Luận văn Ảnh hưởng của sóng điện từ lên hệ số hall và từ trở hall trong siêu mạng hợp phần với cơ chế tán xạ điện tử - Phonon quang

Nội dung tài liệu: Luận văn Ảnh hưởng của sóng điện từ lên hệ số hall và từ trở hall trong siêu mạng hợp phần với cơ chế tán xạ điện tử - Phonon quang

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------- TÔ DUY QUANG ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ LÊN HỆ SỐ HALL VÀ TỪ TRỞ HALL TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN VỚI CƠ CHẾ TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 i
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------- TÔ DUY QUANG ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ LÊN HỆ SỐ HALL VÀ TỪ TRỞ HALL TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN VỚI CƠ CHẾ TÁN XẠ ĐIỆN TỬ - PHONON QUANG 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 ii
3. LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Quang Báu, người thày đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn này. Những ngày cuối khóa, may mắn được học tập và làm việc dưới sự hướng dẫn của thày đã giúp em hiểu thêm được phần nào về hoạt động học tập và nghiên cứu khoa học, về mối quan hệ gần gũi giữa những người làm khoa học, về những khó khăn và cả những ứng xử trong đời sống thường ngày. Em xin chân thành cảm ơn các thày cô trong khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, những người đã trực tiếp giảng dạy cũng như giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trường. Các thày cô là những người đưa đò nhiệt thành nhất, luôn chỉ dạy tận tình và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập, giúp đỡ cho chúng em không chỉ kiến thức mà còn nhiều mặt khác trong cuộc sống. Em xin gửi lời cảm ơn đến các thày cô ở phòng sau đại học trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ và xác nhận các thủ tục hành chính để em được bảo vệ. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, anh em, bạn bè và những người thân trong gia đình đã luôn ở bên động viên và chỉ bảo trong suốt quá trình học tập. Gia đình và bạn bè luôn là chỗ dựa vững chắc nhất cho em trong mọi hoàn cảnh để em yên tâm học tập và hoàn thành luận văn này. Không thể nào kể tên hết tất cả mọi người trong trang giấy ngắn này, em chỉ biết bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến tất cả mọi người! Luận văn này được hoàn thành với sự tài trợ của đề tài NAFOSTED mã số 103.01-2015.22. Hà nội, ngày 15 tháng 9 năm 2016 Học viên Tô Duy Quang iii
4. MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH HÌNH VẼ .iii MỞ ĐẦU ..1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG HALL VÀ PHỔ NĂNG LƯỢNG, HÀM SÓNG CỦA ĐIỆN TỬ TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN. .5 1.1. Tổng quan về siêu mạng hợp phần ..5 1.1.1. Khái niệm về siêu mạng hợp phần ...5 1.1.2. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong siêu mạng hợp phần .7 1.2. Hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối ...11 1.2.1. Hiện tượng luận về hiệu ứng Hall ...11 1.2.2. Lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối ..14 CHƯƠNG II. ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ LÊN HỆ SỐ HALL VÀ TỪ TRỞ HALL TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN ...22 2.1 Phương trình động lượng tử cho điện tử trong siêu mạng hợp phần khi có mặt sóng điện từ ...22 2.2 Biểu thức giải tích cho hệ số Hall và từ trở Hall ...26 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỐ CHO SIÊU MẠNG HỢP PHẦN GaN/ALGaN 37 3.1 Sự phụ thuộc của hệ số Hall theo tần số sóng điện từ và nhiệt độ của hệ .37 3.2 Sự phụ thuộc của hệ số Hall theo nhiệt độ của hệ ứng với các giá trị khác nhau của biên độ sóng điện từ .38 3.3 Sự phụ thuộc của từ trở Hall theo nhiệt độ của hệ ứng với các giá trị khác nhau của biên độ sóng điện từ .39 i
5. KẾT LUẬN ..41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...43 ii
6. DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc của một siêu mạng bán dẫn hợp phần gồm hai lớp mỏng bán dẫn A và B đặt cạnh nhau .. 5 Hình 1.2. Cấu trúc vùng của một siêu mạng hợp phần với các thông số được cho trên hình vẽ ..................... 6 Hình 1.3 Hiệu ứng Hall. (a) Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh Hall kim loại. 1: electron. 2: thanh Hall. 3: nam châm. 4: từ trường. 5: nguồn điện. Màu đỏ trên thanh Hall thể hiện sự tập trung của điện tích dương tại đó, còn màu xanh là nơi tập trung điện tích âm. Trên các hình B, C, D, chiều của nguồn điện và từ trường được đổi ngược. (b) Hướng và chiều tác dụng trong hiệu ứng Hall 12 Hình 3.1 Sự phụ thuộc của hệ số Hall vào tần số của sóng điện từ và nhiệt độ của hệ .. .38 Hình 3.2 Sự phụ thuộc của hệ số Hall theo nhiệt độ của hệ ứng với các giá trị khác nhau của biên độ sóng điện từ .39 Hình 3.3 Sự phụ thuộc của từ trở Hall theo nhiệt độ của hệ ứng với các giá trị khác nhau của biên độ sóng điện từ .39 iii
7. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Chúng ta đều biết rằng công nghệ bán dẫn với transistor truyền thống đã phát triển hết sức mạnh mẽ suốt từ thập kỷ 50 của thế kỉ XX. Bằng chứng hùng hồn cho sự phát triển đó chính là định luật Moore với sự tăng theo hàm mũ của mật độ transistor trên chip điện tử Silicon. Tuy nhiên, mật độ transistor sẽ đạt đến giới hạn mà tại đó các nguyên lý hoạt động cho transistor cổ điển không còn đúng nữa, đó là vấn đề chính mà các nhà vật lý và kỹ thuật đã lo ngại khi tiếp tục giảm kích thước bóng bán dẫn. Điều đó đã thúc đẩy về kỹ thuật khai sinh ra khoa học nano và công nghệ nano, hay cụ thể là khoa học nghiên cứu về các hệ thấp chiều và vật liệu thấp chiều. Các cấu trúc vật liệu thấp chiều là những cấu trúc mà chuyển động của các điện tử bị giới hạn một hoặc nhiều phương do sự giảm kích thước. Chính sự giới hạn chuyển động của điện tử mà nguyên nhân do sự giảm kích thước này đã dẫn đến các tính chất vật lý của hệ thấp chiều phụ thuộc mạnh vào dạng hình học, kích thước, loại vật liệu . cấu tạo nên hệ [1, 2]. Các tính chất vật lý nói chung của hệ thấp chiều sẽ tuân theo quy luật của vật lý lượng tử. Do trong các cấu trúc thấp chiều, phổ năng lượng của các hạt tải điện bị lượng tử hóa dẫn đến sự thay đổi cơ bản của các đại lượng vật lý khác như hàm phân bố, mật độ dòng, tenxo độ dẫn hay tương tác của điện tử với phonon, làm xuất hiện nhiều hiệu ứng mới mà các hệ cổ điển không có. Chẳng hạn khi đặt một từ trường mạnh vuông góc với mặt phẳng tự do của hệ điện tử hai chiều thì phổ năng lượng của điện tử bị lượng tử hóa hoàn toàn, điều này làm cho trong hệ hai chiều xuất hiện một số hiệu ứng mới lạ khác với trong bán dẫn khối, ví dụ như hiệu ứng cộng hưởng electron-phonon, các dao động từ trở Shubnikov – de Haas (SdH) hay hiệu ứng Hall lượng tử số nguyên (integer quantum Hall effect), và hiệu ứng Hall lượng tử phân số. Đây là những hiệu ứng mà ta chỉ quan sát thấy trong các hệ chuẩn hai chiều ở miền nhiệt độ thấp và trong từ trường mạnh [3 – 21] . 1
8. 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 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 15,16]. Tuy nhiên theo những tìm hiểu của chúng tôi thì các nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng này cho các hệ thấp chiều nói chung và cho siêu mạng hợp phần nói riêng dưới ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh với từ trường dọc theo trục siêu mạng (hiệu ứng Hall dọc) vẫn chưa được đầy đủ. Đó là lý do chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là “Ảnh hưởng của sóng điện từ lên hệ số Hall và từ trở Hall trong siêu mạng hợp phần với cơ chế tán xạ điện tử - phonon quang”. 2. Mục đích nghiên cứu. Trong luận văn này, mục tiêu của chúng tôi là nghiên cứu ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh lên hiệu ứng Hall trong siêu mạng hợp phần dựa trên cơ sở là phương trình động lượng tử cho hệ điện tử trong siêu mạng với trường hợp cụ thể là từ trường dọc theo trục siêu mạng. Loại tương tác mà chúng tôi quan tâm đến là tương tác giữa electron với phonon quang ở miền nhiệt độ cao. Bằng việc giải phương trình động lượng tử với các điều kiện kể trên cho siêu mạng hợp phần, chúng tôi sẽ thu nhận được biểu thức giải tích cho tenxo độ dẫn Hall và hệ số Hall trong siêu mạng hợp phần và từ đó tính số để thu được các mô tả và suy diễn được các tính chất của siêu mạng hợp phần dưới ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh nói trên. 3. Nội dung nghiên cứu. Với mục đích nghiên cứu mô tả ở trên, thì nội dung nghiên cứu chính của luận văn sẽ là: Từ hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong siêu mạng hợp phần khi có mặt điện trường và từ trường, chúng tôi sẽ xây dựng toán tử Hamiltonian của hệ electron-phonon tương tác khi có mặt sóng điện từ mạnh đặt vào hệ. Từ đó chúng tôi thiết lập phương trình động lượng tử cho toán tử số điện tử trung bình và viết ra biểu thức của mật độ dòng điện. Sử dụng các phép biến đổi giải tích, chúng tôi thu được biểu thức cho tenxo độ dẫn điện và từ đó suy ra biểu thức của từ trở và hệ số Hall. Dùng các kết quả giải tích, chúng tôi tính toán số và thu nhận được đồ thị và thảo 2
9. luận đối với cấu trúc siêu mạng hợp phần, từ đó so sánh với các kết quả trước đó cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu của chúng tôi về ảnh hưởng của sóng điện từ lên hiệu ứng Hall trong siêu mạng hợp phần với cơ chế tán xạ điện tử - phonon quang sẽ được dựa trên phương pháp phương trình động lượng tử. Phương pháp này đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước sử dụng, và tỏ ra là một phương pháp hiệu quả để nghiên cứu các tính chất động trong bán dẫn. Việc tính số được chúng tôi thực hiện trên phần mềm tính toán Matlab. 5. Ý nghĩa khoa học và học thuật của luận văn. Bên cạnh những ý nghĩa về nội dung và phương pháp sử dụng, kết quả nghiên cứu của luận văn cũng đóng góp một phần nhỏ bé bổ sung cho những kết quả trước đó nghiên cứu về ảnh hưởng của sóng điện từ lên hiệu ứng Hall trong các cấu trúc vật liệu thấp chiều và do đó cũng đóng góp vào sự phát triển của vật lý nano hay vật lý các hệ thấp chiều. Ngoài ra kết quả của luận văn cũng cung cấp thông tin về các tính chất vật lý của một đối tượng thấp chiều đó là siêu mạng hợp phần. Những thông tin này cũng có thể xem là cơ sở cho thực nghiệm và cho công nghệ chế tạo các linh kiện điện tử bằng vật liệu nano, ngành công nghệ mũi nhọn hiện nay. 6. Cấu trúc của luận văn. Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung của luận văn được chia làm ba chương: Chương I. Tổng quan về hiệu ứng Hall và phổ năng lượng, hàm sóng của điện tử trong siêu mạng hợp phần. Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về siêu mạng hợp phần, hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong siêu mạng hợp phần, hiện tượng luận về 3
10. hiệu ứng Hall trong bán dẫn khối và lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Hall trong bán dẫn thấp chiều. Chương II. Ảnh hưởng của sóng điện từ lên hệ số Hall và từ trở Hall trong siêu mạng hợp phần. Để khảo sát ảnh hưởng của sóng điện từ lên hiệu ứng Hall, trong phần này, chúng tôi thiết lập phương trình động lượng tử cho điện tử trong siêu mạng hợp phần khi có mặt sóng điện từ, và giải phương trình này trong điều kiện từ trường mạnh với cơ chế tán xạ điện tử - phonon quang ở nhiệt độ cao, từ đó dẫn ra các biểu thức giải tích cho hệ số Hall và từ trở Hall. Chương III. Kết quả tính toán số cho siêu mạng hợp phần GaN/AlGaN. Sử dụng các biểu thức giải tích thu được trong chương II, chúng tôi khảo sát tính toán số cho hệ siêu mạng hợp phần cụ thể là siêu mạng hợp phần GaN/ Al0.2 Ga 0.8 N thông qua phần mềm tính toán Matlab và thu được sự phụ thuộc của hệ số Hall theo tần số sóng điện từ và nhiệt độ của hệ; sự phụ thuộc của hệ số Hall theo nhiệt độ của hệ ứng với các giá trị khác nhau của biên độ sóng điện từ; sự phụ thuộc của từ trở Hall theo nhiệt độ ứng với các giá trị khác nhau của biên độ sóng điện từ. Các kết quả tính số này được đánh giá và so sánh với các kết quả thực nghiệm cũng như lý thuyết của các tác giả khác. 4