Luận án Tiến sĩ: Các hiệu ứng âm-điện-từ trong các hệ thấp chiều của Nguyễn Văn Hiếu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN VĂN HIẾU CÁC HIỆU ỨNG ÂM-ĐIỆN-TỪ TRONG CÁC HỆ THẤP CHIỀU Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số : 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TRẦN CÔNG PHONG HÀ NỘI, 2014 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu, đồ thị… đƣợc nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Hà Nội, tháng 06 năm 2014 Tác giả luận án Nguyễn Văn Hiếu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến GS.TS Nguyễn Quang Báu, GS.

TS Trần Công Phong, những ngƣời thầy đã hết lòng tận tụy giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong tổ Vật lý lý thuyết và các thầy cô trong khoa Vật lý, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGHN. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp trong khoa Vật lý-Trƣờng Đại học Sƣ phạm-Đại học Đà Nẵng. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED No.18) và VNU (QGTĐ.01) đã tài trợ kinh phí cho tôi trong việc công bố các công trình khoa học cũng nhƣ tham gia các báo cáo quốc tế.

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả những ngƣời thân, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Hà Nội, tháng 06 năm 2014 Tác giả luận án Nguyễn Văn Hiếu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC Trang phụ bìa. LỜI CAM ĐOAN. Lý do chọn đề tài.

Mục tiêu nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Cấu trúc của luận án. 6 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ HAI CHIỀU VÀ HIỆU ỨNG ÂM ĐIỆN TỪ TRONG BÁN DẪN KHỐI. Khái quát về hệ hai chiều. Cấu trúc của hố lƣợng tử bán dẫn.

Cấu trúc của siêu mạng bán dẫn. Hiệu ứng âm điện từ trong bán dẫn khối. Khái niệm về hiệu ứng âm điện và âm điện từ. Lý thuyết lƣợng tử về hiệu ứng âm điện từ.

21 Chƣơng 2 HIỆU ỨNG ÂM ĐIỆN PHI TUYẾN TRONG HỐ LƢỢNG TỬ VỚI HỐ THẾ CAO VÔ HẠN .1 Toán tử Hamiltonian của hệ điện tử-phonon trong hố lƣợng tử với hố thê cao vô hạn.2 Phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử giam cầm trong hố lƣợng tử với hố thế cao vô hạn.3 Biểu thức dòng âm điện phi tuyến trong hố lƣợng tử với hố thế cao vô hạn.4 Kết quả tính số và thảo luận kết quả .5 Kết luận của chƣơng 2. 38 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chƣơng 3 HIỆU ỨNG ÂM ĐIỆN PHI TUYẾN TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP. Hamiltonian của hệ điện tử-phonon trong siêu mạng pha tạp .2 Phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử trong siêu mạng pha tạp .3 Biểu thức dòng âm điện phi tuyến trong siêu mạng pha tạp.4 Kết quả tính số và thảo luận .5 Kết luận của chƣơng 3. 48 Chƣơng 4 HIỆU ỨNG ÂM ĐIỆN TỪ LƢỢNG TỬ TRONG HỐ LƢỢNG TỬ VỚI HỐ THẾ PARABOL.

Hamiltonian của hệ điện tử-phonon trong hố lƣợng tử với hố thế parabol. Phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử trong hố lƣợng tử với hố thế parabol. Biểu thức trƣờng âm điện từ lƣợng tử trong hố lƣợng tử với hố thế parabol. Kết quả tính số và thảo luận.

Kết luận chƣơng 4. 64 Chƣơng 5 ẢNH HƢỞNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ LÊN HIỆU ỨNG ÂM ĐIỆN PHI TUYẾN TRONG HỐ LƢỢNG TỬ VỚI HỐ THẾ CAO VÔ HẠN .1 Toán tử Hamiltonian của hệ điện tử-phonon trong hố lƣợng tử cao vô hạn khi có mặt sóng điện từ. Phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử trong hố lƣợng tử với hố thế cao vô hạn khi có mặt sóng điện từ.3 Biểu thức dòng âm điện phi tuyến trong hố lƣợng tử với thế cao vô hạn khi có sóng điện từ .4 Kết quả tính số và thảo luận kết quả. Kết luận chƣơng 5.

76 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 79 PHỤ LỤC TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC HÌNH VẼ Số Tên hình vẽ Trang hiệu 1.1 Minh họa hình dạng và mật độ trạng thái của bán dẫn khối (3D), 8 hố lƣợng tử (2D), dây lƣợng tử (1D) và chấm lƣợng tử (0D) 1.2 Siêu mạng bán dẫn thành phần loại I 13 1.3 Siêu mạng bán dẫn thành phần loại II 13 1.4 Sự tách vùng năng lƣợng  (k z ) của tinh thể với hằng số mạng a 17 thành các vùng con  n (k z ) bởi thế siêu mạng với chu kì d. Số mini vùng bằng d/a 1.5 Tinh thể n-i-p-i với nồng độ pha tạp không đổi trong các lớp loại 19 n và loại p.6 Sơ đồ hiệu ứng âm điện từ 21 2.1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào nhiệt 36 độ và năng lƣợng Fermi với q=3×1011s-1.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào tần 36 số của sóng âm tại những giá trị khác nhau của độ rộng hố lƣợng tử, với L=30nm (đƣờng liền nét), L=31nm (đƣờng chấm), L=32nm (đƣờng nét đứt).3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào kích 37 thƣớc hố lƣợng tử tại những giá trị khác nhau của tần số sóng qr  32 1010 (s 1 ) qr  311010 (s 1 ) âm, với (đƣờng liền nét), qr  30 1010 (s 1 ) (đƣờng chấm), (đƣờng nét đứt).4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào kích 38 thƣớc hố lƣợng tử tại những giá trị khác nhau của nhiệt độ, với T=45K (đƣờng liền nét), T = 50 K (đƣờng chấm), T = 55 K qr  1011 (s 1 ) (đƣờng nét đứt). TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào tần 45 số của sóng âm tại những giá trị khác nhau của nhiệt độ, với T = 45 K (đƣờng liền nét), T = 50 K (đƣờng chấm), T = 55 K (đƣờng nét đứt).2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào tần 45 số của sóng âm tại những giá trị khác nhau của nồng độ pha tạp, với nD=1×1023m-3(đƣờng liền nét), nD=1.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào nhiệt 46 độ và năng lƣợng Fermi với q=3×1011s-1, nD=1023(m-3).4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào nồng 47 độ pha tạp tại những giá trị khác nhau của tần số sóng âm, với q  11011 (s 1 ) q  1.1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của trƣờng âm điện từ vào tần số 60 sóng âm tại những giá trị khác nhau của từ trƣờng ngoài, với B  0.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của trƣờng âm điện từ vào tần số 61 sóng âm tại những giá trị khác nhau nhiệt độ, với T=220K (đƣờng liền nét), T=250K (đƣờng chấm), T=280K (đƣờng nét đứt).3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của trƣờng âm điện từ vào từ 62 trƣờng ngoài trong trƣờng hợp từ trƣờng yếu, nhiệt độ cao, với T=250K (đƣờng liền nét), T=270K (đƣờng nét đứt).4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của trƣờng âm điện từ vào từ 62 trƣờng ngoài trong trƣờng hợp từ trƣờng yếu, nhiệt độ cao trong q  1.

Ở đây T=250K, TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.5 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của trƣờng âm điện từ vào từ 63 trƣờng ngoài trong trƣờng hợp từ trƣờng mạnh, nhiệt độ thấp, với T=3K (đƣờng liền nét), T=4K (đƣờng chấm), T=5K (đƣờng q  1.6 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của trƣờng âm điện từ vào từ 64 trƣờng ngoài trong trƣờng hợp từ trƣờng mạnh, nhiệt độ thấp, trong giới hạn 0  0 .1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào tần 73 số sóng âm tại những giá trị khác nhau của tần số sóng điện từ 1 1 ngoài, với   8 10 (s ) (đƣờng liền nét),   9 10 (s ) 13 13 1 (đƣờng chấm),   10 10 (s ) (đƣờng nét đứt).2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào độ 74 rộng hố lƣợng tử tại những giá trị khác nhau của tần số sóng điện 1 1 từ ngoài, với   7 10 (s ) (đƣờng liền nét),   7.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng âm điện vào tần 74 số sóng điện từ tại những giá trị khác nhau của nhiệt độ, với T  50K (đƣờng liền nét), T  53K (đƣờng chấm), T  55K (đƣờng nét đứt). TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khởi đầu từ những thành công rực rỡ của vật liệu bán dẫn vào những thập niên 50 - 60 của thế kỷ trƣớc, đặc biệt việc tìm ra dị cấu trúc bán dẫn (semiconductor heterostructure) vào thập kỷ 70 đã tạo tiền đề cho việc chế tạo hầu hết các thiết bị quang điện tử ngày nay. Tầm quan trọng của các thiết bị đƣợc chế tạo trên cơ sở vật liệu dị cấu trúc của bán dẫn này đƣợc công nhận bởi giải thƣởng Nobel vật lý năm 2000 do công trình nghiên cứu cơ bản về công nghệ thông tin và truyền thông.

Các dị cấu trúc bán dẫn là nguyên tắc cơ sở để tạo ra bán dẫn thấp chiều. Cấu trúc thấp chiều là cấu trúc mà trong đó các hạt mang điện không đƣợc chuyển động tự do trong cả ba chiều mà bị giam giữ theo một chiều nào đó. Chúng bao gồm: cấu trúc hai chiều (2D), trong đó các hạt mang điện chuyển động tự do theo hai chiều; cấu trúc một chiều (1D), trong đó hạt mang điện chuyển động tự do theo một chiều và hệ không chiều (0D) với sự giam giữ hạt mang điện theo cả ba chiều. Cấu trúc hệ thấp chiều trong những thập niên gần đây đƣợc nhiều nhà vật lý quan tâm bởi những đặc tính mới ƣu việt mà cấu trúc tinh thể 3 chiều (3D) không có đƣợc.

Khi kích thƣớc của vật liệu giảm đến kích thƣớc lƣợng tử, nơi các hạt dẫn bị giới hạn trong những vùng có kích thƣớc đặc trƣng vào cỡ bƣớc sóng De Broglie, các tính chất vật lý của điện tử sẽ thay đổi mạnh mẽ. Tại đây, các quy luật lƣợng tử bắt đầu có hiệu lực.