Luận án: Nghiên cứu cơ chế tán xạ ảnh hưởng thời gian sống vận chuyển, lượng tử trong hệ 2D

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------------- Trần Thị Hải NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CƠ CHẾ TÁN XẠ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THỜI GIAN SỐNG VẬN CHUYỂN VÀ THỜI GIAN SỐNG LƯỢNG TỬ TRONG CÁC HỆ HAI CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – Năm 2010 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Mục lục Lời cam đoan 1 Lời cảm ơn 2 Mục lục 3 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8 MỞ ĐẦU 10 1. CÁC CƠ CHẾ TÁN XẠ CƠ BẢN ẢNH HƯỞNG ĐẾN THỜI GIAN HỒI PHỤC CỦA HẠT TẢI 19 1. Các khái niệm ban đầu. Các công thức tính thời gian hồi phục.

Lý thuyết vận chuyển tuyến tính. Hiệu ứng chắn. Độ nhám bề mặt (SR). 38 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Thế biến dạng khớp sai (DP). Không trật tự hợp bán dẫn (AD). Tạp chất bị ion hóa (RI). HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN CỦA HẠT TẢI TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ PHA TẠP MỘT PHÍA 65 2.

Giếng lượng tử vuông góc. Mô hình vùng phẳng. Mô hình giếng lượng tử pha tạp một phía. Hiệu ứng uốn cong vùng.

Hàm sóng biến phân và Thế Hartree cho trường hợp pha tạp một phía. Các cơ chế tán xạ cơ bản trong giếng lượng tử pha tạp một phía. Ảnh hưởng của hiệu ứng uốn cong vùng lên độ linh động của hạt tải trong giếng lượng tử pha tạp một phía. Kết quả tính toán thời gian sống và độ linh động của hạt tải trong mô hình pha tạp một phía.

HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN CỦA HẠT TẢI TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ PHA TẠP ĐỐI XỨNG HAI PHÍA 96 3. Mô hình giếng lượng tử pha tạp đối xứng hai phía. Hàm sóng biến phân và Thế Hartree cho trường hợp pha tạp đối xứng. 99 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Thời gian sống vận chuyển của hạt tải ở nhiệt độ thấp. Các cơ chế tán xạ cơ bản trong giếng lượng tử pha tạp đối xứng hai phía. Ảnh hưởng của hiệu ứng uốn cong vùng từ sự pha tạp chọn lọc hai phía lên tính chất điện trong giếng lượng tử 109 3. Sự phân bố hạt tải trong giếng lượng tử pha tạp đối xứng hai phía.

Thừa số dạng chắn. Khả năng nâng cao độ linh động của hạt tải bằng pha tạp đối xứng. Độ linh động phụ thuộc vào bề rộng giếng lượng tử. Độ linh động phụ thuộc vào nồng độ hạt tải.

Độ linh động phụ thuộc vào độ dài tương quan. XÁC ĐỊNH ĐỘC LẬP CÁC THAM SỐ BỀ MẶT Λ VÀ ∆ 123 4. Vai trò của Λ và ∆ trong lý thuyết và thực nghiệm. Những khó khăn của các lý thuyết có trước về việc xác định Λ và ∆ một cách độc lập.

Thời gian hồi phục của hạt tải phụ thuộc vào độ dài tương quan dưới ảnh hưởng của các cơ chế tán xạ. Phương pháp xác định độc lập Λ và ∆. 128 KẾT LUẬN 133 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC. 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO 137 PHỤ LỤC 149 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt SR := Độ nhám bề mặt DP := Thế biến dạng khớp sai.

RI := Tạp bị ion hóa. AP := Phonon âm AD := Không trật tự hợp kim bán dẫn. QW s := Giếng lượng tử. τ := Thời gian hồi phục của hạt tải.

τt := Thời gian sống vận chuyển. τq := Thời gian sống lượng tử. µ := Độ linh động của hạt tải. L := Bề rộng giếng lượng tử.

ps := Nồng độ hạt tải. m∗ := Khối lượng hiệu dụng của hạt tải. Q := Hệ số nâng cao độ linh động của hạt tải. ζ := Hàm sóng bao.

EF := Năng lượng Fermi. kF := Số sóng Fermi. 1S := Pha tạp một phía. 2S := Pha tạp hai phía.

ACF := Hàm tự tương quan. 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Mối liên hệ giữa ψ(E) và ψ(t) 23 Hình 1.2 Sự thay đổi dạng của các ma trận ngoại chéo.1 Mô hình lý tưởng hóa giếng thế hình chữ nhật.2 Hệ giếng lượng tử vuông góc.3 Mô hình giếng lượng tử pha tạp một phía.4(a) Tham số biến phân c phụ thuộc vào nồng độ hạt tải ps .4(b) Tham số biến phân c phụ thuộc vào bề rộng giếng lượng L.5(a) Hàm sóng bao ζ phụ thuộc vào nồng độ hạt tải ps .5(b) Hàm sóng bao ζ phụ thuộc vào bề rộng giếng lượng tử L.6(a) Thừa số dạng chắn Fs phụ thuộc vào bề rộng giếng lượng tử L.6(b) Thừa số dạng chắn Fs phụ thuộc vào nồng độ hạt tải ps .7 Độ linh động tổng cộng trong hai mô hình flat-band và bent-band.8(a) Tỉ số µf lat /µbent phụ thuộc vào ps .8(b) Tỉ số µf lat /µbent phụ thuộc vào L.9 Độ linh động gây bởi các cơ chế tán xạ và độ linh động tổng cộng trong giếng lượng tử Si0.7 pha tạp điều biến bất đối xứng.10 Tỉ số giữa thời gian sống vận chuyển và thời gian sống lượng tử phụ thuộc vào nồng độ hạt tải ps .11 Độ linh động tổng cộng so sánh với số liệu thực nghiệm [68].12 Độ linh động tổng cộng so sánh với số liệu thực nghiệm trong [36].1 Hệ giếng lượng tử vuông góc pha tạp đối xứng hai phía.2(a) Tham số uốn cong vùng c phụ thuộc vào bề rộng giếng lượng tử L với các giá trị khác nhau của nồng độ hạt tải ps = 1011 , 1012 cm−2 .2(b) Tham số uốn cong vùng c phụ thuộc vào nồng độ hạt tải ps với các giá trị khác nhau của bề rộng giếng lượng tử L = 75, 150Å.3 Hàm sóng ζ(z) trong giếng lượng tử pha tạp đối xứng hai bên với các giá trị khác nhau của nồng độ hạt tải ps .4 Thế Hartree trong giếng lượng tử pha tạp đối xứng hai bên. 112 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.6(a) Thừa số dạng chắn trong cả ba mô hình: flat-band (đường chấm), pha tạp một phía (đường đứt nét), pha tạp đối xứng hai phía (đường liền nét) với các giá trị khác nhau của bề rộng giếng lượng tử L.6(b) Thừa số dạng chắn trong cả ba mô hình: flat-band (đường chấm), pha tạp một phía (đường đứt nét), pha tạp đối xứng hai phía (đường liền nét) với các giá trị khác nhau của nồng độ hạt tải ps .7 Hệ số nâng cao độ linh động Q phụ thuộc L.8 Độ linh động tổng cộng của hạt tải phụ thuộc L.9 So sánh độ linh động tổng cộng của hạt tải với thực nghiệm [72].10 So sánh độ linh động tổng cộng của hạt tải với thực nghiệm [83].11 Hệ số nâng cao độ linh động Q phụ thuộc nồng độ hạt tải.12 Hệ số nâng cao độ linh động Q phụ thuộc vào độ dài tượng quan Λ với các giá trị khác nhau của L.13 Hệ số nâng cao độ linh động Q phụ thuộc vào độ dài tượng quan Λ với các giá trị khác nhau của ps .14 Hệ số nâng cao độ linh đông Q trong giếng lượng tử Si0.7 pha tạp điều biến đối xứng, phụ thuộc vào độ dài tương quan Λ. Các tham số thực nghiệm lấy trong [35] và [36].1 Mô hình độ nhám bề mặt.2 Tỉ số thời gian sống vận chuyển phụ thuộc vào độ dài tương quan Λ trong mô hình trong giếng lượng tử GaSb/InAs/GaSb.3 Tỉ số thời gian sống vận chuyển phụ thuộc vào độ dài tương quan Λ trong mô hình trong giếng lượng tử AlAs/GaAs/AlAs.4 Tỉ số thời gian sống vận chuyển và thời gian sống lượng tử đối với khí lỗ trống hai chiều trong giếng lượng tử Si0.67 phụ thuộc độ dài tương quan Λ.

131 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Năm 1957 Schrieffer [75] đã đưa ra nhận định rằng: các điện tử bị giam hãm trong một giếng thế hẹp ở lớp đảo của một chất bán dẫn sẽ có ứng xử không giống như khí cổ điển. Để đơn giản xét hệ điện tử trong giếng thế vuông góc sâu vô hạn có hai thành giếng vuông góc với trục z. Với giếng đủ hẹp, chuyển động theo phương z bị lượng tử hóa.

Chuyển động của hệ điện tử trở thành: chuyển động tự do trong mặt phẳng (x, y) và bị lượng tử hóa theo phương z, có thể nói chuyển động bị “đóng băng” theo phương này. Chúng ta có hệ chuẩn 2 chiều (Quasi-two dimensional system). Hệ thức tán sắc có dạng ~2 2 E = En + (kx + ky2 ), 2m ở đây kx và ky là các thành phần véctơ sóng trong chuyển động song song với tiếp biên, còn En là các mức năng lượng xuất hiện khi điện tử bị giam hãm trong giếng hẹp [4]. Phổ năng lượng của điện tử trở nên gián đoạn dọc theo các hướng tọa độ bị giới hạn, đó là đặc trưng chung của hạt dẫn trong các cấu trúc các hệ thấp chiều.

Điều này cho thấy trong các hệ có cấu trúc nano và thấp chiều các quy luật lượng tử bắt đầu có hiệu lực, trước hết thông qua biến đổi đặc trưng phổ năng lượng. Công trình thực nghiệm tiên phong của Esaki và Tsu (1970) về giếng lượng tử đã khởi đầu cho một hướng mới của vật lý nghiên cứu các tính chất của các hệ điện tử hai chiều. Các nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển của vật lý và công nghệ các cấu trúc nano. Thời gian gần đây việc tìm kiếm và nghiên cứu các vật liệu cho các linh kiện điện tử ngày một nhỏ hơn về kích thước, tiêu hao ít năng lượng và có tốc độ chuyển mạch nhanh ngày càng trở thành 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com vấn đề cấp bách.

Trong đó, việc nâng cao độ linh động của các hạt tải trong vật liệu đang trở thành mục tiêu hàng đầu và là một thách thức đối với các nhà vật lý bán dẫn lý thuyết cũng như thực nghiệm. Từ công thức quen thuộc xác định độ dẫn riêng [20]. σ = enµ, trong đó σ là độ dẫn điện riêng, e là điện tích của điện tử, n là mật độ điện tử, µ là độ linh động của điện tử, ta thấy để nâng cao độ dẫn ngoài việc nâng cao mật độ điện tử cần phải tăng được độ linh động của nó. Như đã biết, độ linh động được xác định bằng eτ µ= m∗ với m∗ là khối lượng hiệu dụng, τ là thời gian sống vận chuyển của điện tử.

Công thức trên cho thấy, một trong các biện pháp nâng cao độ linh động là tìm cách kéo dài thời gian sống. Trong nhiều bài toán của hiện tượng vận chuyển, vấn đề trung tâm chuyển sang các bài toán nghiên cứu thời gian sống và kết luận về hai đại lượng trên trong nhiều trường hợp là đồng nhất.