Tính chất truyền dẫn quang từ và tính chất nhiệt của các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (tóm tắt)

32Hình 2.1 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của MOAC trongTMDC đơn lớp dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon âm và quang ứng với các giá trị từ trường khác nhau.. 65Hình 3.1 Sự

ĐẠI HỌC HUẾTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐẠI HỌC HUẾTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

TRẦN NGỌC BÍCH

TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN QUANG-TỪ

VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA CÁC BÁN DẪN

HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiêncứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn Các số liệu, kết quảtrình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong cáccông trình trước đây Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học,Ban lãnh đạo Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm, Đại học Huế đã tạo điềukiện học tập và nghiên cứu thuận lợi, giúp tôi hoàn thành chương trình học tậpnghiên cứu sinh và hoàn thành luận án này

Tôi xin gửi lời tri ân các Thầy, Cô bộ môn Vật lý lý thuyết, Khoa Vật lýTrường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã giảng dạy, truyền đạt những kiếnthức và kinh nghiệm quý báu trong học tập và nghiên cứu khoa học, giúp tôihoàn thiện bản thân hơn qua khóa học nghiên cứu sinh này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầygiáo hướng dẫn: PGS TS Lê Đình và PGS TS Huỳnh Vĩnh Phúc Hai Thầy

đã tận tình hướng dẫn, định hướng, dìu dắt tôi từng bước một, động viên, giúp

đỡ, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho tôi trong quá trình nghiêncứu để tôi có thể đạt được kết quả luận án này và lớn hơn là sự trưởng thànhhơn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong công việc và cuộc sống

Tôi xin trân trọng cảm ơn Tập đoàn Vingroup và Chương trình học bổng đàotạo thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup, Viện Nghiêncứu Dữ liệu lớn đã tài trợ học bổng cho tôi trong hai năm 2020 và 2021

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Ban lãnh đạo Khoa Khoa học

cơ bản, Trường Đại học Quảng Bình nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện thuậnlợi, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học nghiên cứu sinh này

Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, anh chị trong nhóm nghiên cứu của haiThầy giáo hướng dẫn, anh chị em đồng nghiệp ở Trường Đại học Quảng Bình,anh chị em nghiên cứu sinh các khóa đã đồng hành, giúp đỡ, động viên tôi trongquá trình học tập và nghiên cứu đề tài luận án

Demo Version - Select.Pdf SDK

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đại gia đình của tôi đã luôn bên cạnh,yêu thương, động viên, ủng hộ, đồng hành để tôi yên tâm học tập, hoàn thànhkhóa học nghiên cứu sinh và hoàn thành luận án này.

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn và trân trọng

Nghiên cứu sinh Trần Ngọc Bích được tài trợ bởi Tập đoàn Vingroup và hỗtrợ bởi chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ trong nước năm 2020 vànăm 2021 của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữliệu lớn (VinBigdata), mã số VINIF.2020.TS.72 và VINIF.2021.TS.063

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục vi

Danh mục các từ viết tắt vii

Danh mục các hình vẽ xii

Danh mục các bảng biểu xiii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 1.1 Tổng quan về các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp 10 1.1.1 Giới thiệu về các vật liệu bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp 10

1.1.2 Hàm sóng và phổ năng lượng của electron trong các bán dẫn TMDC đơn lớp 12

1.1.3 Biểu thức Hamiltonian tương tác electron-phonon trong các bán dẫn TMDC đơn lớp 21

1.1.4 Phonon trong các bán dẫn TMDC đơn lớp 23

1.2 Tổng quan về các tính chất truyền dẫn quang-từ 26

1.2.1 Hệ số hấp thụ quang-từ dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon 26

1.2.2 Độ rộng phổ hấp thụ Phương pháp profile 31

1.2.3 Hệ số hấp thụ quang-từ và độ thay đổi chiết suất tuyến tính và phi tuyến 33

1.3 Tổng quan về các tính chất nhiệt 44

Demo Version - Select.Pdf SDK

1.3.1 Tốc độ mất mát năng lượng của electron 44

1.3.2 Công suất nhiệt-từ gây bởi hiệu ứng phonon-kéo 48

1.4 Kết luận chương 1 52

Chương 2 TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐƠN LỚP DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ELECTRON-PHONON 53 2.1 Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang-từ dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon quang 53

2.2 Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang-từ dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon âm 56

2.3 Kết quả tính số và thảo luận 58

2.3.1 Phương pháp tính số 58

2.3.2 Khảo sát hệ số hấp thụ quang-từ 59

2.3.3 Khảo sát độ rộng phổ hấp thụ 63

2.4 Kết luận chương 2 66

Chương 3 TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ TUYẾN TÍNH VÀ PHI TUYẾN CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCO-GENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐƠN LỚP 67 3.1 Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang-từ tuyến tính và phi tuyến 67

3.2 Biểu thức giải tích của độ thay đổi chiết suất tuyến tính và phi tuyến 70

3.3 Kết quả tính số và thảo luận 70

3.3.1 Hấp thụ quang-từ nội vùng 71

3.3.2 Hấp thụ quang-từ liên vùng 79

3.4 Kết luận chương 3 83

v

Demo Version - Select.Pdf SDK

Chương 4 TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ

4.1 Tốc độ mất mát năng lượng của electron dưới ảnh hưởng của

tương tác electron-phonon 84

4.1.1 Biểu thức giải tích của tốc độ mất mát năng lượng của electron 84

4.1.2 Kết quả tính số và thảo luận 87

4.2 Công suất nhiệt-từ gây ra bởi hiệu ứng phonon-kéo 98

4.2.1 Biểu thức giải tích của công suất nhiệt-từ 98

4.2.2 Kết quả tính số và thảo luận 100

4.3 Kết luận chương 4 108

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

2DEG 2-Dimensional Electron Gas Khí điện tử hai chiều

ADP Acoustic Deformation Potential Thế biến dạng âm học

FWHM Full-Width at Half-Maximum Độ rộng phổ toàn phần

tại nửa cực đại

MOAC Magneto-Optical Absorption Coefficient Hệ số hấp thụ quang-từOAC Optical Absorption Coefficient Hệ số hấp thụ quang

ODP Optical Deformation Potential Thế biến dạng quang học

RIC Refractive Index Change Độ thay đổi chiết suất

TMDC Transition-Metal Dichalcogenides Kim loại chuyển tiếp nhóm

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình MX2 đơn lớp 11Hình 1.2 Sự phụ thuộc vào từ trường của các mức Landau trongTMDC đơn lớp, khi có điện trường e∆z = 37.75 meV/d đặt vào

và các trường Zeeman spin và vùng Các hình phía trên: (a), (c),(e), (g) và các hình phía dưới: (b), (d), (f), (h) tương ứng biểudiễn vùng dẫn và vùng hóa trị của từng vật liệu Kí hiệu K (K0) ↑

(↓) biểu thị các trạng thái điện tử ở vùng K (K0) với spin hướnglên (hướng xuống) 20Hình 1.3 Độ rộng vạch phổ được tính từ đồ thị của hệ số hấp thụ phụthuộc vào năng lượng photon 32Hình 2.1 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của MOAC trongTMDC đơn lớp dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon

âm và quang ứng với các giá trị từ trường khác nhau Kết quảđược tính tại T = 4 K, e∆z = 37.75 meV/d, spin hướng lên và

Zs, Zv 6= 0 Các kí hiệu "ac" và "op" tương ứng chỉ tán xạ phonon

âm và quang 60Hình 2.2 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của giá trị đỉnh MOAC trongTMDC đơn lớp gây bởi tán xạ phonon âm (kí hiệu "ac"), phononquang (kí hiệu "op") và tán xạ tạp chất (kí hiệu "im" với hệ số

104) Kết quả được tính tại B = 10 T, e∆z = 37.75 meV/d, spinhướng lên và Zs, Zv 6= 0 62Hình 2.3 Sự phụ thuộc vào từ trường của FWHM của các đỉnh cộnghưởng trên hình 2.1 63

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hình 2.4 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của FWHM gây bởi tán xạphonon trong các vật liệu TMDC Kết quả được tính trong trườnghợp e∆z = 37.75 meV/d, spin hướng lên,Zs, Zv6= 0 và B = 10 T 65Hình 3.1 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của MOAC trongTMDC đơn lớp gây ra bởi các dịch chuyển nội vùng dẫn trongđiều kiện d∆z = 0 và B = 10 T ứng với spin hướng lên và hướngxuống Các hình (a), (b), (c), (d) là MOAC tuyến tính trong haitrường hợp không hoặc có xét đến các trường Zeeman Các hình(e), (f), (g), (h) là MOAC tuyến tính, phi tuyến bậc ba và tổngkhi xét đến các trường Zeeman 72Hình 3.2 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của MOAC trongTMDC đơn lớp gây ra bởi các dịch chuyển nội vùng dẫn trongđiều kiệnd∆z = 0,Zs, Zv 6= 0và spin hướng lên ứng với các giá trị

từ trường khác nhau Các hình (a), (b), (c), (d) biểu diễn MOACtuyến tính Các hình (e), (f), (g), (h) là MOAC tuyến tính, phituyến bậc ba và tổng 74Hình 3.3 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của MOAC tuyến tínhtrong TMDC đơn lớp gây ra bởi các dịch chuyển nội vùng dẫntrong điều kiện B = 10 T, Zs, Zv 6= 0 và spin hướng lên ứng vớihai giá trị khác nhau của điện trường: d∆z = 0, d∆z = (λv− λc)/4 75Hình 3.4 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của RIC tuyến tính,phi tuyến và tổng trong TMDC đơn lớp gây ra bởi các dịch chuyểnnội vùng dẫn trong điều kiện B = 10 T, Zs, Zv 6= 0 và d∆z = 0ứng với hai trạng thái spin hướng lên và hướng xuống 77Hình 3.5 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của RIC tuyến tính, phituyến và tổng trong TMDC đơn lớp gây ra bởi các dịch chuyển nộivùng dẫn trong trạng thái spin hướng lên, Zs, Zv 6= 0 và d∆z = 0ứng với các giá trị khác nhau của từ trường 78

ix

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hình 3.6 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của MOAC tuyến tính,phi tuyến và tổng trong TMDC đơn lớp gây ra bởi các dịch chuyểnliên vùng trong điều kiện d∆z = 0, Zs, Zv 6= 0 và spin hướng lên:các hình (a), (b), (c), (d) tại B = 10 T, các hình (e), (f), (g), (h)biểu diễn ba dịch chuyển liên vùng đầu tiên tại ba giá trị khácnhau của từ trường 80Hình 3.7 Sự phụ thuộc vào năng lượng photon của RIC tuyến tính,phi tuyến và tổng trong TMDC đơn lớp gây ra bởi các dịch chuyểnliên vùng trong điều kiện d∆z = 0, Zs, Zv 6= 0 và spin hướng lên:các hình (a), (b), (c), (d) tại B = 10 T, các hình (e), (f), (g), (h)biểu diễn ba dịch chuyển liên vùng đầu tiên tại ba giá trị khácnhau của từ trường 82Hình 4.1 Sự phụ thuộc vào từ trường của ELR trong MoS2 đơn lớpđối với các cơ chế tương tác electron-phonon âm khác nhau (cáchình (a), (b) và (d)) và với các giá trị mật độ electron khác nhau(hình (c)) Hình (a) và (b) có tính đến hiệu ứng chắn, hình (c) và(d) không tính đến hiệu ứng chắn Kết quả thu được tạiTe = 2 K

và T = 0 K đối với các trạng thái điện tử khác nhau: hình (a) và(c): Zs, Zv, d∆z = 0; hình (b) và (d): Zs, Zv 6= 0, d∆z = (λv− λc)/4 89Hình 4.2 Sự phụ thuộc vào từ trường của ELR trong TMDC đơn lớpgây ra bởi tương tác giữa electron với phonon LA-DP khi khôngtính đến hiệu ứng chắn Kết quả thu được tại Te = 2 K,T = 0 K,

Zs, Zv 6= 0, d∆z = (λv− λc)/4 và ne = n0 91

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hình 4.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ electron T e của ELR gây ra bởitương tác giữa electron với phonon âm với các cơ chế tương táckhác nhau (hình (a) và (b)), với các giá trị mật độ electron khácnhau (hình (c)), với các giá trị nhiệt độ mạng tinh thể khác nhau(hình (b) và (c)) và trong các vật liệu TMDC khác nhau (hình(d)) Kết quả thu được tạiZ s , Z v 6= 0, d∆ z = (λ v −λ c )/4vàB = 5 T.Dấu (•) đánh dấu nhiệt độ BG tương ứng 92Hình 4.4 Sự phụ thuộc vào vectơ sóng phonon q của tốc độ tán xạelectron-phonon quang Γ(q) đối với: (a) các tương tác khác nhau,(b) nhiệt độ electron khác nhau, (c) mật độ electron khác nhau

và (d) các vật liệu khác nhau 94Hình 4.5 Sự phụ thuộc vào từ trường của ELR gây ra do tán xạelectron-phonon quang theo cơ chế ODP bậc không Kết quả thuđược trong trường hợp Zs, Zv 6= 0, d∆z = (λv − λc)/4, ne = n0,

Te = 300 K, T = 4.2 K và τp = 5 ps 96Hình 4.6 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ electron của ELR đối với: (a) các

cơ chế liên kết khác nhau, (b) các vật liệu khác nhau, (c) và (d):các giá trị mật độ electron khác nhau Kết quả thu được trongtrường hợp Zs, Zv 6= 0, B = 5 T, d∆z = (λv− λc)/4, và T = 4.2 K 97Hình 4.7 Sự phụ thuộc của mật độ trạng thái tại mức Fermi, DF, vào

từ trường đối với: (a) các trạng thái với cách định hướng spin vàvùng khác nhau, khi ne = n0 và (b) các giá trị mật độ electronkhác nhau, khi γ = 0.2 meV T−1/2 100

xi

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hình 4.8 Sự phụ thuộc của công suất nhiệt-từ gây ra bởi hiệu ứngphonon-kéo trong MoS2 đơn lớp,Sxxg , vào từ trường: (a) đóng góp

từ các trạng thái với cách định hướng spin và vùng khác nhau,khi γ = 0.2 meV T−1/2, (b) các cơ chế tương tác electron-phononkhác nhau Hình con trong hình (a) là Sxxg gây ra bởi tương tácTA-DP ứng với các giá trị khác nhau của γ Kết quả được tínhkhi ne = n0 và T = 2 K 102Hình 4.9 Sự phụ thuộc của công suất nhiệt-từ gây bởi tương tácphonon TA-DP, Sxxg , vào từ trường: (a) với các giá trị nhiệt độkhác nhau khi ne = 1012 cm−2, (b) với các giá trị mật độ electronkhác nhau khi T = 2 K 104Hình 4.10 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của công suất nhiệt-từ, Sxxg , đónggóp từ các cơ chế tương tác electron-phonon khác nhau và tổnghợp các cơ chế, khi ne = n0 và B = 6 T Các dấu chấm (•) đánhdấu TBG tương ứng với mỗi nhánh phonon 106Hình 4.11 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của công suất nhiệt-từ S xxg , và số

mũ δe trong quy luật −Sxxg ∼ T δ e Hình (a) và (b) là với các giátrị từ trường khác nhau khi ne = n0 Hình (c) và (d) là với cácgiá trị mật độ electron khác nhau khi B = 6 T 107

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng các thông số đặc trưng cho tương tác spin-quỹ đạo vànửa độ rộng vùng cấm của các TMDC đơn lớp 11Bảng 1.2 Bảng giá trị các thông số liên quan đến tương tác electron-phonon trong các TMDC đơn lớp 24Bảng 2.1 Bảng các giá trị để tính số MOAC cho các TMDC đơn lớp 59Bảng 4.1 Bảng các giá trị để tính số ELR cho MoS2 đơn lớp 88Bảng 4.2 Bảng các giá trị để tính số ELR cho các TMDC đơn lớp 88

xiii

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, graphene được nhiều nhà khoa học tập trungnghiên cứu vì vật liệu này sở hữu những tính chất điện tử khác biệt [1] Tuynhiên, cấu trúc vùng năng lượng của graphene không có vùng cấm, đồng thờitương tác spin-quỹ đạo trong vật liệu này rất yếu Những nhược điểm này hạnchế khả năng ứng dụng của graphene trong việc chế tạo các thiết bị quang điện

tử Chẳng hạn, vì cấu trúc không có vùng cấm nên tỷ số dòng đóng/mở củagraphene có giá trị thấp [2],[3] Chính vì thế, việc nghiên cứu chuyên sâu về cácvật liệu mới có cấu trúc tương tự graphene và những tính chất ưu việt khắcphục được những hạn chế của graphene là rất cần thiết Các ứng viên tiềm năngtrong trường hợp này là các vật liệu hai chiều (2D) có một vùng cấm hữu hạnnhư silicene [4],[5], germanene [6] và các bán dẫn họ dichalcogenides kim loạichuyển tiếp (transition-metal dichalcogenides-TMDC) có công thức hóa học là

MX2, với M = Mo, W; và X = S, Se [7],[8],[9],[10],[11],[12],[13]

Trong số các vật liệu có khả năng thay thế graphene, chúng tôi chú ý đếncác bán dẫn TMDC bởi vì chúng có những tính chất vật lý đặc biệt, hứa hẹntiềm năng cao trong ứng dụng công nghệ quang điện tử và hiện đang có sứcthu hút mạnh mẽ đối với các nhà nghiên cứu Thứ nhất, cấu trúc vùng nănglượng của các vật liệu TMDC đơn lớp có một cặp thung lũng (valley) khôngđối xứng tại các điểm K và K0, trong đó vùng dẫn và vùng hóa trị được phântách bởi một vùng cấm thẳng có độ rộng nằm trong khoảng từ vùng hồng ngoạigần đến vùng khả kiến Độ rộng vùng cấm của MoS2, WS2, MoSe2 và WSe2 lầnlượt là 1.66, 1.80, 1.48 và 1.6 (eV) [13] Thứ hai, các bán dẫn TMDC có tươngtác spin-quỹ đạo mạnh thể hiện ở các giá trị đặc trưng là độ dịch chuyển năng

Demo Version - Select.Pdf SDK