Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng thế giam cầm điện tử lên hiệu ứng Ettingshausen trong dây lượng tử

Trần Hải Hưng ANH HUONG CUA CÁC DANG THE GIAM CAM CUA DIEN TU LEN HIEU UNG ETTINGSHAUSEN TRONG DAY LƯỢNG TỬ LUẬN ÁN TIEN SĨ VAT LÍ HOC HÀ NỌI - 2022 Trần Hải Hưng ANH HUONG CUA CAC DANG THE GIAM CAM CUA DIEN TU LEN HIEU UNG ETTINGSHAUSEN TRONG DAY LUONG TU Chuyén nganh: Vat li li thuyết và vat li toán Mã số: 9440130.01 LUẬN ÁN TIEN SĨ VAT LÍ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Hồ Quang Quý HÀ NOI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu, đồ thị. được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.

Hà Nội, năm 2022 Tác giả luận án Trần Hải Hưng LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Nguyễn Vũ Nhân, PGS.TS Hồ Quang Quý và GS.TS Nguyễn Quang Báu, những người thầy đã hết lòng 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 Bộ môn Vật lý lý thuyết, trong khoa Vật ly và Phong Dao tạo, trường Dai học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Tôi xin gửi lời cảm ơn đên Trường Cao đăng Sư phạm Nghệ An đã tạo điêu kiện cho tôi trong việc nghiên cứu và báo cáo các kêt quả tại các Hội nghị khoa học trong nước và quôc tê làm cơ sở đê hoan thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.

Tác giả luận án Trần Hải Hưng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN )/09/ 900/0 ”44.ÔÒỎ 1 DANH MỤC CAC TU VIET TAT .---s-s<ssssesseessesseessessscse 3 DANH MỤC CAC BẢNG.-- << se se SssExsEEseEseEssttserserserssrsserserserssrse 4 DANH MỤC CÁC HINH VE VÀ ĐỎ THỊ .- 2 scs°ssssessesserssessess 5 MỞ ĐẦUU. Lí do lựa chọn đỀ tải. Muc dich nghién Cuu 1. Phương 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.---5:St+t+EEtSESESEEEESEEEEEEEEEEE1E151121E1 5151215 cx 10 7. Các kết quả nghiên cứu chính thu được trong luận án.

THUYET LƯỢNG TU VE HIỆU UNG ETTINGSHAUSEN TRONG BAN DAN KHOI VA TONG QUAN VE HE MOT CHIEU. Ly thuyết lượng tử về hiệu ứng Ettingshausen trong bán dan khối. Phương trình động lượng tử hệ điện tỉ-phonon trong bán dẫn khdi. Mật độ dòng toàn phan trong bán dẫn khối.

Mật độ thông lượng TihÄỆP.- tk HH ng th 3] 1. Hệ số Ettingshausen trong bán dân khối seecsessscssecsssessesssesssesseessesssesssessees 32 1. Tổng quan về hệ một chiều.-- ¿- ¿+ E52 EE+E£2E£+E££E£EE+EEeEEEEEzEErEerErreri 33 1. Ham sóng và pho năng lượng của điện tử trong dây lượng tử trường hợp không CÓ IYƯỜNG H8OÀÌ.

Ăn tt hi rệt 35 1. Hàm sóng và pho năng lượng của điện tử trong dây lượng tử [718428,,. Kết luận chương Ì.---- - + Ss+SE£SE‡EE+EEEEEEEEEEEEEEE1211211211 211111111111 1y 40 Chương 2. LÝ THUYET LUQNG TU VE HIEU UNG ETTINGSHAUSEN TRONG DAY LƯỢNG TU HÌNH CHỮ NHẬT VỚI HO THE CAO VÔ HAN KHI CÓ MAT SÓNG ĐIỆN TÙ.

Phương trình động lượng tử cho điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật hồ thế cao vô hạn. Hé sé Ettingshausen trong day lượng tử hình chữ nhật hồ thé cao vô hạn. Trường họp tương tác điện tử - phonon QHAHg. Trường hợp tương tác điện tử - PHONON ÂH.

Kết quả tinh toán số và thảo WGN veccecceccesscescessessesssessessessesssessesseesessessee 53 2. LÝ THUYET LƯỢNG TU VE HIỆU UNG ETTINGSHAUSEN TRONG DAY LƯỢNG TỬ HÌNH TRU VỚI HO THE CAO VO HAN KHI CO MAT SÓNG ĐIỆN TU u. Phuong trình động lượng tử cho điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn. Biểu thức giải tích cho độ dẫn điện, hệ số Ettingshausen trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn.

Trường họp tương tác điện tử - PhONON QHđHg. Trường hợp tương tác điện tử - PHONON ÂH. Kết quả số và thảo UG eesccsesssesssesssesssesssssssssesssesssssssssecssesssssesssessseeseee 77 3. Kết luận chương 3.

87 DANH MUC CAC CONG TRINH KHOA HOC CUA TAC GIA LIEN QUAN DEN LUẬN AN .---°s<cscsscssEesevsserssersetrsersserssrrserse 89 TÀI LIEU THAM KHAO. 100 DANH MỤC CÁC TU VIET TAT TT Chữviếttắt Chữ viết đầy đủ 1.MBE Phương pháp epitaxy (Molecular beam epitaxy) 2. |MOCVD Phuong pháp kết tủa hoá hữu co kim loại (Metalorganic Chemical Vapor Deposition). | DOS Mật độ trạng thai (Density Of State) 4.

|EMW Sóng điện từ (electromagnetic waves) 5. |LL Landau level DANH MỤC CÁC BANG Bảng 2. Các tham số của dây lượng tử hình chữ nhật với hồ thế cao vô hạn GaAs/GaAsAl Bang 3. Các tham số của dây lượng tử hình trụ với hồ thé cao vô hạn GaAs/GaAsAl DANH MỤC CÁC HÌNH VE VÀ DO THỊ Hình 1.

Mô ta sự xuất hiện hiệu ứng Ettingshausen trong bán dẫn. Sự phụ thuộc của hệ số Ettingshausen vào tần số Laser trong dây lượng tử hình chữ nhật (trường hợp tương tác điện tử-phonon quang). Sự phụ thuộc của hệ sỐ Ettingshausen vào biên độ trong dây lượng tử hình chữ nhật (trường hợp tương tác điện tử-phonon quan§). Sự phụ thuộc của hệ SỐ Ettingshausen vào nhiệt độ trong dây lượng tử hình chữ nhật (trường hợp tương tác điện tử-phonon quan8).

Sự phụ thuộc của hệ sỐ Ettingshausen vào Lx , LY. Sự phụ thuộc của ten-xơ dẫn điện và dẫn nhiệt vào nhiệt độ trong dây lượng tử hình chữ nhật (trường hợp tương tác điện tử-phonon âm). Sự phụ thuộc của ten-xơ dẫn điện và dẫn nhiệt vào tần số sóng điện từ trong dây lượng tử hình chữ nhật (trường hợp tương tác điện tử-phonon âm). Sự phụ thuộc của hệ số Ettingshausen vào từ trường trong dây lượng tử hình chữ nhật (trường hợp tương tác điện tử-phonon âm).

Sự phụ thuộc của hệ sỐ Ettingshausen vào nhiệt độ trong dây lượng tử hình chữ nhật (trường hợp tương tác điện tử-phonon âm). Sự phụ thuộc của hệ sỐ Ettingshausen vào tần số sóng điện từ. Sự phụ thuộc của hệ sỐ Ettingshausen trong dây lượng tử hình trụ I0: 5. Sự phụ thuộc của hệ sỐ Ettingshausen trong dây lượng tử hình trụ vào từ trường (trường hợp tương tác điện tử-phonon quan8).

Sự phụ thuộc của hệ số Ettingshausen trong dây lượng tử hình trụ vào từ trường (trường hợp tương tác điện tử-phonon âm)). Su phụ thuộc của hệ sỐ Ettingshausen trong dây lượng tử hình trụ vào năng lượng photon (tương tác điện tử-phonon quang). Sự phụ thuộc của hệ sỐ Ettingshausen trong dây lượng tử hình trụ vào năng lượng photon (tương tác điện tử-phonon âm) .- 555cc << s+s<<++ 84 MO DAU 1. Lí do lựa chon đề tài Trong những thập niên gần đây, ngành vật lý hệ thấp chiều (vật lý nano) được nhiều nhà vật lý quan tâm bởi vì những đặc tính ưu việt mà cau trúc tinh thể ba chiều không có được.

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo vật liệu, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều phương pháp tạo ra các cấu trúc nano khác nhau, chăng hạn sự phát triển của các kĩ thuật tinh vi trong nuôi tinh thể như phương pháp epitaxy (Molecular Beam Epitaxy - MBE) và phương pháp kết tủa hơi kim loại hóa hữu cơ (Metalorganic Chemical Vapor Deposition - MOCVD). Do đó, đã có rất nhiều vật liệu có cau trúc nano được chế tạo mới. Cùng với sự ra đời này, lý thuyết về hàng loạt các hiệu ứng bên trong đã và đang được quan tâm nghiên cứu như: các cơ chế tan xạ điện tử-phonon, tinh dẫn điện phi tuyến và tuyến tinh,. Những kết quả nghiên cứu lý thuyết đã gop phan quan trọng dé tiếp tục phát triển công nghệ, từ đó, chế tạo thành công các vật liệu quan trọng trong hệ cầu trúc nano phăng 2 chiều như mảng mỏng, cau trúc lớp, hồ lượng tử, siêu mạng.; hệ cấu trúc nano 1 chiều như ống nano, dây lượng tử.; hệ không chiều như nhóm tinh thé, cham lượng tử,.

Dây lượng tử là cấu trúc đặc trưng của hệ một chiều. Sự giam cầm điện tử trong các dây lượng tử thay đổi đáng kể các tính chất vật lý của hệ, các hiệu ứng vật lý bên trong đã có những khác biệt so với cấu trúc ba chiều cũng như hệ hai chiều. Trong các vật liệu mới nêu trên, chuyên động của hạt dẫn bị giới hạn nghiêm ngặt dọc theo các hướng tọa độ nào đó trong một vùng rất hẹp có kích thước vào cỡ bậc của bước sóng De Broglie. Ở đây, các quy luật của cơ học lượng tử bắt đầu có hiệu lực, trước hết thông qua việc biến đổi đặc trưng cơ bản nhất của hệ điện tử là phổ năng lượng của nó.

Phé năng lượng bị gián đoạn dọc theo hướng tọa độ giới hạn. Khi đó, một loạt các hiện tượng vật lý mới được gọi là hiệu ứng kích thước sẽ xuất hiện làm biến đổi hầu hết các tính chất vật lý của hệ, mở ra khả năng ứng dụng cho các linh kiện điện tử làm việc theo nguyên lý hoàn toàn mới. Việc nghiên cứu các loại vật liệu mới này đã cho ra đời nhiều công nghệ hiện đại có tính chất cách mạng trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật như: các điốt huỳnh quang điện, pin mặt trời, các loại vi mạch. có thé sử dụng hiệu quả trong y học, cụ thể tạo ra các chíp điện tử nano đưa vào cơ thé dé quan sát tiễn trình phát triển nguồn bệnh chính xác từ đó tìm ra phương pháp ngăn ngừa và điều trị hiệu quả nhất.

Chính bởi tính thời sự khoa học này mà việc nghiên cứu bán dẫn nói chung và bán dẫn thấp chiều nói riêng đã thu hút được sự quan tâm chú ý của nhiều nhà vật lý, cả lý thuyết và thực nghiệm[1, 2, 4, 8, 13, 16, 17, 20, 26, 31-40, 44, 46, 47]. Các bài toán lý thuyết thường được đặt ra đối với các hệ bán dẫn thấp chiều là xét cấu trúc điện tử (các vùng năng lượng: vùng dẫn, vùng hoá trị, các tiểu vùng do tương tác các hạt, chuẩn hạt khác, hoặc do từ trường); các tính chất quang, tính chất từ, sự tương tác của hạt tải (điện tử, lỗ trong, exiton, plasmon, .) với trường ngoài. Bên cạnh đó là các hiệu ứng động: hiệu ứng Hall, hiệu ứng âm điện, hiệu ứng Ettingshausen, hiệu ứng radio điện. cũng rất được quan tâm nghiên cứu.

Trong số các bài toán vật lý ké trên, chúng tôi đặc biệt chú ý tới các hiệu ứng động. Các hiệu ứng động trong bán dẫn thấp chiều xảy ra khi dưới tac động của trường ngoài (sóng điện từ, sóng âm, .), chuyên động của các điện tử trong vật liệu được định hướng, từ đó làm thay đổi mật độ dòng khi mach kín hoặc làm xuất hiện một hiệu điện thé trong điều kiện mạch hở.