổ EXAFS là một vấn đề thực tế và quan trọng trong việc phát triển lý thuyết EXAFS.