Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc kim cương bằng phương pháp thống kê mômen

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc kim cương bằng phương pháp thống kê mômen

1. PHAN THANH NAM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 PHAN THANH NAM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI V ẬT LÝ THUYẾTLÝ V CỦA BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC KIM CƯƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN À V ẬT LÝ TOÁN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT K20 HÀ NỘI, 2018
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 PHAN THANH NAM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CỦA BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC KIM CƯƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý Toán Mã số: 8 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Thị Minh Hạnh HÀ NỘI, 2018
3. LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Phạm Thị Minh Hạnh-người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin được chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong khoa Vật lý và các Thầy, Cô giáo của phòng sau đại học thuộc Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, đóng góp ý kiến quý báu, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã bên tôi và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả: Phan Thanh Nam
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Phạm Thị Minh Hạnh. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và không trùng lập với bất kỳ đề tài khoa học nào khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn của tôi đã được cảm ơn và các thông tin được trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin cam đoan những điều trên đây là đúng sự thật. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả: Phan Thanh Nam
5. MỤC LỤC Trang MỚ ĐẦU 1. Lí 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 . ... 2 6. Những đóng góp mới về khoa học, thực tiễn của đề tài . 3 7. Cấu trúc luận văn ... . 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC KIM CƯƠNG 1.1. Cấu trúc tinh thể. .. .. 4 1.2. Một số ứng dụng. ... . 4 1.3. Một số kết quả nghiên cứu. . 5 1.4. Một số phương pháp nghiên cứu tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc kim cương. 6 . CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔ MEN TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CỦA CỦA TINH THỂ BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC KIM CƯƠNG 2.1. Phương pháp thống kê mô men. 11 2.2. Độ dịch chuyển của nguyên tử khỏi nút mạng. .. .. 14 2.3. Năng lượng tự do của tinh thể bán dẫn có cấu trúc kim cương . 18 2.4. Các đại lượng nhiệt động. .. 20 2.5. Các đại lượng đàn hồi. . .. 24 CHƯƠNG 3: CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐÀN HỒI CỦA BÁN DẪN Ge Ở ÁP SUẤT KHÁC NHAU 3.1. Thế năng tương tác giữa các hạt trong tinh thể. . .. 32 3.2. Các tính chất nhiệt động của Ge ở áp suất khác nhau. 33 3.3. Các tính chất đàn hồi của Ge ở áp suất khác nhau. . 37
6. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, khoa học kĩ thuật phát triển rất mạnh mẽ và nhanh chóng, đặc biệt là lĩnh vực công nghệ chế tạo vật liệu mới đã thu hút được rất nhiều nhà khoa học và các nhà vật lý. Một trong những đối tượng thu hút sự nghiên cứu của nhiều ngành khoa học đó chính là vật liệu bán dẫn. Sự phát triển của các transistor bằng Ge đã mở ra rất nhiều ứng dụng của điện tử học trạng thái rắn. Do đó nhu cầu về sử dụng vật liệu Ge chế tạo các linh kiện bán dẫn dùng trong các mạng liên lạc viễn thông bằng cáp quang, các hệ thống quan sát ban đêm bằng hồng ngoại và các xúc tác polyme hóa đã gia tăng một cách nhanh chóng. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học, thực nghiệm con người đã đo được các đại lượng nhiệt động của vật liệu lên đến hàng trăm gigapascal. Ngày nay, có nhiều phương pháp khác nhau nghiên cứu các tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn. Mặc dù có những thành công nhất định nhưng chưa có phương pháp nào thực sự tối ưu và hoàn hảo mà còn có những hạn chế nhất định. Trong hơn 30 năm trở lại đây, có một phương pháp thống kê đã ra đời và được áp dụng nghiên cứu một cách có hiệu quả đối với các tính chất nhiệt động và đàn hồi của các kim loại, hợp kim và bán dẫn. Phương pháp đó gọi là phương pháp thống kê mô men. Phương pháp thống kê mô men (PPTKMM) do Giáo sư Nguyễn Tăng đề xuất và đã được Giáo sư Vũ Văn Hùng cùng các cộng sự phát triển mạnh trong hơn 30 năm trở lại đây. PPTKMM được áp dụng để nghiên cứu các tính chất nhiệt động, đàn hồi chuyển pha của các loại tinh thể khác nhau như: kim loại, hợp kim tinh thể và hợp chất bán dẫn. Các loại tinh thể đó có cấu
7. 2 trúc lập phương tâm diện, lập phương tâm khối, kim cương trong khoảng rộng của nhiệt độ từ 0 (K) đến nhiệt độ nóng chảy và dưới tác dụng của áp suất. Gần đây, đã có một số công trình nghiên cứu về bán dẫn có cấu trúc kim cương và cấu trúc sunfua kẽm đã được công bố nhưng chưa có nghiên cứu nào về ảnh hưởng của áp suất lên tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc kim cương. Do vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn bằng phương pháp thống kê mômen trở nên cần thiết. Đó là lí do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc kim cương bằng phương pháp thống kê mô men ” 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc kim cương bằng phương pháp thống kê mô men. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu một số lý thuyết quan trọng nghiên cứu về bán dẫn. - Tìm hiểu phương pháp thống kê mômen và việc áp dụng phương pháp thống kê mômen để nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc kim cương. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên tính chất nhiệt động và đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc kim cương Ge. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thống kê mômen.
8. 3 6. Những đóng góp mới về khoa học, thực tiễn của đề tài - Các kết quả được áp dụng tính cho Ge. - Một số kết quả được so sánh với thực nghiệm. 7. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 3 chương: - Chương 1: Tổng quan về bán dẫn có cấu trúc kim cương. - Chương 2: Phương pháp thống kê mômen trong nghiên cứu tính chất nhiệt động và đàn hồi của tinh thể bán dẫn có cấu trúc kim cương. - Chương 3: Các tính chất nhiệt động và đàn hồi của Ge ở áp suất khác nhau.
9. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC KIM CƯƠNG 1.1. Cấu trúc tinh thể Vật liệu bán dẫn điển hình có cấu trúc kim cương là Ge, Si. Đơn tinh thể Ge gồm hai phân mạng lập phương tâm diện lồng vào nhau, phân mạng này nằm ở 1/4 đường chéo chính của phân mạng kia. Trong một ô cơ sở có 8 nguyên tử Ge, mỗi nguyên tử Ge là tâm của một hình tứ diện đều có cấu tạo từ 4 nguyên tử lân cận gần nhất xung quanh (Hình 1.1) Hình 1.1.Tinh thể Ge 1.2. Một số ứng dụng Vật liệu bán dẫn hiện nay có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và công nghiệp. Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng nhất và phổ biến nhất của bán dẫn chính là dùng để chế tạo các linh kiện điện tử bán dẫn. Photôđiốt là một loại dụng cụ không thể thiếu trong thông tin quang học và trong các ngành kỹ thuật tự động hoá. Điốt phát quang đã được dùng phổ biến trong các bộ hiển thị, đèn báo, màn hình quảng cáo và các nguồn sáng.
10. 5 Pin nhiệt điện bán dẫn đã được ứng dụng để chế tạo các thiết bị làm lạnh gọn nhẹ, hiệu quả rất cao dùng trong khoa học, y học,... Đối với bán dẫn Ge nó còn có nhiều ứng dụng đặc trưng khác: - Sử dụng chế tạo kính quang phổ hồng ngoại. - Sử dụng chế tạo các thấu kính camera góc rộng và vật kính của các kính hiển vi. - Tác nhân trong sản xuất hợp kim. - Chế tạo Phosphor trong các đèn huỳnh quang. - Các đĩa bán dẫn với nền là Ge cho các tế bào quang điện hiệu suất cao đã kết nối trong các ứng dụng tàu vũ trụ. - Các thiết bị phát hiện dùng một tinh thể Ge có độ tinh khiết cao có thể nhận dạng một cách chính xác nguồn bức xạ. 1.3. Một số kết quả nghiên cứu Các tính toán đầu tiên về tính chất nhiệt (hệ số dãn nở nhiệt của Si) đã được tính toán bởi Fleszar và Gonze [9]. Phổ phonon và các điện tích hiệu dụng của các chất bán dẫn có cấu trúc kim cương đã được tính toán bởi Giannozzi và cộng sự [11] khi sử dụng lý thuyết hàm mật độ. Sự tán sắc phonon của Sido Savrasov [27] tính toán như một thử nghiệm, việc sử dụng phương pháp các quỹ đạo hộp mu – phin tuyến tính hoá (LMTO) đối với lý thuyết hàm mật độ. Trong kim cương các tính chất nhiệt đã được xác định tại các áp suất cao đến 1000 GPa [31]. Phương trình trạng thái P - V – T đã được xác định từ năng lượng tự do Helmholtz, hệ số dãn nở nhiệt giảm theo sự tăng áp suất. Sự phụ thuộc nhiệt độ của sự chuyển pha cấu trúc giữa kim cương và cấu trúc β – Sn trong Si và Ge ở áp suất khoảng 10GPa đã được tính toán bởi Gaal – Nagy và cộng sự [12] khi sử dụng phép gần đúng chuẩn điều hoà. Gần đây hơn Debernardi [8] đã nghiên cứu sự thay đổi phi điều hoà của tần số Raman trong kim cương và Si khi có số hạng phi điều hoà bậc ba