Luận án tiến sĩ Vật lý: Trạng thái ngưng tụ exciton trong hệ chuyển pha bán kim loại bán dẫn - ĐH Mỏ - Địa chất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ––––––––––––––– ĐỖ THỊ HỒNG HẢI TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ EXCITON TRONG CÁC HỆ CÓ CHUYỂN PHA BÁN KIM LOẠI – BÁN DẪN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ––––––––––––––– ĐỖ THỊ HỒNG HẢI TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ EXCITON TRONG CÁC HỆ CÓ CHUYỂN PHA BÁN KIM LOẠI – BÁN DẪN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 9.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Trần Minh Tiến Hà Nội – 2020 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả mới mà tôi công bố trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày.năm 2020 Tác giả Đỗ Thị Hồng Hải i luan an LỜI CẢM ƠN Để được đi học ở Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, trước hết tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, tạo điều kiện về mọi mặt của Ban giám hiệu trường Đại học Mỏ – Địa chất, Ban chủ nhiệm khoa Khoa học Cơ bản, Ban chủ nhiệm bộ môn Vật lý, cùng tập thể cán bộ, giảng viên bộ môn Vật lý.

Trong quá trình học tập và làm việc tại Học viện Khoa học và Công nghệ, dưới sự hướng dẫn của PGS. Phan Văn Nhâm và PGS. Trần Minh Tiến, tôi đã học hỏi được rất nhiều kiến thức cũng như kinh nghiệm trong nghiên cứu khoa học. Để hoàn thành được Luận án này và để có thể trở thành một người có khả năng nghiên cứu khoa học độc lập, tôi xin gửi đến hai thầy hướng dẫn lời cảm ơn sâu sắc nhất.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ, thầy cô của Viện Vật lý đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Viện. Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ phòng sau đại học Viện Vật lý, phòng đào tạo Học viện Khoa học và Công nghệ đã hỗ trợ tôi hoàn thành các thủ tục bảo vệ Luận án. Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn gia đình, bạn bè luôn ở bên động viên và giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án. ii luan an MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.

v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. vi MỞ ĐẦU. EXCITON VÀ TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ EXCITON .Khái niệm về exciton .BEC và các trạng thái ngưng tụ exciton .Những thành tựu nghiên cứu ngưng tụ exciton. LÝ THUYẾT TRƯỜNG TRUNG BÌNH .Những khái niệm cơ bản .Gần đúng Hartree-Fock .Phá vỡ trật tự đối xứng.

EXCITON NGƯNG TỤ TRONG MÔ HÌNH HAI DẢI NĂNG LƯỢNG CÓ TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỬ – PHONON .Mô hình điện tử hai dải năng lượng có tương tác điện tử – phonon 41 3.Áp dụng lý thuyết trường trung bình .Kết quả tính số và thảo luận. EXCITON NGƯNG TỤ TRONG MÔ HÌNH FALICOV-KIMBALL MỞ RỘNG CÓ TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỬ – PHONON .Mô hình Falicov-Kimball mở rộng có tương tác điện tử – phonon .Áp dụng lý thuyết trường trung bình .Kết quả tính số và thảo luận. 78 iii luan an 4. 107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.

112 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 114 iv luan an DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ARPES angle-resolved photoelectron phổ quang phát xạ phân giải theo spectroscopy góc BCS John Bardeen, Leon Cooper, Robert Schrieffer BEC Bose-Einstein condensed ngưng tụ Bose-Einstein CDW charge density wave sóng mật độ điện tích DMF dynamical mean field trường trung bình động EFK extended Falicov-Kimball Falicov-Kimball mở rộng EI excitonic insulator điện môi exciton HFA Hartree–Fock approximation gần đúng Hartree–Fock MF mean field trường trung bình PL photoluminescence quang phát xạ PR projector-based renormalization chiếu kết hợp tái chuẩn hóa QW quantum well giếng lượng tử SC semiconductor bán dẫn SM semimetal bán kim loại v luan an DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơ chế tạo thành exciton trong chất rắn.2 Giản đồ pha tổng quát của hệ điện tử – lỗ trống.3 Ghép cặp điện tử – lỗ trống trong các trạng thái ngưng tụ exciton.4 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton trong mô hình EFK.5 Độ lệch mạng của ion Ti trong 1T -TiSe2 phụ thuộc vào nhiệt độ.6 Giản đồ pha trạng thái cơ bản trong mô hình EFK.7 Cường độ PL trong mặt phẳng năng lượng và tọa độ.8 ARPES của Ta2 NiSe5 ở 40K và 300K .9 ARPES của 1T -TiSe2 (a) ở trên và (b) dưới nhiệt độ chuyển pha EI.10 Giản đồ pha trạng thái EI của TmSe0.1 Thế năng của hệ khi chưa có phá vỡ (a) và phá vỡ (b) đối xứng.2 Sắp xếp mômen từ tại các nút lân cận gần nhất.3 Sắp xếp mômen từ của hệ ở trạng thái sắt từ và thuận từ.4 Hình (a) và (b) biểu thị nghiệm hình học của phương trình.5 Ba dạng nghiệm có thể có của mô hình Stoner.6 Các giá trị đo được của tham số khe cho ba kim loại khác nhau.1 Hình (a) mô tả cấu trúc vùng năng lượng của điện tử c và điện tử f .2 Tham số trật tự d phụ thuộc vào tần số phonon ω0 ứng với một vài giá trị của g khi εc −εf = 1 trong trạng thái cơ bản.3 Giản đồ pha trạng thái cơ bản của mô hình trong mặt phẳng (ω0 , g) khi εc − εf = 1.4 Giá trị của tham số trật tự |dk | phụ thuộc xung lượng k với một vài giá trị khác nhau của ω0 tại T = 0.5 Tham số trật tự d (lấp đầy) và độ lệch mạng xQ (rỗng) phụ thuộc vào εc − εf trong trạng thái cơ bản .6 Giản đồ pha trạng thái cơ bản của mô hình trong mặt phẳng (εc −εf , ω0 ) khi g thay đổi.53 vi luan an Hình 3.7 Tham số trật tự d phụ thuộc vào tần số phonon ω0 ứng với một vài giá trị của nhiệt độ khi εc − εf = 1 và g = 0.8 Tham số trật tự d (lấp đầy) và độ lệch mạng xQ (rỗng) phụ thuộc vào g ứng với một vài giá trị của nhiệt độ .9 Giản đồ pha của mô hình trong mặt phẳng (ω0 , g) khi εc − εf = 1 với một vài giá trị của nhiệt độ .10 Giá trị của tham số trật tự |dk | phụ thuộc vào xung lượng k và g với một vài giá trị khác nhau của nhiệt độ .11 Giá trị của tham số trật tự |dk | phụ thuộc vào xung lượng k và ω0 với một vài giá trị của nhiệt độ.12 Tham số trật tự d (lấp đầy) và độ lệch mạng xQ (rỗng) phụ thuộc vào εc − εf ứng với một vài giá trị của nhiệt độ.13 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton của mô hình trong mặt phẳng (εc − εf , ω0 ) với g = 0.5 khi T thay đổi.14 Tham số trật tự d (lấp đầy) và độ lệch mạng xQ (rỗng) phụ thuộc vào nhiệt độ ứng với một vài giá trị của ω0 .15 Giá trị của tham số trật tự |dk | phụ thuộc vào xung lượng k và nhiệt độ ứng với một vài giá trị khác nhau của tần số phonon ω0 .16 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton của mô hình trong mặt phẳng (ω0 , T ) với εc −εf = 1 khi g = 0.17 Tham số trật tự d (lấp đầy) và độ lệch mạng xQ (rỗng) là hàm của nhiệt độ T tại ω0 = 0.18 Giá trị của tham số trật tự |dk | phụ thuộc vào xung lượng k và nhiệt độ ứng với một vài giá trị của g khi ω0 = 0.19 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton của mô hình trong mặt phẳng (g, T ) khi ω0 = 0.20 Tham số trật tự d (lấp đầy) và độ lệch mạng xQ (rỗng) là hàm của nhiệt độ T khi εc − εf thay đổi.21 Giản đồ pha trạng thái ngưng tụ exciton của mô hình trong mặt phẳng (εc − εf , T ) khi ω0 = 0.1 Năng lượng giả hạt Ek+ (đường liền nét); Ek− (đường đứt nét) và tham số trật tự |nk | dọc theo trục k trong vùng Brillouin thứ nhất với U nhỏ.2 Năng lượng giả hạt Ek+ (đường liền nét); Ek− (đường đứt nét) và tham số vii luan an trật tự |nk | dọc theo trục k trong vùng Brillouin thứ nhất với U lớn.3 Năng lượng giả hạt Ek+ (đường liền nét); Ek− (đường đứt nét) và tham số trật tự nk dọc theo trục k trong vùng Brillouin thứ nhất khi g thay đổi.4 Năng lượng giả hạt Ek+ (đường liền nét); Ek− (đường đứt nét) và tham số trật tự |nk | dọc theo trục k ở các nhiệt độ khác nhau.5 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) và độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) như là hàm của cường độ thế Coulomb với các giá trị khác nhau của g .6 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) và độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) như là hàm của U với các giá trị khác nhau của năng lượng tại nút.7 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) và độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) như là hàm của hằng số tương tác điện tử – phonon.8 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) và độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) như là hàm của nhiệt độ với các giá trị khác nhau của g .9 Tham số trật tự Λ (đường liền nét) và độ lệch mạng xQ (đường đứt nét) như là hàm của nhiệt độ với các giá trị khác nhau của U .10 Giá trị của tham số trật tự |nk | phụ thuộc xung lượng k trong vùng Bril- louin thứ nhất với các giá trị khác nhau của U .11 Giá trị của tham số trật tự |nk | phụ thuộc xung lượng k và thế Coulomb trong vùng Brillouin thứ nhất tại T = 0.12 Giá trị của tham số trật tự |nk | phụ thuộc xung lượng k trong vùng Bril- louin thứ nhất với nhiệt độ khác nhau.13 Giá trị của tham số trật tự |nk | phụ thuộc xung lượng k trong vùng Bril- louin thứ nhất với hằng số tương tác điện tử – phonon khác nhau .14 Sự phân bố quang phổ của điện tử c (trái) và điện tử f (phải) dọc theo trục (k, k) trong trạng thái cơ bản khi g thay đổi.15 Sự phân bố quang phổ của điện tử c (trái) và điện tử f (phải) dọc theo trục (k, k) trong trạng thái cơ bản khi U thay đổi.16 Sự phân bố quang phổ của điện tử c (trái) và điện tử f (phải) dọc theo trục (k, k) dọc theo trục (k, k) khi T thay đổi.