Luận văn Nghiên cứu tính chất nhiệt động của Ge bằng phương pháp thống kê mômen

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tính chất nhiệt động của Ge bằng phương pháp thống kê mômen

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 VŨ LỮ HOÀNG ANH NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA Ge BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT HÀ NỘI, 2017
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 VŨ LỮ HOÀNG ANH NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA Ge BẰNG PHƯƠNG 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 Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Thị Minh Hạnh HÀ NỘI, 2017
3. i LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Phạm Thị Minh Hạnh- người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin được cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong khoa Vật lý và các Thầy, Cô giáo phòng Sau Đại học Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, đóng góp ý kiến quý báu, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả: Vũ Lữ Hoàng Anh
4. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Thị Minh Hạnh. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả: Vũ Lữ Hoàng Anh
5. iii MỤC LỤC Trang MỞ 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 CHƢƠNG 1: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHỦ YẾU NGHIÊN CỨU VỀ BÁN DẪN 1.1. Sơ lược về bán dẫn Ge . 4 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của bán dẫn Ge ... 4 1.1.2. Một số ứng dụng quan trọng của Ge . 5 1.2. Một số phương pháp chủ yếu nghiên cứu về bán dẫn 7 1.2.1. Các phương pháp ab-initio 7 1.2.2. Phương pháp liên kết chặt . 12 1.2.3. Các thế kinh nghiệm 16 1.2.4. Phương pháp thống kê mômen .. 19 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔMEN TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA TINH THỂ BÁN DẪN CÓ CẤU TRÚC KIM CƢƠNG 2.1. Độ dịch chuyển của nguyên tử khỏi nút mạng 26 2.2. Năng lượng tự do của tinh thể bán dẫn có cấu trúc kim cương 32 2.3. Các đại lượng nhiệt động .. 35 2.3.1. Năng lượng và nhiệt dung của tinh thể . 35 2.3.2. Hệ số dãn nở nhiệt và hệ số nén đẳng nhiệt . . 37 2.3.3. Các đại lượng nhiệt động khác . 39 CHƢƠNG 3: CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA Ge Ở ÁP SUẤT P = 0 3.1. Thế năng tương tác giữa các hạt trong tinh thể ... 40
6. iv 3.2. Các tính chất nhiệt động của Ge ở áp suất P = 0 44 3.2.1. Cách xác định thông số . 44 3.2.2. Các tính chất nhiệt động của Ge ở áp suất P = 0 . 45 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
7. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, do nhu cầu phát triển ngày càng cao của khoa học kĩ thuật và đặc biệt là công nghệ chế tạo vật liệu mới đã thu hút được rất nhiều nhà khoa học nói chung cũng như của các nhà vật lý nói riêng. 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 vô vàn ứng dụng của điện tử học trạng thái rắn. Từ năm 1950 cho tới đầu thập niên 1970, lĩnh vực này đã tạo ra một thị trường ngày càng tăng cho Ge. Bên cạnh đó, nhu cầu về Ge 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 mạnh mẽ. Các ứng dụng này chiếm tới 85% nhu cầu tiêu thụ Ge toàn thế giới vào năm 2000 Như vậy việc nghiên cứu các tính chất của Ge , trong đó có tính chất nhiệt động là cơ sở quan trọng để các nhà khoa học chế tạo ra các vật liệu bán dẫn thoả mãn yêu cầu thực tế. Có nhiều phương pháp nghiên cứu về bán dẫn như: các phương pháp ab intio, phương pháp liên kết chặt, phương pháp thế kinh nghiệm, Mặc dù có những thành công nhất định nhưng chưa có phương pháp nào thực sự hoàn hảo, còn có những hạn chế, ví dụ như kết quả thu được đạt độ chính xác chưa cao, khả năng ứng dụng cho hệ tương đối nhỏ, Như vậy, việc nghiên cứu về bán dẫn nói chung và tính chất nhiệt động của Ge là vấn đề có tính thời sự và có ý nghĩa khoa học. Phương pháp thống kê mômen ( PPTKMM ) do Giáo sư Nguyễn Tăng đề xuất và đã được nhóm nghiên cứu của Giáo sư Vũ Văn Hùng phát triển mạnh trong 30 năm trở lại đây. PPTKMM có thể 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, với các cấu trúc lập phương tâm diện, lập phương tâm khối, kim cương, sunfua kẽm, trong khoảng rộng của nhiệt độ từ 0(K) đến nhiệt độ nóng chảy và dưới tác dụng của áp suất. Gần đây một số kết quả
8. 2 nghiên cứu về bán dẫn có cấu trúc kim cương và cấu trúc sunfua kẽm đã được công bố trong một số công trình như nghiên cứu tính chất nhiệt động và mô đun đàn hồi của tinh thể và hợp chất bán dẫn bằng PPTKMM trong luận án tiến sĩ của Phạm Thị Minh Hạnh[1]; nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật lên tính đàn hồi của Si bằng PPTKMM trong luận văn thạc sĩ của Hoàng Thị Hương Trà[5]; nghiên cứu tính chất nhiệt động của tinh thể bán dẫn có cấu trúc kim cương khi có khuyết tật bằng PPTKMM trong luận văn thạc sĩ của Nguyễn Thị Thuỳ[4]; nghiên cứu sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn bằng PPTKMM trong luận án tiến sĩ của Phan Thị Thanh Hồng[2]; Có nhiều kết quả thu được phù hợp tốt với số liệu thực nghiệm đã công bố. Tuy nhiên chưa có công trình nào nghiên cứu về tính chất nhiệt động của Ge bằng PPTKMM. Vì vậy việc nghiên cứu về Ge cũng như tính chất nhiệt động của nó bằng PPTKMM trở nên cần thiết. Đó là lí do chọn đề tài: “ Nghiên cứu tính chất nhiệt động của Ge bằng phương pháp thống kê mômen‖ 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu tính chất nhiệt động của Ge bằng phương pháp thống kê mômen. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu một số lý thuyết chủ yếu nghiên cứu về bán dẫn. - Tìm hiểu phương pháp thống kê mômen và áp dụng phương pháp thống kê mômen để nghiên cứu tính chất nhiệt động của Ge. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Các tính chất nhiệt động của Ge ở áp suất không trong khoảng rộng nhiệt độ từ 300K đến 1200K . 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp thống kê mômen.
9. 3 6. Những đóng góp mới về khoa học, thực tiễn của đề tài - Xây dựng được các hệ số nén đẳng nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng đẳng tích, nhiệt dung riêng đẳng áp. - Áp dụng tính cho Ge. Các kết quả sẽ được so sánh với thực nghiệm. 7. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương: - Chương 1: Một số phương pháp chủ yếu nghiên cứu về bán dẫn. - Chương 2: Phương pháp thống kê mômen trong nghiên cứu tính chất nhiệt động của tinh thể bán dẫn có cấu trúc kim cương. - Chương 3: Các tính chất nhiệt động của Ge ở áp suất P = 0.
10. 4 CHƢƠNG 1 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHỦ YẾU NGHIÊN CỨU VỀ BÁN DẪN 1.1. Sơ lƣợc về bán dẫn Ge 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của bán dẫn Ge Germanium (Ge) là nguyên tố thuộc nhóm 4 của bảng tuần hoàn. Những tính chất hóa học của Ge đã được Mendeleev tiên đoán từ năm 1771. Ge là một nguyên tố màu trắng ánh xám, cứng có nước bóng kim loại và cấu trúc tinh thể tương tự như kim cương. Ge có tính chất chung trong cấu tạo nguyên tử của chúng là có 4 electron hóa trị ở trên phân lớp ngoài. Giữa các nguyên tử Ge có sự liên kết đồng hóa trị, mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử xung quanh bằng cách trao đổi electron của chúng với nhau ( Hình 1.1) Hình 1.1: Tinh thể Ge