Luận văn Nghiên cứu sự tự khuếch tán trong Ge bằng phương pháp thống kê mô men

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu sự tự khuếch tán trong Ge bằng phương pháp thống kê mô men

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 ĐÀO THỊ QUỲNH NGHIÊN CỨU SỰ TỰ KHUẾCH TÁN TRONG Ge BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔ MEN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT HÀ NỘI, 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 ĐÀO THỊ QUỲNH NGHIÊN CỨU SỰ TỰ KHUẾCH TÁN TRONG Ge BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔ MEN Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và Vật lí toán Mã số: 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phan Thị Thanh Hồng HÀ NỘI, 2016
3. LỜI CẢM ƠN Trƣớc khi trình bày nội dung chính của luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Thị Thanh Hồng ngƣời đã định hƣớng chọn đề tài và tận tình hƣớng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới phòng Sau đại học, các thầy cô giáo giảng dạy chuyên ngành Vật lý lý thuyết và Vật lý Toán trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Tổ chức - Hành chính – Quản trị, Phòng Đào tạo và các đồng nghiệp trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Hóa chất đã quan tâm, động viên và tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ học tập của mình. Cuối cùng, tôi xin đƣợc 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 10 tháng 07 năm 2016 Tác giả Đào Thị Quỳnh
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Phan Thị Thanh Hồng. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2016 Học viên Đào Thị Quỳnh
5. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chƣơng 1. BÁN DẪN VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ KHUẾCH TÁN TRONG BÁN DẪN .......................................................................................... 4 1.1. Sơ lƣợc về bán dẫn ................................................................................. 4 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của bán dẫn .......................................................... 4 1.1.2. Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn ............................... 5 1.1.3. Các khuyết tật trong tinh thể bán dẫn .............................................. 7 1.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn ....................................... 9 1.2.1. Khái niệm về khuếch tán .................................................................. 9 1.2.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn .............................. 10 1.3. Các nghiên cứu về khuếch tán trong bán dẫn ....................................... 11 1.3.1. Các nghiên cứu lí thuyết ................................................................. 12 1.3.2. Các quan sát thực nghiệm .............................................................. 14 1.4. Phƣơng pháp thống kê mômen ............................................................. 14 1.4.1. Các công thức tổng quát về mômen ............................................... 15 1.4.2. Công thức tổng quát tính năng lượng tự do ................................... 18 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................ 20 Chƣơng 2. LÝ THUYẾT KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ BÁN DẪN 21 2.1. Phƣơng pháp thống kê mômen trong nghiên cứu tinh thể bán dẫn ...... 21 2.1.1. Độ dời của hạt khỏi nút mạng ........................................................ 21 2.1.2. Năng lượng tự do Helmholtz .......................................................... 26 2.2. Lí thuyết tự khuếch tán trong tinh thể bán dẫn ..................................... 28 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ................................................................................ 37 Chƣơng 3. TÍNH SỐ VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ ..................................... 38 3.1. Thế tƣơng tác giữa các hạt trong tinh thể ............................................. 38 3.2. Các đại lƣợng khuếch tán của Ge ở áp suất p = 0. ............................... 39
6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ................................................................................ 43 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 45
7. DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Giá trị các thông số thế Stilinger – Weber của Ge ........................... 39 Bảng 3.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên hằng số mạng a, năng lƣợng kích hoạt Q, hệ số trƣớc hàm mũ D0 và hệ số khuếch tán D của Ge ............... 40 Bảng 3.3. So sánh các đại lƣợng tự khuếch tán của Ge với thực nghiệm và tính toán khác .................................................................................. 41
8. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Mạng tinh thể Ge ................................................................................ 4 Hình 1.2. Khuyết tật nút khuyết trong tinh thể Ge ............................................. 8 Hình 1.3. Khuyết tật tự xen kẽ (self-interstitial) trong tinh thể Ge .................... 9 Hình 1.4. Khuyết tật tạp xen kẽ (dopant-interstitial) trong tinh thể Ge ............. 9 Hình 1.5. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể rắn ........................... 10 Hình 3.1. Quy luật Arrhenius của Ge tự khuếch tán ........................................ 42
9. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khuếch tán là hiện tƣợng cơ bản trong tự nhiên và nó xảy ra trong tất cả các môi trƣờng 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 ngƣời 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 tƣợng khuếch tán luôn là đề tài hấp dẫn và có nhiều hƣớng mới trong nghiên cứu. Đầu thế kỷ XX, khi ngành công nghiệp điện tử phát triển mạnh mẽ kéo theo kỹ thuật khuếch tán các nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn phát triển nhanh chóng nhằm tìm kiếm, chế tạo các linh kiện bán dẫn, mạch tổ hợp, các linh kiện cảm biến thông minh, linh kiện quang điện tử bán dẫn,... Các linh kiện bán dẫn vi điện tử là nền tảng chế tạo các thiết bị điện tử tiên tiến, các hệ thống thiết bị truyền thông, công nghệ thông tin, máy tính quang lƣợng tử, ngƣời máy, đo lƣờng điều khiển,... đang chiếm ƣu thế trong thế kỷ XXI. Các công trình nghiên cứu về sự khuếch tán trong bán dẫn thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học cả lý thuyết và thực nghiệm. Tuy nhiên, việc đo đạc chính xác các đại lƣợng khuếch tán gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải có các trang thiết bị hiện đại và có đội ngũ chuyên gia giàu kinh nghiệm. Về mặt lý thuyết có nhiều phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu về khuếch tán nhƣ phƣơng pháo mô phỏng, phƣơng pháp liên kết chặt, phƣơng pháp thế kinh nghiệm, phƣơng pháp ab-initio,... Các phƣơng pháp này thu đƣợc những thành công nhất định nhƣng các kết quả thu đƣợc có độ chính xác chƣa cao so với thực nghiệm. Vì vậy, nghiên cứu về sự khuếch tán vẫn là đề tài mang tính thời sự.
10. 2 Trong khoảng hơn 30 năm trở lại đây, phƣơng pháp thống kê mômen đƣợc 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 phƣơng tâm diện, lập phƣơng tâm khối, cấu trúc kim cƣơng và cấu trúc zinc blen. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng có hiệu quả để nghiên cứu về hiện tƣợng tự khuếch tán trong các kim loại, hợp kim có cấu trúc lập phƣơng tâm diện và lập phƣơng tâm khối. Trong các công trình nghiên cứu mới đây các tác giả đã xây dựng các biểu thức áp dụng cho các đại lƣợng vật lí gắn liền với hiện tƣợng khuếch tán nhƣ năng lƣợng kích hoạt Q, hệ số trƣớc hàm mũ D0, hệ số khuếch tán D,... của tinh thể và hợp chất bán dẫn. Các biểu thức đã đƣợc áp dụng có độ tin cậy cao cho Si tự khuếch tán và khuếch tán của các tạp chất B, P, Ga, As và Al trong tinh thể Si. Tuy nhiên, việc áp dụng phƣơng pháp này để tính toán cho Ge - một trong hai bán dẫn đơn chất điển hình (là Si và Ge) chƣa đƣợc thực hiện.Vì vậy việc áp dụng phƣơng pháp thống kê mômen để tiếp tục nghiên cứu sự tự khuếch tán trong Ge góp phần hoàn thiện, khẳng định lý thuyết này. Với tất cả những lí do nhƣ đã trình bày ở trên, chúng tôi lựa chọn đề tài của luận văn là “Nghiên cứu sự tự khuếch tán trong Ge bằng phương pháp thống kê mômen”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận văn là sử dụng phƣơng pháp thống kê mômen nghiên cứu sự tự khuếch tán trong Ge. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Áp dụng phƣơng pháp thống kê mômen tính số cho các đại lƣợng khuếch tán nhƣ năng lƣợng kích hoạt Q, hệ số trƣớc hàm mũ D0, hệ số khuếch tán D, của Ge tự khuếch tán. Các kết quả tính số sẽ đƣợc so sánh với thực nghiệm và các tính toán bằng lí thuyết khác để khẳng định mức độ tin cậy của phƣơng pháp đã chọn.