Luận văn Ảnh hưởng của phonon giam cầm lên hiệu ứng hall trong siêu mạng pha tạp (cơ chế tán xạ điện tử - Phonon âm)

Nội dung tài liệu: Luận văn Ảnh hưởng của phonon giam cầm lên hiệu ứng hall trong siêu mạng pha tạp (cơ chế tán xạ điện tử - Phonon âm)

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- BÙI THỊ THANH LAN ẢNH HƢỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM LÊN HIỆU ỨNG HALL TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP (CƠ CHẾ TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON ÂM) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI, 2018
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- BÙI THỊ THANH LAN ẢNH HƢỞNG CỦA PHONON GIAM CẦM LÊN HIỆU ỨNG HALL TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP (CƠ CHẾ TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON ÂM) Chuyên ngành : Vật lí lí thuyết và vật lí toán Mã số: 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. LÊ THÁI HƢNG GS. TS. NGUYỄN QUANG BÁU HÀ NỘI, 2018
3. LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Lê Thái Hưng và GS.TS. Nguyễn Quang Báu– những ngưòi thày đã tận tình hướng dẫn, đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Vật lý và phòng Sau đại học của Trưòng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thày, cô và các bạn thuộc Bộ môn Vật lý lý thuyết, khoa Vật lý của Trưòng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã đóng góp ý kiến quý báu cho luận văn. Cuối cùng, tác giả xin cám ơn sự giúp đõ tận tình của bạn bè và những ngưòi thân trong gia đình đã động viên cho tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến mọi người. Luận văn được hoàn thành với sự tài trợ của đề tài QG.17.38. Hà Nội, tháng 03 năm 2018 Tác giả luận văn Bùi Thị Thanh Lan
4. Luận văn thạc sĩ Bùi Thị Thanh Lan DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU VÀ HÌNH VẼ SỐ HIỆU TÊN TRANG Bảng 3.1 Tham số vật liệu được s d ng trong quá trình t nh toán 34 Hình 3.1 34 Sự ph thuộc của hệ số Hall RH vào từ trường B trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon giam cầm (đường màu đỏ và màu xanh l c) và trường hợp phonon khối (đường màu xanh lá )trong đó: E=105V/m, 23 -3 T=100K,d=20nm ,nD=10 m Hình 3.2 Sự ph thuộc của hệ số Hall vào tần số sóng điện từ 35 trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon giam cầm(đường màu đỏ )và phonon không giam cầm (đường màu xanh nét đứt )trong đó: E=105V/m, T=100K, 23 -3 d=20nm, nD=10 m Hình 3.3 36 Sự ph thuộc của hệ số Hall vào cường độ trường laser Eo trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon giam cầm (đường màu xanh l c và xanh lá )và phonon khối 23 - (đường màu đỏ) trong đó : T=100K, d=20nm, nD=10 m 3 Hình 3.4 37 Sự ph thuộc của hệ số Hall vào nhiệt độ T trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon giam cầm(đường màu xanh l c và xanh lá )và phonon khối (đường màu đỏ) 5 23 -3 trong đó : E=10 V/m,d=20nm,nD=10 m
5. Luận văn thạc sĩ Bùi Thị Thanh Lan MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU VÀ HÌNH VẼ MỞ ĐẦU.............................................................................................................1 RH Chƣơng 1. Hàm sóng và phổ năng lƣợng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm trong siêu mạng pha tạp và lý thuyết về hiệu ứng Hall trong siêu mạng pha tạp ( Trƣờng hợp phonon không giam cầm) .................................3 1.1. Tổng quan về hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử và phonon giam cầm trong siêu mạng pha tạp...........................................................................3 1.2. Lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Hall trong siêu mạng pha tạp trường hợp phonon không giam cầm.................................................................................7 Chƣơng 2. Biểu thức giải tích của hệ số Hall trong siêu mạng pha tạp với cơ chế tán xạ điện tử giam cầm...................................9 2.1. Phương trình động lượng tử cho hàm phân bố điện tử trong siêu mạng pha tạp ...............................................................................................................9 2.2. Biểu thức giải tích của hệ số Hall trong siêu mạng pha tạp với cơ chế tán xạ điện tử - phonon âm giam cầm..............................................................25 Chƣơng 3. Tính toán số và vẽ đồ thị hệ số Hall trong siêu mạng pha tạp GaAs:Be/GaAs:Si....................................... 34 3.1. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào từ trường B trong siêu mạng pha tạp..............................................................................................................34 3.2. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào tần số  trong siêu mạng pha tạp..............................................................................................................35
6. Luận văn thạc sĩ Bùi Thị Thanh Lan 3.3. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào cường độ Eo trong siêu mạng pha tạp..............................................................................................................36 3.4. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào nhiệt độ T trong siêu mạng pha tạp..............................................................................................................37 RH KẾT LUẬN.................................................................................................38 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................39 PHỤ LỤC........................................................................................................42
7. Luận văn thạc sĩ Bùi Thị Thanh Lan MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thời đại ngày nay, khi mà các chất bán dẫn đang đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp quang – điện tử học thì việc đòi hỏi sự ra đời của các vật liệu mới có các tính chất ưu việt hơn đang trở thành nhu cầu cấp bách. Ở thế kỉ trước, các nhà vật lý còn chưa tập trung nghiên cứu hệ bán dẫn thấp chiều. Song thời gian gần đây, hệ bán dẫn thấp chiều đang trở thành xu hướng nghiên cứu chủ yếu. Điều này là do sự khác biệt giữa hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong hệ thấp chiều so với hàm sóng và phổ năng lượng trong bán dẫn khối. Kết quả nghiên cứu cấu trúc cũng như các hiện tượng vật lý cho thấy cấu trúc thấp chiều đã làm thay đổi đáng kể nhiều đặc tính của vật liệu, xuất hiện thêm nhiều đặc tính mới mà các hệ điện tử 3D không có. Nhờ đó mang lại ý nghĩa lớn trong việc tạo ra các linh kiện điện tử thế hệ mới có nhiều ứng dụng trong đời sống. [1-6]. Các bài toán đặt ra với hệ bán dẫn thấp chiều là xét cấu trúc điện tử; tính chất từ, tính chất quang; tính chất tán xạ, hiệu ứng Hall, hiệu ứng Shubnikov - DeHaas... Nhiều công trình nghiên cứu về tính chất và các hiệu ứng trên như các công trình [7- 22]. Thời gian trước, các nhà vật lý mới chỉ xét đến hiệu ứng Hall trường hợp phonon không giam cầm [14,23]. Thời gian trở lại đây, các nghiên cứu đã chỉ ra sự đóng góp đáng kể của phonon giam cầm đối với các hiệu ứng động trong hệ bán dẫn thấp chiều [4,6]. Từ tất cả các lý do trên, chúng tôi chọn đề tài là: “Ảnh hưởng của phonon giam cầm lên hiệu ứng Hall trong siêu mạng pha tạp (cơ chế tán xạ điện tử- phonon âm)” 2. Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của phonon âm giam cầm lên hiệu ứng Hall trong siêu mạng pha tạp. Tính toán và thu nhận sự phụ thuộc của hệ số Hall vào từ trường, tần số và cường độ của bức xạ laser, nhiệt độ của hệ. 3. Phương pháp và nội dung nghiên cứu: Khi nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng Hall ta có rất nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp phương trình động lượng tử, phương pháp phương trình 1
8. Luận văn thạc sĩ Bùi Thị Thanh Lan động học Boltzmann, ... Trong đề tài này, chúng tôi lựa chọn phương pháp phương trình động lượng tử. Phương pháp này cho các kết quả tường minh và có độ tin cậy khoa học. Sau khi thu được biểu thức của hệ số Hall, chúng tôi thực hiện việc khảo sát sự phụ thuộc của hệ số Hall vào các tham số siêu mạng pha tạp GaAs:Be/GaAs:Si vào tần số, nhiệt độ, từ trường, điện trường với phần mềm tính số Matlap. 4. Cấu trúc luận văn: Cấu trúc luận văn gồm ba chương. Ngoài ra còn phần mở đầu, kết luận , tài liệu tham khảo và phụ lục. Cụ thể: Chương 1. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm trong siêu mạng pha tạp và lý thuyết về hiệu ứng Hall trong siêu mạng pha tạp (Trường hợp phonon không giam cầm ) Chương 2. Biểu thức giải tích của hệ số Hall trong siêu mạng pha tạp với cơ chế tán xạ điện tử - phonon âm giam cầm. Chương 3. Tính toán số và vẽ đồ thị hệ số Hall trong siêu mạng pha tạp GaAs:Be/GaAs:Si. 5. Kết luận chung: Các kết quả nghiên cứu trong luận văn cho thấy rằng ảnh hưởng của phonon âm giam cầm lên hiệu ứng Hall của điện tử trong siêu mạng pha tạp là đáng kể và phụ thuộc vào chỉ số lượng tử m. Các kết quả thu được sẽ tương tự như trong trường hợp phonon khối thông thường khi cho chỉ số lượng tử m tiến đến 0.
9. Luận văn thạc sĩ Bùi Thị Thanh Lan CHƢƠNG I: HÀM SÓNG VÀ PHỔ NĂNG LƢỢNG CỦA ĐIỆN TỬ GIAM CẦM VÀ PHONON GIAM CẦM TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP VÀ LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG HALL TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP. 1.1. Tổng quan về hàm sóng và phổ năng lƣợng của điện tử và phonon giam cầm trong siêu mạng pha tạp Trong các hệ vật liệu thấp chiều, chuyển động của điện tử bị giới hạn theo 1 số chiều xác định và bị định xứ mạnh. Các điện tử chuyển động tự do theo chiều còn lại. Hàng loạt các hiện tượng vật lý mới sẽ xuất hiện khi các hạt tải bị giới hạn trong các vùng kích thước cỡ bước sóng DeBroglie. Năng lượng của điện tử bị lượng tử hóa theo các chiều bị giới hạn với các mức năng lượng xác định EN (N = 1, 2 ...). Còn với các chiều tự do, các hạt tải chuyển động mà không bị ảnh hưởng bởi hố thế năng, phổ năng lượng. Kết quả là năng lượng tổng của hệ điện tử là gián đoạn theo hướng có sự lượng tử hóa và liên tục khi xét chuyển động trong mặt phẳng của hố thế [1,2]. Xét đến hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử và phonon giam cầm trong siêu mạng pha tạp, trước hết ta xét cấu trúc của siêu mạng pha tạp. Trong các hệ thấp chiều, siêu mạng pha tạp được cấu tạo từ hai bán dẫn đồng chất, được pha tạp một cách khác nhau và xếp chồng chập lên nhau. Thế siêu mạng được tạo nên nhờ sự phân bố tuần hoàn trong không gian của các điện tích và đóng vai trò quyết định đối với việc tạo nên bán dẫn pha tạp. Chẳng hạn, siêu mạng pha tạp n-GaAs/p- GaAs là sự sắp xếp tuần hoàn của các lớp bán dẫn mỏng GaAs loại n (GaAs:Si) và GaAs loại p (GaAs:Be), ngăn cách bởi các lớp GaAs không pha tạp (gọi là tinh thể n-i-p-i). Ưu điểm của siêu mạng pha tạp là các tham số của siêu mạng có thể điều chỉnh dễ dàng nhờ thay đổi nồng độ pha tạp [3-6]. Trong không gian mạng tinh thể của siêu mạng pha tạp, chuyển động của điện tử bị giới hạn rất mạnh theo một phương và tự do theo hai phương còn lại. Vì thế, chuyển động của điện tử bị lượng tử hóa với các mức năng lượng gián đoạn theo
10. Luận văn thạc sĩ Bùi Thị Thanh Lan phương bị giới hạn (thường chọn là theo phương z), chuyển động là tự do trong mặt phẳng hai phương còn lại (x,y). Dựa trên mô hình đơn giản cho siêu mạng pha tạp đặt trong một từ trường B , một điện trường không đổi E1 , bức xạ laser E  E0 sin t và sử dụng hệ đơn vị lượng tử với 1. Khi đó hàm sóng của điện tử có dạng: 1 ipy y ()()()r Nn x x0 e z , (1.1) Ly trong đó: N ()xx 0 : là hàm sóng điều hoà, 1 zz2  (zH ) exp( ) ( ) nnn 2 : là hàm riêng của các mức năng lượng con, 2!nl z 2llzz Ly : là độ dài chuẩn hóa theo phương y, 1 lzn ,() H z : đa thức Hermite thứ n, mep ppy (0,y ,0) : là vector sóng theo phương y, và phổ năng lượng được viết theo công thức: 1 1 1 ()()(),p N  n   p m  2 (1.2) N, ny 2 c 2 p d y 2 e d trong đó: