Luận văn Ảnh hưởng của phonon giam cầm lên hệ số hall trong dây lượng tử hình chữ nhật với thế cao vô hạn khi có mặt trường sóng điện từ

Nội dung tài liệu: Luận văn Ảnh hưởng của phonon giam cầm lên hệ số hall trong dây lượng tử hình chữ nhật với thế cao vô hạn khi có mặt trường sóng điện từ

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đào Công Vƣơng ẢNH HƢỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM LÊN HỆ SỐ HALL TRONG DÂY LƢỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT VỚI THẾ CAO VÔ HẠN KHI CÓ MẶT TRƢỜNG SÓNG ĐIỆN TỪ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2018
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đào Công Vƣơng ẢNH HƢỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM LÊN HỆ SỐ HALL TRONG DÂY LƢỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT VỚI THẾ CAO VÔ HẠN KHI CÓ MẶT TRƢỜNG SÓNG ĐIỆN TỪ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã Số : 60.44.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Đặng Thị Thanh Thủy GS.TS Nguyễn Quang Báu Hà Nội -2018
3. LỜI CẢM ƠN Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Đặng Thị Thanh Thủy và GS.TS Nguyễn Quang Báu – những người đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho em trong quá trình thực hiện luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và dạy bảo của các thầy cô trong bộ môn Vật lý lý thuyết, Trường đại học khoa học tự nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội trong suốt thời gian vừa qua, để em có thể học tập và hoàn thành luận văn này một cách tốt nhất. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu trường THPT Xuân Áng đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian em học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thiện luận văn này. Luận văn được hoàn thành với sự tài trợ của Đề tài QG.17.38 Hà Nội, ngày 05 tháng 01 năm 2018 Học viên Đào Công Vương
4. MỤC LỤC Lời cảm ơn MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 Chƣơng 1: Hàm sóng, phổ năng lƣợng của điện tử và phonon giam cầm trong dây lƣợng tử hình chữ nhật với thế cao vô hạn và hệ số Hall khi chƣa kể đến ảnh hƣởng của phonon giam cầm ............................. 3 1.1 Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử và phonon giam cầm ............. 3 1.2 Hệ số Hall trong dây lượng tử khi chưa kể đến phonon giam cầm .......... 5 Chƣơng 2: Biểu thức giải tích của hệ số Hall khi kể đến phonon giam cầm. .............................................................................................................. 10 2.1 Hamintonian của hệ điện tử-phonon giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn ........................................................... 10 2.2. Phương trình động lượng tử cho điện tử giam cầm có kể đến phonon giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn ..... 12 2.3 Biêủ thức giải tích của hệ số Hall ......................................................... 15 Chƣơng 3: Tính số kết quả lý thuyết cho dây lƣợng tử GaAs/GaAsAl .... 25 3.1 Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào tỷ số Ω/훚c ........................................ 27 3.2 Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào nhiệt độ ............................................. 28 3.3 Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào tần số sóng điện từ ........................... 29 KẾT LUẬN .................................................................................................. 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 31 PHỤ LỤC..................................................................................................... 34
5. DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.0. Các tham số của dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn GaAs/GaAsAl DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 3.1 Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào tỷ số  / c tại giá trị B=6T trong hai trường hợp phonon giam cầm (đường nét đứt) và phonon không giam cầm(đường nét liền) trong dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn Hình 3.2. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào nhiệt độ của hệ trong hai trường hợp phonon giam cầm (đường nét đứt) và phonon không giam cầm (đường nét liền Hình 3.3 Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào tần số sóng điện từ trong hai trường hợp phonon giam cầm (đường nét đứt) và phonon không giam cầm(đường nét liền)
6. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Trong những năm gần đây, vật lý chất rắn đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể nhờ việc chuyển đối tượng nghiên cứu từ vật liệu bán dẫn khối sang bán dẫn thấp chiều. Trong bán dẫn khối các điện tử có thể chuyển động trong toàn mạng tinh thể. Trong bán dẫn thấp chiều - hai chiều( hố lượng tử bán dẫn,siêu mạng), một chiều (dây lượng tử), không chiều (chấm lượng tử), chuyển động của điện tử trong hệ bị giới hạn theo một số chiều xác định trong không gian và chỉ chuyển động tự do theo các chiều còn lại trong mạng tinh thể. Theo các chiều bị giới hạn năng lượng của điện tử bị lượng tử hóa, có một số xác định các mức năng lượng bị gián đoạn EN (N =1,2,3...), dẫn đến sự thay đổi đáng kể các đặc tính của vật liệu: mật độ trạng thái, hàm phân bố, mật độ dòng, tensor độ dẫn . Khi chịu tác động của sóng điện từ các hiệu ứng động của bán dẫn thấp chiều như hiệu ứng Radio điện, hiệu ứng Hall, hiệu ứng âm điện cho kết quả mới khác với vật liệu trong bán dẫn khối và khác với trường hợp không có sóng điện từ [1-13]. Hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối dưới ảnh hưởng của sóng điện từ đã được nghiên cứu [1,6]. Hiệu ứng Hall trong hố lượng tử và siêu mạng dưới ảnh hưởng của một sóng điện từ trường hợp tương tác electron-phonon quang và electron-phonon âm [5,16] đã được nghiên cứu. Tuy vậy hiệu ứng Hall trong dây lượng tử đã được nghiên cứu trong[15] trường hợp phonon không giam cầm còn trong trường hợp phonon giam cầm vẫn còn được bỏ ngỏ. Để hoàn thiện bức tranh về hiệu ứng Hall trong hệ thấp chiều chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hƣởng của phonon giam cầm lên hệ số Hall trong dây 1
7. lƣợng tử hình chữ nhật với thế cao vô hạn khi có mặt trƣờng sóng điện từ ’’, để phần nào làm rõ vấn đề còn bỏ ngỏ nêu trên. 2. Phƣơng pháp nghiên cứu Chúng tôi sử dụng phương pháp phương trình động lượng tử để giải bài toán „„ ảnh hưởng của phonon giam cầm lên hệ số Hall trong dây lượng tử hình chữ nhật với thế cao vô hạn khi có mặt trường sóng điện từ ”. Chúng tôi xây dựng phương trình động lượng tử cho hệ điện tử phonon giam cầm và giải phương trình để tìm ra biểu thức giải tích của hệ số Hall. Sử dụng chương trình Matlab để tính số các kết quả lý thuyết cho dây lượng tử hình chữ nhật GaAs/GaAsAl. 3.Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Thu nhận biểu thức giải tích của hệ số Hall và khảo sát sự phụ thuộc của hệ số Hall vào từ trường ( tần số cyclotron) và nhiệt độ, tần số của trường sóng điện từ trong trường hợp có kể đến phonon giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật với thế cao vô hạn. - Thực hiện tính số kết quả lý thuyết cho biểu thức giải tích của hệ số Hall cho dây lượng tử GaAs/GaAsAl. 4. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, phần nôi dung của luận văn gồm có 3 chương: Chương 1: Hàm sóng phổ năng lượng của điện tử và phonon trong dây lượng tử hình chữ nhật với thế cao vô hạn và hệ số Hall khi chưa kể đến ảnh hưởng của phonon giam cầm Chương 2: Biểu thức giải tích của hệ số Hall khi kể đến phonon giam cầm Chương 3: Tính số kết quả lý thuyết cho dây lượng tử GaAs/GaAsAl 2
8. Chƣơng 1 HÀM SÓNG, PHỔ NĂNG LƢỢNG CỦA ĐIỆN TỬ VÀ PHONON GIAM CẦM TRONG DÂY LƢỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT VỚI THẾ CAO VÔ HẠN VÀ HỆ SỐ HALL KHI CHƢA KỂ ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM Dây lượng tử (quantum wires) là cấu trúc nano một chiều. Ở đó, chuyển động của điện tử bị giới hạn theo hai chiều, chỉ có một chiều được chuyển động tự do. Hiện nay đã có nhiều phương pháp chế tạo được dây lượng tử có các tính chất khá tốt. Dây lượng tử có thể được chế tạo nhờ phương pháp kết tủa hóa hữu cơ kim loại MOCVD, hoặc eptaxy MBE. Cũng có thể sử dụng các cổng (gates) trên một transistor hiệu ứng trường. 1.1 Hàm sóng và phổ năng lƣợng của điện tử và phonon giam cầm Xét dây lượng tử hình chữ nhật cao vô hạn theo phương z, giả thiết z là chiều không bị lượng tử hoá (điện tử có thể chuyển động tự do theo chiều này), với độ rộng của dây theo hai phương x, y mà điện tử bị giam giữ lần lượt là Lxy,L được đặt trong từ trường B (0,B,0) và điện trường không đổi E1 (0,0,E1 ) dưới ảnh hưởng của trường laser có vector điện trường E(t ) E0 sin( t ) vuông góc với phương truyền sóng, trong đó Eo và  tương ứng là biên độ và tần số của sóng điện từ. Chúng tôi xét trường hợp đơn giản: hố thế bằng không ở trong và vô cực ở ngoài dây. Khi đó hàm sóng của điện tử có dạng : 3
9. x 0 x L ; 0 x y 0 y L  (x, y,z) 1 2 n x 2 l y y (1.1) n,l,k eikz Sin Sin 0 x Lx ; LLLLLz x x y y 0 y Ly Phổ năng lượng của điện tử được viết [6,7, 8] như sau: 2 22k 2 2 nl 2 2 11 eE ()()kN x 1 n, l 22 c (1.2) 2m 2 m Lx L y 2 2 m  c Vector sóng q và năng lương ε của phonon giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật với thế cao vô hạn: mm ' qq= , = q= ( qx , q y , q z ) , với xy LLxy 2 2 mm  m, m ', q  0 v s z LL (1.3) xy Hằng số tương tác điện tử- phonon giam cầm: 2 mm, ' 2 e o 1 1 1 |Cq | = ( ) 2V   2mm 2' 2 (1.4) 00 q ()() z LL xy trong đó N = 0, 1, 2, ... : là chỉ số mức Landau từ, n, l =1,2,3 .: là chỉ số lượng tử hóa các mức con , eB  : là tần số cyclotron, c m e m: là khối lượng hiệu dụng của điện tử, 4
10. k và q : lần lượt là véctơ sóng của điện tử và phonon, Lx và Ly : tương ứng là các kích thước của dây lượng tử theo phương x và y, Cq : là thừa số tương tác giữa điện tử – phonon,  0 : là hằng số điện môi,  và 0 : lần lượt là độ thẩm điện môi cao tần và độ thẩm điện môi tĩnh, V: là thể tích chuẩn hóa. 1.2 Hệ số Hall trong dây lƣợng tử khi chƣa kể đến phonon giam cầm Halmintonian của hệ điện tử giam cầm - phonon không giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn : e H ( k A ) a a b b n,() lc tn,,,, l k n l k q q q n,, l k q 2 2 C I()()() q a a b b q a a (1.5) q n, l , n ', l ' nlkqnlk, , ', ', q q nlkqnlk , , ', ', n, l , n ', l ', k , q q Với và lần lượt là véctơ sóng của điện tử và phonon; an,, l k ( an,, l k ) là toán tử sinh (hủy) điện tử; bq (bq ) là toán tử sinh (hủy) phonon , với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. c A( t )  E0 sin( t ) : là thế véc tơ của sóng điện từ,  I (q) : là thừa số dạng của điện tử n, l , n ', l ' 5