Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật lên tính chất đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc ZnS bằng phương pháp thống kê Mômen

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật lên tính chất đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc ZnS bằng phương pháp thống kê Mômen

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 TRẦN THỊ THÙY LINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA KHUYẾT TẬT LÊN TÍNH CHẤT ĐÀN HỒI CỦA BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC ZnS BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý Toán Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phạm Thị Minh Hạnh HÀ NỘI, 2016
2. LỜI CẢM ƠN Tôi xin cảm ơn phòng Sau Đại học, ban chủ nhiệm khoa Vật Lý - Trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện và giúp tôi hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới TS. Phạm Thị Minh Hạnh - ngƣời đã quan tâm, động viên và trực tiếp hƣớng dẫn, theo sát tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn, cô đã cung cấp tài liệu, đã kiên trì chỉ dạy cho tôi những phƣơng pháp nghiên cứu mà lần đầu tiên tôi đƣợc tiếp xúc. Tôi cũng xin cảm ơn gia đình và bè bạn đã bên tôi và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt khoá luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên Trần Thị Thùy Linh
3. LỜI CAM ĐOAN Khoá luận tốt nghiệp: “Nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật lên tính chất đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc ZnS bằng phương pháp thống kê mômen” là kết quả do tôi trực tiếp tìm tòi và nghiên cứu dƣới sự hƣớng dẫn tận tình, hiệu quả của cô giáo – TS. Phạm Thị Minh Hạnh. Khoá luận này không trùng với kết quả của tác giả khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khoá luận này đã đƣợc tôi cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin cam đoan những điều trên đây là đúng sự thật. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên Trần Thị Thùy Linh
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................. 2 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................... 2 6. Những đóng góp mới về khoa học, thực tiễn của đề tài ............................ 2 Chƣơng 1. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHỦ YẾU NGHIÊN CỨU VỀ BÁN DẪN ......................................................................................................... 3 1.1. Sơ lƣợc về bán dẫn ................................................................................. 3 1.1.1. Cấu trúc tinh thể ............................................................................... 3 1.1.2. Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn ............................... 4 1.2. Các khuyết tật trong bán dẫn .................................................................. 4 1.2.1. Khuyết tật điểm ................................................................................. 4 1.2.2. Khuyết tật đường .............................................................................. 6 1.2.3. Khuyết tật mặt .................................................................................. 6 1.2.4. Khuyết tật khối ................................................................................. 6 1.3. Một số phƣơng pháp chủ yếu nghiên cứu về bán dẫn ............................ 7 1.3.1. Các phương pháp ab-initio .............................................................. 7 1.3.2. Phương pháp liên kết chặt.............................................................. 12 1.3.3. Các thế kinh nghiệm ....................................................................... 15 1.3.4. Các phương pháp mô hình hóa trên máy tính................................ 17 1.3.5. Phương pháp thống kê mômen ....................................................... 20 Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................ 26
5. Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐÀN HỒI CỦA BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC ZnS. ................ 27 2.1. Độ dịch chuyển của nguyên tử khỏi nút mạng. .................................... 27 2.2. Tính chất đàn hồi của vật rắn ................................................................ 33 2.2.1. Các yếu tố cơ bản của lý thuyết đàn hồi ........................................ 33 2.2.2. Các đặc tính đàn hồi của vật liệu đơn tinh thể và đa tinh thể ....... 36 2.3. Nghiên cứu tính chất đàn hồi của bán dẫn bằng phƣơng pháp thống kê mômen ......................................................................................................... 36 2.3.1. Biểu thức mô đun đàn hồi .............................................................. 38 2.3.2. Hằng số đàn hồi ............................................................................. 44 Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................ 46 Chƣơng 3. ẢNH HƢỞNG CỦA KHUYẾT TẬT LÊN TÍNH CHẤT ĐÀN HỒI CỦA BÁN DẪN GaAs .......................................................................... 47 3.1. Thế năng tƣơng tác giữa các hạt trong bán dẫn .................................... 47 3.2. Các tính chất đàn hồi của bán dẫn GaAs trong trƣờng hợp lí tƣởng ở áp suất P=0 ........................................................................................................ 51 3.2.1. Cách xác định thông số .................................................................. 51 3.2.2. Các tính chất đàn hồi của bán dẫn GaAs trong trường hợp lý tưởng ở P=0 ........................................................................................................ 51 3.3. Các tính chất đàn hồi của bán dẫn GaAs trong trƣờng hợp có khuyết tật P=0 ............................................................................................................... 52 Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................ 60 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 62
6. 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Trong thời điểm hiện tại thì nền Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa của nƣớc ta đang ngày thêm phát triển một cách rõ rệt và mạnh mẽ. Và sự phát triển không ngừng của vật liệu đã đóng góp một phần không nhỏ cho sự phát triển của đất nƣớc. Nhờ sự phát triển của vật liệu mà ngành khoa học - kĩ thuật nƣớc nhà đang từng bƣớc trở nên tiên tiến và hiện đại hơn rất nhiều làm cho cuộc sống con ngƣời cũng đƣợc nâng cao với những tiện ích mà con ngƣời không thể ngờ tới. Bán dẫn là một loại vật liệu quan trọng góp phần lớn trong chiến lƣợc phát triển vật liệu. Bán dẫn đã và đang có nhiều ứng dụng hữu ích. Vì vậy mà việc nghiên cứu tính chất nhiệt động, tính chất đàn hồi của tinh thể và hợp chất bán dẫn đã thu hút sự chú ý quan tâm của nhiều nhà khoa học. Có nhiều phƣơng pháp nghiên cứu về bán dẫn nhƣ: Các phƣơng pháp ab-initio, phƣơng pháp liên kết chặt, phƣơng pháp thế kinh nghiệm, phƣơng pháp mô hình hóa trên máy tính, mỗi phƣơng pháp này có những thành công và hạn chế khác nhau và cũng đã thu đƣợc những kết quả đáng kể, tuy nhiên chƣa có phƣơng pháp nào thực sự hoàn hảo. Các tính toán còn hạn chế, các kết quả thu đƣợc đạt độ chính xác chƣa cao, có phƣơng pháp đòi hỏi giới hạn khả năng ứng dụng của phƣơng pháp cho hệ tƣơng đối nhỏ .Nhƣ vậy, việc nghiên cứu tính chất đàn hồi của bán dẫn nói chung và ảnh hƣởng của khuyết tật lên các tính chất đàn hồi của bán dẫn nói riêng vẫn là vấn đề hấp dẫn nhiều nhà khoa học. Trong khoảng 30 mƣơi năm trở lại đây, một phƣơng pháp thống kê mới gọi là phƣơng pháp thống kê mômen đã đƣợc áp dụng nghiên cứu một cách có hiệu quả đối với tính chất nhiệt động và đàn hồi của các tinh thể phi điều hòa.
7. 2 Phƣơng pháp mômen đã áp dụng để nghiên cứu tinh thể kim loại, hợp kim, bán dẫn và tinh thể kim loại, khí trơ có khuyết tật. Việc hoàn thiện nghiên cứu tính chất đàn hồi và ảnh hƣởng của khuyết tật lên tính chất đàn hồi của bán dẫn nói chung và GaAs nói riêng trở nên cần thiết. Với lí do đó, em chọn đề tài nghiên cứu: “ Nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật lên tính chất đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc ZnS bằng phương pháp thống kê mômen”. 2. Mục đích nghiên cứu - Xây dựng các biểu thức giải tích xác định các mô đun đàn hồi, hằng số đàn hồi của bán dẫn có cấu trúc ZnS. - Áp dụng tính số cho GaAs trong trƣờng hợp lý tƣởng và khuyết tật. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu một số lý thuyết chủ yếu nghiên cứu về bán dẫn. - Tìm hiểu phƣơng pháp thống kê mômen và áp dụng phƣơng pháp mômen để nghiên cứu ảnh hƣởng của khuyết tật lên tính chất đàn hồi của GaAs. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu các tính chất đàn hồi của bán dẫn GaAs trong trƣờng hợp lý tƣởng và khuyết tật. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp thống kê mômen. 6. Những đóng góp mới về khoa học, thực tiễn của đề tài - Xác định mô đun đàn hồi và các hằng số đàn hồi của bán dẫn GaAs khi có khuyết tật.
8. 3 Chƣơng 1 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHỦ YẾU NGHIÊN CỨU VỀ BÁN DẪN 1.1. Sơ lƣợc về bán dẫn 1.1.1. Cấu trúc tinh thể Các chất rắn thông dụng thƣờng kết tinh theo mạng tinh thể lập phƣơng tâm diện. Trong đó, mỗi nút mạng đƣợc gắn với một gốc (basis) gồm hai nguyên tử. Hai nguyên tử đó cùng loại nếu là bán dẫn đơn chất nhƣ Si, Ge; hai nguyên tử đó khác loại nếu là bán dẫn hợp chất nhƣ GaAs, InSb, ZnS, CdS, Đối với các bán dẫn hợp chất ABIII V hoặc ABII VI , nhƣ GaAs hay ZnS, thƣờng kết tinh dƣới dạng lập phƣơng kiểu giả kẽm (Zinc Blend - ZnS), gồm hai phân mạng lập phƣơng tâm diện lồng vào nhau, phân mạng này nằm ở ¼ đƣờng chéo chính của phân mạng kia, mạng thứ nhất cấu tạo từ một loại nguyên tử, Ga chẳng hạn, thì mạng thứ hai cấu tạo từ loại nguyên tử khác, As chẳng hạn [3]. Hình 1.1: Tinh thể GaAs [9]. Trong tinh thể GaAs, mỗi nguyên tử Ga là tâm của một hình tứ diện đều, cấu tạo từ bốn nguyên tử As xung quanh. Ngƣợc lại, mỗi nguyên tử As lại là tâm của một hình tứ diện đều, cấu tạo từ bốn nguyên tử Ga xung quanh.
9. 4 1.1.2. Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học, kĩ thuật và công nghiệp [3]. Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng nhất và phổ biến nhất của chúng là dùng để chế tạo các linh kiện điện tử. Chúng ta đang sống trong thời kì công nghệ thông tin. Một lƣợng lớn thông tin có thể thu đƣợc qua internet và cũng có thể thu đƣợc một cách nhanh chóng qua những khoảng cách xa bằng những hệ thống truyền thông vệ tinh. Sự phát triển của các bán dẫn nhƣ điốt, transistor và mạch tích hợp đã dẫn đến những khả năng đáng kinh ngạc này. IC thâm nhập vào hầu hết mọi mặt của đời sống hàng ngày chẳng hạn nhƣ đầu đọc đĩa CD, máy Fax, máy Scan laser tại các siêu thị và điện thoại di động. Photodiot là một loại công cụ không thể thiếu trong thông tin quang học và trong các ngành kỹ thuật tự động hóa. Điốt phát quang đƣợc dùng trong các bộ hiển thị, đèn báo, làm các màn hình quảng cáo và làm các nguồn sáng. Pin nhiệt điện bán dẫn đƣợc ứng dụng để chế tạo các thiết bị làm lạnh gọn nhẹ, hiệu quả cao dùng trong khoa học, y học . 1.2. Các khuyết tật trong bán dẫn Cấu trúc tinh thể đƣợc trình bày ở trên là cấu trúc tinh thể lý tƣởng vì khi xét đã bỏ qua dao động nhiệt và các khuyết tật trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử, những khuyết tật đó đƣợc gọi là khuyết tật mạng tinh thể [4]. Phụ thuộc vào kích thƣớc theo ba chiều trong không gian, khuyết tật mạng chia thành: Khuyết tật điểm, khuyết tật đƣờng, khuyết tật mặt và khuyết tật khối. 1.2.1. Khuyết tật điểm Đó là khuyết tật có kích thƣớc rất nhỏ theo ba chiều không gian. Một khuyết tật điển hình là nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất.
10. 5 1.2.1.1. Nút trống và nguyên tử xen kẽ Trong tinh thể, nguyên tử luôn dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng của nút mạng. Khi một số nguyên tử nào đó có năng lƣợng cao, với biên độ dao động lớn chúng có khả năng bứt khỏi nút mạng, để lại nút không có nguyên tử gọi là nút trống. Sau khi rời khỏi nút mạng, nguyên tử có thể sang vị trí giữa các nút (cơ chế tạo nút trống Frenkel) tạo ra khuyết tật điểm dạng nguyên tử xen kẽ. Cơ chế thứ hai gọi là cơ chế tạo nút trống của Schottky, khi nguyên tử rời vị trí cân bằng ra bề mặt tinh thể. 1.2.1.2. Nguyên tử tạp chất. Trong thực tế hầu nhƣ không có vật liệu hoặc kim loại sạch tuyệt đối, các công nghệ nấu, luyện hiện đại nhất trong phòng thí nghiệm cũng chỉ cho phép đạt độ sạch nhất là 99,999% hoặc cao hơn một chút phụ thuộc vào kích thƣớc các nguyên tử tạp chất thay thế ở nút mạng hoặc xen kẽ giữa các nút. Hình 1.2: Các dạng khuyết tật điểm: Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b). Mật độ nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm số mũ, nên tăng rất nhanh theo nhiệt độ và có giá trị lớn nhất khi sắp chảy lỏng. Nút trống có ảnh hƣởng lớn đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của bán dẫn ở chế độ trạng thái rắn.