Luận án tiến sĩ: Tính chất quang của cấu trúc nano bán dẫn - Dương Đình Phước, ĐH Huế

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM DƯƠNG ĐÌNH PHƯỚC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CẤU TRÚC NA-NÔ BÁN DẪN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HUẾ, 2022 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM DƯƠNG ĐÌNH PHƯỚC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CẤU TRÚC NA-NÔ BÁN DẪN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 9 44 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học PGS. Đinh Như Thảo HUẾ, 2022 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy giáo hướng dẫn - PGS. Đinh Như Thảo. Trong quá trình thực hiện luận án, em luôn được Thầy quan tâm và động viên tinh thần, tận tình hướng dẫn và chỉ dạy về chuyên môn và hỗ trợ cả về vật chất, nhờ đó đã giúp em hoàn thành được luận án này.

Em sẽ luôn ghi nhớ những lời Thầy dạy để tiến bộ hơn nữa. Em xin kính chúc Thầy và đại gia đình dồi dào sức khỏe và hạnh phúc trong cuộc sống. Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy (Cô) giáo Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy cho em trong suốt quá trình em học tập và thực hiện luận án tại trường. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý Thầy (Cô) giáo phòng Đào tạo Sau đại học đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình em và quý anh (chị) trong nhóm nghiên cứu SNS đã luôn động viên và giúp đỡ cho em trong quá trình thực hiện luận án. Em xin cảm ơn quý anh (chị) trong nhóm nghiên cứu đã nhiệt tình hỗ trợ cho em cả về chuyên môn và kinh nghiệm trong các hoạt động nghiên cứu khoa học. Nghiên cứu sinh Dương Đình Phước i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, hình ảnh và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác.

Tác giả luận án Dương Đình Phước ii MỤC LỤC Lời cảm ơn. i Lời cam đoan. ii Mục lục. iii Danh mục các bảng.

vi Danh mục các chữ viết tắt. vii Danh mục các hình vẽ. xiii Mở đầu. Tổng quan về cấu trúc na-nô bán dẫn.

Cấu trúc dây lượng tử bán dẫn. Tổng quan về dây lượng tử bán dẫn. Hàm sóng và năng lượng của hạt trong dây lượng tử bán dẫn hình trụ tròn. Exciton trong dây lượng tử bán dẫn.

Hình thức luận hàm sóng tái chuẩn hóa. Lý thuyết hàm điện môi. Kết luận chương 1. Hiệu ứng Stark quang học của exciton trong dây lượng tử bán dẫn hình trụ tròn.

Tổng quan về hiệu ứng Stark quang học của exciton. Hình thức luận tính toán. Yếu tố ma trận của chuyển dời giữa hai mức của điện tử dưới tác dụng của laser bơm. Hàm sóng và các mức năng lượng của điện tử khi có tác dụng của laser bơm.

Phổ hấp thụ của exciton khi laser bơm chưa hoạt động. Phổ hấp thụ của exciton khi laser bơm hoạt động 39 2. Kết quả và thảo luận. Kết luận chương 2.

Hiện tượng phách lượng tử của exciton trong dây lượng tử bán dẫn hình trụ tròn. Tổng quan về hiện tượng phách lượng tử của exciton. Hình thức luận tính toán. Hàm sóng và phổ năng lượng của exciton dưới tác dụng của laser bơm.

Cường độ hấp thụ của exciton khi chưa có laser bơm 58 3. Phách lượng tử của exciton. Kết quả và thảo luận. Kết luận chương 3.

Hiện tượng kết cặp LO phonon-plasmon trong các lớp màng mỏng bán dẫn và trong dây lượng tử bán dẫn. Tổng quan về hiện tượng kết cặp LO phonon-plasmon. Hiện tượng kết cặp LO phonon-plasmon trong các lớp màng mỏng bán dẫn. Mô hình và lý thuyết.

Kết quả và thảo luận. Hiện tượng kết cặp LO phonon-plasmon trong dây lượng tử bán dẫn hình trụ tròn. Mô hình và lý thuyết. Kết quả và thảo luận.

Kết luận chương 4. 98 Kết luận chung. 100 Danh mục các công trình có liên quan đến luận án. 103 Tài liệu tham khảo .1 v DANH MỤC CÁC BẢNG 1.1 Các không điểm χmn đầu tiên của hàm Bessel nguyên bậc m loại một Jm (r).2 Các tham số của vật liệu bán dẫn InN, GaN và In0.

80 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt LO phonon Longitudinal optical Phonon quang dọc phonon TO phonon Transverse optical Phonon quang ngang phonon LOPCM Longitudinal optical Các mode kết cặp phonon-plasmon phonon quang dọc- coupled modes plasmon TE Transverse-electric Điện trường ngang TM Transverse-magnetic Từ trường ngang vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1.1 Mô hình dây lượng tử hình trụ tròn GaAs/AlGaAs trong hệ tọa độ trụ.2 Giản đồ ba mức năng lượng lượng tử hóa gồm mức E01 e e là mức thấp nhất của lỗ trống, hai mức E01 và E11 là hai mức thấp nhất của điện tử. Sóng bơm có năng lượng ~ωp e e liên kết hai mức E01 và E11 với độ lệch ~∆ω. Sóng dò có năng lượng ~ωt khảo sát các các chuyển dời liên vùng từ h e mức E01 lên mức E01 .1 Giản đồ ba mức năng lượng của điện tử và lỗ trống: a) Khi chưa có tác dụng của laser bơm, hệ gồm một mức h e e của lỗ trống E01 và hai mức của điện tử E01 và E11. Laser dò có năng lượng ~ωt phát hiện một chuyển dời liên vùng h e từ mức E01 lên mức E01 (mũi tên mảnh).

b) Khi có tác dụng của laser bơm có năng lượng ~ωp (mũi tên dày), mức e e− e+ e E01 bị tách thành hai mức E01 và E01 , mức E11 bị tách e− e+ thành hai mức E11 và E11. Laser dò có năng lượng ~ωt h phát hiện hai chuyển dời liên vùng từ mức E01 lên mức e− h e+ E01 và từ mức E01 lên mức E01 (các mũi tên mảnh).2 Mô hình dây lượng tử hình trụ tròn GaAs/AlGaAs trong hệ tọa độ trụ được chiếu đồng thời một laser bơm ~ωp và một laser dò ~ωt dọc theo trục Oz.3 Phổ hấp thụ của exciton trong dây lượng tử hình trụ tròn có bán kính R = 50 Å khi chưa có laser bơm (đường đứt nét) và khi có laser bơm với độ lệch ~∆ω = 0 meV (đường liền nét).4 Phổ hấp thụ của exciton trong dây lượng tử hình trụ có bán kính R = 50 Å khi chưa có laser bơm (đường chấm chấm) và khi có laser bơm với các độ lệch khác nhau ~∆ω = 0 meV (đường liền nét dày), ~∆ω = 0.5 Phổ hấp thụ của exciton trong dây lượng tử hình trụ có bán kính R = 50 Å như là hàm của năng lượng photon của laser dò ~ωt và độ lệch của laser bơm ~∆ω.6 Phổ hấp thụ của exciton trong dây lượng tử hình trụ với các bán kính dây khác nhau khi có mặt của laser bơm với độ lệch ~∆ω = 0.7 Sự phụ thuộc của bước sóng laser bơm vào bán kính dây lượng tử.8 Sự phụ thuộc của bước sóng laser dò vào bán kính dây lượng tử.1 Giản đồ ba mức năng lượng của exciton: a) Khi chưa có tác dụng của laser bơm, hệ gồm mức cơ bản Ecơ bản và hai mức kích thích E00 và E10. Laser dò ~ωt chỉ phát hiện một chuyển dời giữa các mức Ecơ bản và E00 (mũi tên mảnh). b) Khi có tác dụng của laser bơm ~ωp với độ lệch ~∆ω − + (mũi tên dày), mức E00 bị tách thành E00 và E00 , mức e − + E10 bị tách thành E10 và E10.

Laser dò ~ωt bây giờ phát − hiện hai chuyển dời từ mức Ecơ bản lên mức E00 và từ mức + Ecơ bản lên mức E00 (các mũi tên mảnh).2 Cường độ hấp thụ của exciton trong dây lượng tử hình trụ tròn có bán kính R = 60 Å trước (đường đứt nét) và sau khi (đường liền nét) bật laser bơm cộng hưởng.3 Cường độ hấp thụ của exciton trong dây lượng tử hình trụ tròn có bán kính R = 45 Å (đường liền nét), R = 55 Å (đường đứt nét) và R = 65 Å (đường chấm chấm) dưới tác dụng của laser bơm cộng hưởng chính xác (~∆ω = 0 meV).4 Cường độ hấp thụ của exciton trong dây lượng tử hình trụ tròn có bán kính R = 60 Å dưới tác dụng của laser bơm với các độ lệch khác nhau.5 Sự phụ thuộc của tần số phách lượng tử vào bán kính dây lượng tử và độ lệch của laser bơm.6 Sự phụ thuộc của chu kì phách lượng tử vào bán kính dây lượng tử và độ lệch của laser bơm.1 Mô hình sự lan truyền của sóng điện từ qua các lớp màng ~ phân cực s (TE); b) mỏng bán dẫn: a) Điện trường E ~ phân cực p (TM). Điện trường E 75 4.2 Phổ truyền qua của lớp bán dẫn In0.3 N (d = 2 µm, Ne = 5 × 1017 cm−3 ) trong trường hợp điện trường của ánh sáng tới phân cực s với các góc chiếu khác nhau.3 Phổ truyền qua của lớp bán dẫn In0.3 N (d = 2 µm, Ne = 5 × 1017 cm−3 ) trong trường hợp điện trường của ánh sáng tới phân cực p với các góc chiếu khác nhau.4 Phổ truyền qua của lớp bán dẫn In0.3 N (d = 2 µm, Ne = 5 × 1017 cm−3 ) trong trường hợp điện trường của ánh sáng tới phân cực p với các góc chiếu khác nhau θ = 600 , 700 , 800 và 850 .5 Phổ truyền qua của các lớp bán dẫn In0.3 N có cùng độ dày d = 2 µm với các mật độ electron lần lượt là 0.5 × 1018 cm−3 trong trường hợp điện trường của ánh sáng tới phân cực p và góc chiếu θ = 820 .6 Tần số của các mode kết cặp ω+ (đường liền nét đậm) và ω− (đường liền nét mảnh) như là hàm của mật độ electron Ne được vẽ từ nghiệm của phương trình (4. Tần số plasma ωp (đường đứt nét) như là hàm của Ne được vẽ từ phương trình (4. Các chấm tròn lớn (nhỏ) là tần số của mode kết cặp ω+ (ω− ) được lấy từ hình 4.7 Mô hình sự lan truyền của sóng điện từ qua dây lượng ~ phân cực s tử bán dẫn hình trụ tròn: a) Điện trường E ~ phân cực p (TM).

(TE); b) Điện trường E 88 4.