Luận án ĐHQG HN: Ảnh hưởng thế giam cầm lên hiệu ứng Ettingshausen dây lượng tử

N O N N rần ải ưng ẢN ỞN Ủ Á D N Ế M ẦM Ủ ỆN Ử L N ỆU ỨN ETTINGSHAUSEN ON DÂY L ỢN Ử LU N ÁN ẾN L À NỘ - 2022 N O N N rần ải ưng ẢN ỞN Ủ Á D N Ế M ẦM Ủ ỆN Ử L N ỆU ỨN ETTINGSHAUSEN ON DÂY L ỢN Ử LU N ÁN ẾN L ƯỜ ƯỚ DẪ K O 1. ồ Quang Quý À NỘ - 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 Hƣng 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 lý và Phòng Đào tạo, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Cao đẳng Sư phạm Nghệ An đã tạo điều kiện cho tôi trong việc nghiên cứu và báo cáo các kết quả tại các Hội nghị khoa học trong nước và quốc tế làm cơ sở để hoàn 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 Hƣng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC.

1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. 3 DANH MỤC CÁC BẢNG. 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. Lí do lựa chọn đề tài.

Mục đích nghiên cứu. 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. Các kết quả nghiên cứu chính thu được trong luận án. THUYẾT LƢỢNG TỬ VỀ HIỆU ỨNG ETTINGSHAUSEN TRONG BÁN DẪN KHỐI VÀ TỔNG QUAN VỀ HỆ MỘT CHIỀU. Lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Ettingshausen trong bán dẫn khối.

Phương trình động lượng tử hệ điện tử-phonon trong bán dẫn khối. Mật độ dòng toàn phần trong bán dẫn khối. Mật độ thông lượng nhiệt. Hệ số Ettingshausen trong bán dẫn khối.

Tổng quan về hệ một chiều. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong dây lượng tử trường hợp không có trường ngoài. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong dây lượng tử khi có mặt từ trường. Kết luận chương 1.

LÝ THUYẾT LƢỢNG TỬ VỀ HIỆU ỨNG ETTINGSHAUSEN TRONG DÂY LƢỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT VỚI HỐ THẾ CAO VÔ HẠN KHI CÓ MẶT SÓNG ĐIỆN TỪ. Phương trình động lượng tử cho điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn. Hệ số Ettingshausen trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn. Trường hợp tương tác điện tử - phonon quang.

Trường hợp tương tác điện tử - phonon âm. Kết quả tính toán số và thảo luận. Kết luận chương 2. LÝ THUYẾT LƢỢNG TỬ VỀ HIỆU ỨNG ETTINGSHAUSEN TRONG DÂY LƢỢNG TỬ HÌNH TRỤ VỚI HỐ THẾ CAO VÔ HẠN KHI CÓ MẶT SÓNG ĐIỆN TỪ.

Phương 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 hợp tương tác điện tử - phonon quang. Trường hợp tương tác điện tử - phonon âm.

Kết quả số và thảo luận. Kết luận chương 3. 87 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

100 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1. MBE Phương pháp epitaxy (Molecular beam epitaxy) 2. MOCVD Phương pháp kết tủa hoá hữu cơ kim loại (Metalorganic Chemical Vapor Deposition). DOS Mật độ trạng thái (Density Of State) 4.

EMW Sóng điện từ (electromagnetic waves) 5. LL Landau level 3 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Các tham số của dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn GaAs/GaAsAl. Các tham số của dây lượng tử hình trụ với hố thế cao vô hạn GaAs/GaAsAl.

77 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Mô tả 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 quang).

Sự phụ thuộc của hệ số Ettingshausen vào nhiệt độ trong dây lượng tử hình chữ nhật (trường hợp tương tác điện tử-phonon quang). 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 vào nhiệt độ.

Sự phụ thuộc của hệ số Ettingshausen trong dây lượng tử hình trụ vào từ trường (trường hợp tương tác điện tử-phonon quang). Sự phụ thuộc của hệ số Ettingshausen trong dây lượng tử hình trụ vào từ trường (trường hợp tương tác điện tử-phonon âm). Sự 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).

Lí do lựa chọn 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 cấu 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, chẳng 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 cấu 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 tán xạ điện tử-phonon, tính dẫn điện phi tuyến và tuyến tính,.

Những kết quả nghiên cứu lý thuyết đã góp phần quan trọng để tiếp tục phát triển công nghệ, từ đó, chế tạo thành công các vật liệu quan trọng trong hệ cấu trúc nano phẳng 2 chiều như màng mỏng, cấu trúc lớp, hố lượng tử, siêu mạng…; hệ cấu trúc nano 1 chiều như ống nano, dây lượng tử…; hệ không chiều như nhóm tinh thể, chấm 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, chuyển 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.

Phổ năng lượng bị 6 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 thể sử dụng hiệu quả trong y học, cụ thể tạo ra các chíp điện tử nano đưa vào cơ thể để quan sát tiến 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 trống, 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 kể 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 tác động của trường ngoài (sóng điện từ, sóng âm, …), chuyển động của các điện tử trong vật liệu được định hướng, từ đó làm thay đổi mật độ dòng khi mạch kín hoặc làm xuất hiện một hiệu điện thế trong điều kiện mạch hở.