Luận văn Ảnh hưởng của sóng điện từ lên hệ số hall và từ trở hall trong dây lượng tử hình chữ nhật với cơ chế tán xạ điện tử - Phonon âm

Nội dung tài liệu: Luận văn Ảnh hưởng của sóng điện từ lên hệ số hall và từ trở hall trong dây lượng tử hình chữ nhật với cơ chế tán xạ điện tử - Phonon âm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------- ĐOÀN THỊ HẰNG ẢNH HƢỞNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ LÊN HỆ SỐ HALL VÀ TỪ TRỞ HALL TRONG DÂY LƢỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT VỚI CƠ CHẾ TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON ÂM Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã Số : 60.44.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Nguyễn Quang Báu Hà Nội – 2016
2. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DÂY LƢỢNG TỬ VÀ LÝ THUYẾT LƢỢNG TỬ VỀ HIỆU ỨNG HALL TRONG BÁN DẪN KHỐI. ....................................... 4 1.1 Dây lượng tử. ........................................................................................................ 4 1.1.1 Khái quát dây lượng tử. ...................................................................................... 4 1.1.2 Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong dây lượng tử. .......................... 4 1.2 Lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối. ..................................... 6 CHƢƠNG II: ẢNH HƢỞNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ LÊN HỆ SỐ HALL VÀ TỪ TRỞ HALL TRONG DÂY LƢỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT (CƠ CHẾ TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON ÂM ) ................................................................... 17 2.1. Phương trình động lượng tử cho điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn với cơ chế tán xạ điện tử-phonon âm. ................................. 17 2.2. Hệ số Hall và từ trở Hall trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn với cơ chế tán xạ điện tử- phonon âm. .............................................................................. 24 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỐ VÀ THẢO LUẬN CHO DÂY LƢỢNG TỬ HÌNH CHỮ NHẬT HỐ THẾ CAO VÔ HẠN GaAs/GaAsAl. .... 29 3.1 Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào kích thước của dây lượng tử hình chữ nhật theo phương x khi có mặt sóng điện từ tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ cho trường hợp tán xạ điện tử phonon âm ................................................................................... 30 3.2 .Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào kích thước của dây lượng tử hình chữ nhật theo phương y khi có mặt sóng điện từ tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ cho trường hợp tán xạ điện tử phonon âm ....................................................................... 31 3.3. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào kích thước của dây lượng tử hình chữ nhật theo phương x,y khi có mặt sóng điện từ tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ cho trường hợp tán xạ điện tử phonon âm ....................................................................... 32 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 34 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 35
3. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Các tham số vật liệu.................................................................................31 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 3.1. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào kích thước của dây lượng tử hình chữ nhật theo phương x khi có mặt sóng điện từ tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ cho trường hợp tán xạ điện tử phonon âm 32 Hình 3.2. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào kích thước của dây lượng tử hình chữ nhật theo phương y khi có mặt sóng điện từ tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ cho trường hợp tán xạ điện tử phonon âm 33 Hình 3.3. Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào kích thước của dây lượng tử hình chữ nhật theo phương x,y khi có mặt sóng điện từ tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ cho trường hợp tán xạ điện tử phonon âm................................................................34 3
4. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Sự chuyển hướng đối tượng nghiên cứu chính từ các vật liệu bán dẫn khối (bán dẫn có cấu trúc 3 chiều) sang bán dẫn thấp chiều là đặc trưng cho thành tựu của khoa học vật lý vào cuối những năm 80 của thế kỷ 20. Đó là, các bán dẫn hai chiều (giếng lượng tử, siêu mạng hợp phần, siêu mạng pha tạp, màng mỏng, ); bán dẫn một chiều (dây lượng tử hình trụ, dây lượng tử hình chữ nhật, ); bán dẫn không chiều (chấm lượng tử hình lập phương, chấm lượng tử hình hình cầu). Nếu ở bán dẫn khối, các điện tử có thể chuyển động trong toàn mạng tinh thể (cấu trúc 3 chiều) thì trong các cấu trúc thấp chiều (hệ hai chiều, hệ một chiều và hệ không chiều), ngoài điện trường của thế tuần hoàn gây ra bởi các nguyên tử tạo nên tinh thể, trong mạng còn tồn tại một trường điện thế phụ. Trường điện thế phụ này cũng biến thiên tuần hoàn nhưng với chu kỳ lớn hơn rất nhiều so với chu kỳ của hằng số mạng (hàng chục đến hàng nghìn lần). Tuỳ thuộc vào trường điện thế phụ tuần hoàn mà các bán dẫn thấp chiều này thuộc về bán dẫn có cấu trúc hai chiều (giếng lượng tử, siêu mạng), hoặc bán dẫn có cấu trúc một chiều (dây lượng tử). Nếu dọc theo một hướng nào đó có trường điện thế phụ thì chuyển động của hạt mang điện sẽ bị giới hạn nghiêm ngặt (hạt chỉ có thể chuyển động tự do theo chiều không có trường điện thế phụ), phổ năng lượng của các hạt mang điện theo hướng này bị lượng tử hoá. Chính sự lượng tử hóa phổ năng lượng của các hạt tải dẫn đến sự thay đổi cơ bản các đại lượng vật lý: hàm phân bố, mật độ dòng, tenxơ độ dẫn, tương tác điện tử với phonon , đặc tính của vật liệu, làm xuất hiện nhiều hiệu ứng mới, ưu việt mà hệ điện tử ba chiều không có [1,2]. Việc tạo ra các linh kiện, thiết bị điện tử dựa trên nguyên tắc hoàn toàn mới, công nghệ cao, hiện đại có tính chất cách mạng trong khoa học kỹ thuật nói chung và quang-điện tử nói riêng là nhờ vào các hệ bán dẫn với cấu trúc thấp chiều. Nhờ những tính năng nổi bật, các ứng dụng to lớn của vật liệu bán dẫn thấp chiều đối với khoa học công nghệ và trong thực tế cuộc sống mà vật liệu bán dẫn thấp chiều đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà vật lý lý thuyết cũng như thực nghiệm trong và ngoài nước. 1
5. Hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối xem xét dưới sự ảnh hưởng của một sóng điện từ đã được nghiên cứu rất đầy đủ và cụ thể bằng phương pháp phương trình động cổ điển Boltzmann và phương trình động lượng tử [10,12,13]. Tuy nhiên, theo chúng tôi được biết thì các nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng này trong các hệ thấp chiều ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh vẫn còn bỏ ngỏ. Trong các hệ thấp chiều thì năng lượng và số sóng của hạt bị lượng tử không chỉ là do thế giam giữ nội tại của vật liệu mà còn là do trường ngoài, chẳng hạn như do từ trường mạnh (xuất hiện mức Landau). Trong điều kiện nhiệt độ thấp thì tính lượng tử thể hiện càng mạnh ở nhiệt độ thấp, đòi hỏi phải sử dụng các lý thuyết lượng tử. Lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Hall trong Hố lượng tử và siêu mạng dưới ảnh hưởng của một sóng điện từ mạnh đã được nghiên cứu bằng phương pháp phương trình động lượng tử. Hai trường hợp được xem xét là: từ trường nằm trong mặt phẳng tự do của electron và từ trường vuông góc với mặt phẳng tự do của electron với hai loại tương tác là tương tác electron-phonon quang và electron-phonon âm [5, 6, 7, 8, 9]. Chúng ta biết rằng, trong số các bán dẫn thấp chiều, bán dẫn dây lượng tử với các dạng thế khác nhau rất được chú ý. Bán dẫn có cấu trúc dây lượng tử là hệ điện tử một chiều. Tuy nhiên, các nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng này cho hệ thấp chiều nói chung và hệ một chiều nói riêng dưới ảnh hưởng của sóng điện từ vẫn còn chưa được đầy đủ. Vì lẽ đó, chúng tôi chọn đề tài: “Ảnh hƣởng của sóng điện từ lên hệ số Hall và từ trở Hall trong giây lƣợng tử hình chữ nhật với cơ chế tán xạ điện tử - phonon âm”. 2. Phƣơng pháp nghiên cứu Chúng tôi sử dụng phương pháp phương trình động lượng tử cho điện tử. Viết Hamiltonian cho hệ điện tử - phonon trong dây lượng tử hình chữ nhật, sau đó xây dựng phương trình động lượng tử cho điện tử và giải phương trình để tìm ra biểu thức giải tích cho ten xơ độ dẫn Hall và hệ số Hall. Biểu thức này chỉ ra rằng độ dẫn Hall phụ thuộc vào từ trường, nhiệt độ, tần số và cường độ sóng điện từ cũng như các đại lượng vật lý đặc trưng cho dây lượng tử hình chữ nhật. Sử dụng chương trình Matlab để tính toán số cho dây lượng tử hình chữ nhật cụ thể GaAs/GaAsAl. Đây là phương pháp phổ biến để nghiên cứu bán dẫn thấp chiều. 2
6. 3.Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Tính toán độ dẫn Hall và hệ số Hall trong dây lượng tử hình chữ nhật để làm rõ hơn các tính chất đặc biệt của bán dẫn thấp chiều. Đối tượng nghiên cứu: dây lượng tử hình chữ nhật. Phạm vi nghiên cứu: Tính toán độ dẫn Hall và hệ số Hall trong dây lượng tử hình chữ nhật với trường hợp tán xạ điện tử phonon âm. 4. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn này được chia làm ba chương: CHƢƠNG I: Tổng quan về dây lượng tử và lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối. CHƢƠNG II: Ảnh hưởng của sóng điện từ lên hệ số Hall và từ trở Hall trong dây lượng tử hình chữ nhật( Cơ chế tán xạ điện tử - phonon âm). CHƢƠNG III: Kết quả tính toán số và thảo luận cho cho dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn GaAs/GaAsAl. Các kết quả thu được trong luận văn góp phần vào kết quả gửi công bố một công trình quốc tế: J.Physics (2016). 3
7. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DÂY LƢỢNG TỬ VÀ LÝ THUYẾT LƢỢNG TỬ VỀ HIỆU ỨNG HALL TRONG BÁN DẪN KHỐI. Trong chương đầu tiên này, chúng tôi sẽ giới thiệu sơ lược về dây lượng tử và hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối theo quan điểm lượng tử. Từ Hamiltonnian của hệ điện tử - phonon, bằng phương pháp phương trình động lượng tử, đưa ra công thức tenxo độ dẫn Hall, công thức xác định hệ số Hall của điện tử trong bán dẫn khối. 1.1 Dây lƣợng tử. 1.1.1 Khái quát dây lƣợng tử. Dây lượng tử (quantum wires) là cấu trúc vật liệu thấp chiều. Trong đó, chuyển động của điện tử bị giới hạn theo hai chiều (kích thước cỡ 100 nm), chỉ có một chiều được chuyển động tự do (trong một số bài toán chiều này thường được gọi là vô hạn); vì thế hệ điện tử còn được gọi là khí điện tử chuẩn một chiều. Trên thực tế chúng ta đã chế tạo được khá nhiều dây lượng tử có các tính chất khá tốt. Dây lượng tử có thể được chế tạo nhờ phương pháp eptaxy MBE, hoặc kết tủa hóa hữu cơ kim loại MOCVD. Một cách chế tạo khác là sử dụng các cổng (gates) trên một transistor hiệu ứng trường, bằng cách này, có thể tạo ra các kênh thấp chiều hơn trên hệ khí điện tử hai chiều. 1.1.2 Hàm sóng và phổ năng lƣợng của điện tử trong dây lƣợng tử. Mô hình dây lượng tử hình chữ nhật cũng hay được đề cập đến trong các công trình mang tính lý thuyết. Để tìm phổ năng lượng và hàm sóng điện tử trong dây lượng tử có thể tìm được kết quả nhờ việc giải phương trình Schrodinger một điện tử cho hệ một chiều 2 2 H  V()() r U r  E  (1.1) 2*m Trong đó, U(r) là thế năng tương tác giữa các điện tử, V(r) là thế năng giam giữ điện tử do sự giảm kích thước. Với mô hình dây lượng tử hình chữ nhật có kích thước ba trục được giả thiết lần lượt là LLLLLLx,,(,,) y z z x y . Ta luôn giả thiết z là chiều không bị lượng tử hóa (điện tử có thể chuyển động tự do theo chiều này), điện 4
8. tử bị giam giữ trong hai chiều còn lại(x và y trong hệ tọa độ Descarte); khối lượng hiệu dụng của điện tử là m*. 0khi 0 x Lxy ;0 y L V khi x 0  x L ; y 0  y L xy a, Hàm sóng và phổ năng lƣợng của electron trong dây lƣợng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn khi không có trƣờng ngoài: Trong phần dưới đây, chúng ta sẽ xét trường hợp đơn giản nhất: hố thế bằng không ở trong và vô cực ở ngoài dây. Khi đó, hàm sóng và phổ năng lượng điện tử được viết dưới dạng: 1ikz 2 n x 2 N y e sin sin LLLLL  n,N,, x y z z x x y y 0 (1.2) 2k 2 2 2 n 2 l 2  k nl, 22m* m * L 2 L 2 xy Trong đó: n, l: là các số lượng tử của hai phương bị lượng tử hoá x và y; kk 0,0, z : là véc tơ sóng của điện tử. Lx, Ly: là các kích thước của dây theo hai phương Ox, Oy. Thừa số dạng cho bởi 2 ' 32 4'q L nn 1 1nn cos q L x x x x Iq n,,, l n'' l 2 q L 42 2 2 q L n 2 n '2 4 n 2 n '2 x x x x 2 ' 32 4'q L ll 1 1ll cos q L y y y y 42 2 q L 2 2 q L l 2 l '2 4 l 2 l '2 y y y y b, Hàm sóng và phổ năng lƣợng của electron trong dây lƣợng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn khi có từ trƣờng: Giả sử dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn đặt trong từ trường B (0,B,0) và điện trường không đổi E1 (0,0,E1 ) dưới ảnh hưởng của trường laser có 5
9. véc tơ 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. Khi đó hàm sóng và phổ năng lượng của electron trong dây lượng tử hình chữ nhật khi có mặt từ trường có dạng: 1 2 n x 2 N y eikz sin sin khi0 x L ;0 y L xy  LLLLLz x x y y n,N x , y , z khi x 0  x L ; y 0  y L xy 0 2 2 2 2 2 2 2 k n l 11 eE1 n, lkN c () 2m* 2 m * L 2 L 2 2 2 m *  x y c Trong đó m là khối lượng hiệu dụng của điện tử; n, l là các số lượng tử của hai phương bị lượng tử hóa x và y; 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; an,, l k ( an,, l k ) là toán tử sinh (hủy) điện c tử; b (b ) là toán tử sinh (hủy) phonon âm trong; A( t )  E sin( t ) là thế véc tơ q q  0 của sóng điện từ, với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. In, l , n ', l ' (q) là thừa số dạng của điện tử; c là tần số Cyclotron 1.2 Lý thuyết lƣợng tử về hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối. Trong phần này chúng tôi giới thiệu tổng quát về ảnh hưởng của sóng điện từ lên hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối. Trong bán dẫn khối, nếu ta đặt một dòng điện theo phương Ox, một từ trường theo phương Oz thì thấy xuất hiện một điện trường theo phương Oy. Hiện tượng này được gọi là Hiệu ứng Hall cổ điển. 6