Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên sự tự khuếch tán trong Ge bằng phương pháp thống kê mômen

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên sự tự khuếch tán trong Ge bằng phương pháp thống kê mômen

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 ---- VŨ THỊ LAN PHƢƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN SỰ TỰ KHUẾCH TÁN TRONG Ge BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và Vật lí toán Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phan Thị Thanh Hồng HÀ NỘI - 2017
2. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Phan Thị Thanh Hồng. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 12 tháng 8 năm 2017 Học viên Vũ Thị Lan Phương
3. LỜI CẢM ƠN Trước khi trình bày nội dung của luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Thị Thanh Hồng người đã định hướng chọn đề tài và tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới phòng Sau đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lý, các thầy cô giáo giảng dạy chuyên ngành Vật lý lý thuyết và Vật lý toán trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt trong quá trình học tập để tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 12 tháng 8 năm 2017 Tác giả Vũ Thị Lan Phương
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu: .................................................................................... 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu: ................................................................................... 2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:................................................................ 2 5. Phương pháp nghiên cứu:.............................................................................. 3 Chƣơng 1: CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN HIỆN TƢỢNG KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ BÁN DẪN ...... 4 1.1. Cấu trúc tinh thể của bán dẫn ................................................................ 4 1.2. Các khuyết tật trong tinh thể bán dẫn ................................................... 5 1.3. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn ...................................... 7 1.4. Các nghiên cứu về ảnh hƣởng của áp suất lên sự khuếch tán trong tinh thể bán dẫn .................................................................................... 9 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 .............................................................................. 12 Chƣơng 2: KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ BÁN DẪN DƢỚI ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT ........................................................................................ 13 2.1. Phƣơng pháp thống kê mômen trong nghiên cứu tinh thể bán dẫn . 13 2.1.1. Độ dời của hạt khỏi nút mạng ........................................................... 13 2.1.2. Năng lượng tự do Helmholtz ............................................................. 18 2.2. Sự tự khuếch tán trong tinh thể bán dẫn dƣới ảnh hƣởng của nhiệt độ và áp suất ......................................................................................... 20 2.2.1. hu ch tán dư i ảnh hư ng của nhi t ộ ......................................... 20 2.2.2. hu ch tán dư i ảnh hư ng của áp su t .......................................... 27 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .............................................................................. 32
5. Chƣơng 3: TỰ KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ Ge DƢỚI ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT .................................................. 33 3.1. Thế tƣơng tác giữa các hạt trong tinh thể ........................................... 33 3.2. Ảnh hƣờng của nhiệt độ và áp suất lên các đại lƣợng khuếch tán của Ge ............................................................................................................. 34 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .............................................................................. 40 KẾT LUẬN .................................................................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 42
6. DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Giá trị các thông số thế Stillinger – Weber của Ge ...................... 34 r * Bảng 3.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của aLT, aKT, V , V của Ge ....................... 36 Bảng 3.3 . Ảnh hưởng của áp suất lên năng lượng kích hoạt Q ở nhiệt độ T trong sự tự khuếch tán của Ge ( Đơn vị của Q là eV) ............... 37 Bảng 3.4. So sánh năng lượng kích hoạt của Ge với thực nghiệm ............... 37 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của áp suất lên hệ số khuếch tán D ở nhiệt độ T 2 trong sự tự khuếch tán của Ge ( Đơn vị của D là cm /s) .............. 38
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Mạng tinh thể Ge ............................................................................ 4 Hình 1.2. Mạng tinh thể ZnS .......................................................................... 5 Hình 1.3. Khuyết tật nút khuyết trong tinh thể Ge ......................................... 7 Hình 1.4. Khuyết tật tự xen kẽ (self-interstitial) trong tinh thể Ge ................ 7 Hình 1.5. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể rắn .......................... 8 Hình 2.1. Lược đồ sự thay đổi thể tích trong lúc hình thành Và dịch chuyển khuyết tật .......................................................................... 28 Hình 3.1. Sự phụ thuộc áp suất của năng lượng kích hoạt Q ....................... 39 Hình 3.2. Sự phụ thuộc áp suất của hệ số khuếch tán D ............................... 39
8. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khuếch tán là hiện tượng cơ bản trong tự nhiên và nó xảy ra trong tất cả các môi trường vật chất. Do vậy, nghiên cứu để hiểu các quá trình khuếch tán chính là nghiên cứu quy luật cơ bản của tự nhiên. Nó sẽ góp phần làm cho con người hiểu rõ về các quá trình vận động của vật chất, khám phá các quy luật cơ bản của quá trình vận động vật chất trong tự nhiên, đặc biệt là quá trình vận động của thế giới vi mô. Chính vì ý nghĩa đó nên hiện tượng khuếch tán là đề tài hấp dẫn và luôn có những vấn đề mới đặt ra để nghiên cứu. Đã có hàng trăm công trình nghiên cứu cả lí thuyết và thực nghiệm về sự tự khuếch tán và khuếch tán của các tạp chất trong các kim loại, hợp kim, bán dẫn Đặc biệt là sự khuếch tán trong bán dẫn Si và Ge thu hút được sự quan tâm mạnh mẽ của nhiều nhà khoa học có tên tuổi trên thế giới. Tuy nhiên, việc đo đạc chính xác các đại lượng khuếch tán là một điều rất khó, đòi hỏi phải có các trang thiết bị hiện đại và có đội ngũ chuyên gia giàu kinh nghiệm. Về mặt lí thuyết, có nhiều phương pháp đã được sử dụng để nghiên cứu về khuếch tán như phương pháp mô phỏng, phương pháp liên kết chặt, phương pháp thế kinh nghiệm, các phương pháp ab initio Các phương pháp này đã thu được những thành công nhất định nhưng các tính toán còn bị hạn chế và các kết quả số thu được có độ chính xác chưa cao so với các giá trị thực nghiệm. Vì vậy, nghiên cứu về sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn vẫn là vấn đề có ý nghĩa khoa học và mang tính thời sự. Trong khoảng vài chục năm trở lại đây, phương pháp thống kê mô men được áp dụng nghiên cứu thành công đối với các tính chất nhiệt động và đàn hồi của các tinh thể phi điều hòa có cấu trúc lập phương tâm diện, lập phương tâm khối, cấu trúc kim cương và cấu trúc zinc blen. Phương pháp này cũng được sử dụng có hiệu quả để nghiên cứu về hiện tượng tự khuếch tán trong
9. 2 các kim loại, hợp kim có cấu trúc lập phương tâm diện và lập phương tâm khối. Trong các công trình nghiên cứu mới đây, các tác giả đã xây dựng được các biểu thức giải tích xác định các đại lượng vật lí gắn liền với hiện tượng khuếch tán như: Năng lượng kích hoạt Q, hệ số trước hàm mũ D0, hệ số khuếch tán D... của tinh thể và hợp chất bán dẫn. Các biểu thức này đã được áp dụng để tính số cho Si tự khuếch tán và khuếch tán của các tạp chất B, P, Ga, As và Al trong tinh thể Si dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và độ biến dạng. Các kết quả số thu được bằng phương pháp này đã được so sánh với thực nghiệm cho thấy có sự phù hợp tốt. Kế thừa và phát triển những thành công đó, trong luận văn này chúng tôi tiếp tục áp dụng phương pháp thống kê mô men để nghiên cứu sự khuếch tán trong Ge dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất nhằm góp phần hoàn thiện và khẳng định lý thuyết này. Với những lí do đó, chúng tôi lựa chọn đề tài của luận văn là “Nghiên cứu ảnh hư ng của áp su t lên sự tự khu ch tán trong Ge bằng phương pháp thống kê mô men”. 2. Mục đích nghiên cứu: Mục đích của luận văn là sử dụng phương pháp thống kê mô men nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên sự tự khuếch tán trong Ge. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu: Xây dựng các biểu thức giải tích xác định sự phụ thuộc áp suất p của năng lượng kích hoạt Q và hệ số khuếch tán D. Áp dụng các biểu giải tích thu được để tính số cho Ge tự khuếch tán. Các kết quả số thu được sẽ được so sánh với thực nghiệm và các tính toán bằng lí thuyết khác để khẳng định mức độ tin cậy của phương pháp đã chọn. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: Các tính chất khuếch tán trong tinh thể Ge. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên các tính chất khuếch tán của Ge theo cơ chế nút khuyết.
10. 3 5. Phƣơng pháp nghiên cứu: - Tìm kiếm tài liệu để cập nhật các thông tin liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu. - Áp dụng phương pháp thống kê mômen xác định độ dời của hạt khỏi vị trí cân bằng, năng lượng tự do Helmholtz. Từ đó xác định sự phụ thuộc áp suất p của năng lượng kích hoạt Q và hệ số khuếch tán D cho Ge tự khuếch tán.