Ảnh hưởng của điện tử giam cầm và phonon giam cầm lên một số tính chất quang trong các hệ bán dẫn thấp chiều

Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong hố lượng tử .... Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ THANH NHÀN

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TỬ GIAM CẦM VÀ PHONON GIAM CẦM LÊN MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUANG TRONG

CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ THANH NHÀN

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TỬ GIAM CẦM VÀ PHONON GIAM CẦM LÊN MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUANG TRONG

CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU

Chuyên ngành : Vật lý Lý thuyết và Vật lý Toán Mã số: 62440103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TS NGUYỄN QUANG BÁU

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả, số liệu,

đồ thị, được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ các công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thanh Nhàn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến GS TS Nguyễn Quang Báu, người thầy đã hết lòng tận tụy giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của các thầy, cô trong

bộ môn Vật lý Lý thuyết, khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Khoa Vật lý và Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thanh Nhàn

MỤC LỤC Danh mục hình vẽ

Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quan về một số hệ bán dẫn hai chiều và một chiều Hấp thụ sóng điện từ yếu trong bán dẫn khối khi có mặt trường bức xạ laser 8

1.1 Hệ bán dẫn hai chiều 8

1.1.1 Hố lượng tử 8

1.1.2 Siêu mạng pha tạp 10

1.1.3 Siêu mạng hợp phần 11

1.2 Hệ bán dẫn một chiều 12

1.2.1 Dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn 12

1.2.2 Dây lượng tử hình trụ với hố thế cao vô hạn 13

1.2.3 Dây lượng tử hình trụ với hố thế parabol 14

1.3 Hấp thụ sóng điện từ yếu trong bán dẫn khối khi có mặt trường bức xạ laser 15

1.3.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong bán dẫn khối khi có mặt hai sóng điện từ 15

1.3.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu khi có mặt trường bức xạ laser trong bán dẫn khối 17

Chương 2 Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hệ bán dẫn hai chiều khi có mặt trường bức xạ laser 19

2.1 Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hố lượng tử khi có mặt trường bức xạ laser 19

2.1.1 Trường hợp trường bức xạ laser không biến điệu biên độ 19

2.1.1.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong hố lượng tử khi có mặt hai sóng điện từ 19

2.1.1.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong hố lượng tử 23

2.1.1.3 Kết quả tính số và thảo luận 31

2.1.2 Trường hợp trường bức xạ laser biến điệu biên độ 38

2.1.2.1 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser biến điệu biên độ trong hố lượng tử 39 2.1.2.2 Kết quả tính số và thảo luận 41 2.2 Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong siêu mạng pha tạp khi có mặt trường bức xạ laser 46 2.2.1 Trường hợp trường bức xạ laser không biến điệu biên độ 46 2.2.1.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong siêu mạng pha tạp khi có mặt hai sóng điện từ 46 2.2.1.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong siêu mạng pha tạp 47 2.2.1.3 Kết quả tính số và thảo luận 50 2.2.2 Trường hợp trường bức xạ laser biến điệu biên độ 55 2.2.2.1 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser biến điệu biên độ trong siêu mạng pha tạp 55 2.2.2.2 Kết quả tính số và thảo luận 57 2.3 Kết luận chương 2 60

Chương 3 Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hệ bán dẫn một chiều khi có mặt trường bức xạ laser 62

3.1 Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn khi có mặt trường bức xạ laser 62 3.1.1 Trường hợp trường bức xạ laser không biến điệu biên độ 62 3.1.1.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn khi có mặt hai sóng điện từ 62 3.1.1.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn 64 3.1.1.3 Kết quả tính số và thảo luận 69 3.1.2 Trường hợp trường bức xạ laser biến điệu biên độ 73 3.1.2.1 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser biến điệu biên độ trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn 73

3.1.2.2 Kết quả tính số và thảo luận 75 3.2 Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn khi có mặt trường bức xạ laser 80 3.2.1 Trường hợp trường bức xạ laser không biến điệu biên độ 80 3.2.1.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn khi có mặt hai sóng điện từ 80 3.2.1.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser không biến điệu biên độ trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn 81 3.2.1.3 Kết quả tính số và thảo luận 84 3.2.2 Trường hợp trường bức xạ laser biến điệu biên độ 88 3.2.2.1 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser biến điệu biên độ trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn 88 3.2.2.2 Kết quả tính số và thảo luận 90 3.3 Kết luận chương 3 93

Chương 4 Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hệ bán dẫn hai chiều và một chiều khi có mặt trường bức xạ laser 95

4.1 Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hố lượng tử khi có mặt trường bức xạ laser 95 4.1.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong hố lượng tử khi có mặt hai sóng điện từ, có kể đến sự giam cầm phonon 95 4.1.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser trong hố lượng tử, có kể đến sự giam cầm phonon 98 4.1.3 Kết quả tính số và thảo luận 100 4.2 Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong siêu mạng pha tạp khi có mặt trường bức xạ laser 104 4.2.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong siêu mạng pha tạp khi có mặt hai sóng điện từ, có kể đến sự giam cầm phonon 104 4.2.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ

laser trong siêu mạng pha tạp, có kể đến sự giam cầm phonon 106

4.2.3 Kết quả tính số và thảo luận 107

4.3 Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn khi có mặt trường bức xạ laser 110

4.3.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn khi có mặt hai sóng điện từ, có kể đến sự giam cầm phonon 110

4.3.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn, có kể đến sự giam cầm phonon 113

4.3.3 Kết quả tính số và thảo luận 115

4.4 Ảnh hưởng của sự giam cầm phonon lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn khi có mặt trường bức xạ laser 118

4.4.1 Phương trình động lượng tử và hàm phân bố của điện tử trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn khi có mặt hai sóng điện từ, có kể đến sự giam cầm phonon 118

4.4.2 Hệ số hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm khi có mặt trường bức xạ laser trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn, có kể đến sự giam cầm phonon 120

4.4.3 Kết quả tính số và thảo luận 122

4.5 Kết luận chương 4 126

Kết luận 128

Danh mục các công trình khoa học của tác giả đã công bố liên quan đến luận án 129

Tài liệu tham khảo 131 Phụ lục

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sự phụ thuộc của  vào T

Hình 2.2: Sự phụ thuộc của  vào 1

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của  vào 2

Hình 2.4: Sự phụ thuộc của  vào E01

Hình 2.5: Sự phụ thuộc của  vào L

Hình 2.6: Sự phụ thuộc của  vào T

Hình 2.7: Sự phụ thuộc của  vào 1

Hình 2.8: Sự phụ thuộc của  vào L

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của  vào T

Hình 2.10: Sự phụ thuộc của  vào 

Hình 2.11: Sự phụ thuộc của  vào Ω1

Hình 2.12: Sự phụ thuộc của  vào 

Hình 2.13: Sự phụ thuộc của  vào T

Hình 2.14: Sự phụ thuộc của  vào 

Hình 2.15: Sự phụ thuộc của  vào Ω1

Hình 2.16: Sự phụ thuộc của  vào F1

Hình 2.17: Sự phụ thuộc của  vào T

Hình 2.18: Sự phụ thuộc của  vào Ω2

Hình 2.19: Sự phụ thuộc của  vào n D

Hình 2.20: Sự phụ thuộc của  vào N d

Hình 2.21: Sự phụ thuộc của  vào T

Hình 2.22: Sự phụ thuộc của  vào E 01

Hình 2.23: Sự phụ thuộc của  vào n D

Hình 2.24: Sự phụ thuộc của  vào N d

Hình 2.25: Sự phụ thuộc của  vào Ω1

Hình 2.26: Sự phụ thuộc của  vào n D

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Quang Báu, Hà Huy Bằng (2002), Lý thuyết trường lượng tử cho hệ nhiều

hạt, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

[2] Nguyễn Quang Báu, Bùi Bằng Đoan, Nguyễn Văn Hùng (1998), Vật lý thống kê, Nhà

xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

[3] Nguyễn Quang Báu, Đỗ Quốc Hùng, Vũ Văn Hùng, Lê Tuấn (2011), Lý thuyết bán

dẫn hiện đại, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

[4] Nguyễn Quang Báu, Nguyễn Vũ Nhân, Phạm Văn Bền (2007), Vật lý bán dẫn thấp

chiều, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

[5] Nguyễn Quang Báu, Nguyễn Vũ Nhân, Hà Kim Hằng, Nguyễn Văn Hướng (1992),

“Ảnh hưởng của từ trường lên hệ số hấp thụ sóng điện từ đối với cơ chế tán xạ điện tử

- phonon quang trong siêu mạng bán dẫn'', Báo cáo Hội nghị Vật lý Lý thuyết lần thứ

17, TP Hồ Chí Minh tr 11

[6] Lê Thái Hưng (2013), Ảnh hưởng của phonon giam cầm lên một số hiệu ứng cao tần

trong bán dẫn thấp chiều, luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

[7] Nguyễn Vũ Nhân (2002), Một số hiệu ứng cao tần gây bởi trường sóng điện từ trong bán

dẫn và plasma, luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

[8] Lê Thị Thu Phương (2014), Ảnh hưởng của hiệu ứng giảm kích thước lên một số tính

chất vật lý của hệ điện tử chuẩn một chiều dưới tác dụng của trường sóng điện từ,

luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

[9] Hoàng Đình Triển (2012), Nghiên cứu sự hấp thụ phi tuyến sóng điện từ bởi điện tử

giam cầm trong dây lượng tử, luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà

Nội

[10] Alexander Balandin and Kang L Wang (1998), “Effect of phonon confinement on

the thermoelectric figure of merit of quantum wells”, J Appl Phys 84, pp

6149-6153

[11] Ando T., Fowler A B and Stern F (1982), “Electronic properties of

two-dimensional systems”, Rev Mod Phys 54, pp 437-672

[12] Antonyuk V B., MalΪshukov A G., Larsson M and Chao K A (2004), “Effect of electron-phonon interaction on electron conductance in one-dimensional systems”,

Phys Rev B 69, pp 155308-155314

[13] N Q Bau, Chhoumn Navy (1997), “Influence of laser radiation (non-modulated and modulated) on the absorption of a weak electromagnetic wave by free electrons in

semiconductor superlattices”, VNU Journal of science, Nat Sci 13(2), pp 26-31

[14] N Q Bau, L Dinh and T C Phong (2007), “Absorption coefficient of weak

electromagnetic waves caused by confined electrons in quantum wires”, J

Korean Phys Soc 51, pp 1325-1330

[15] N Q Bau and D M Hung (2010), “Calculation of the nonlinear absorption coefficient of a strong electromagnetic wave by confined electrons in doping

superlattices”, PIER B 25, pp 39-52

[16] N Q Bau, D M Hung, and L T Hung (2010), “The influences of confined phonons

on the nonlinear absorption coefficient of a strong electromagnetic wave by confined

electrons in doping superlattice”, PIER Letter 15, pp 175-185

[17] N Q Bau, L T Hung, and N D Nam (2010), “The nonlinear absorption coefficient

of a strong electromagnetic wave by confined electrons in quantum wells under the

influences of confined phonons”, JEMWA, J of Electromagnetic Waves and Appl

24, pp 1751-1761

[18] N Q Bau, D M Hung, N B Ngoc (2009), “The nonlinear absorption coefficient of

a strong electromagnetic wave caused by confined electrons in quantum wells”, J

Korean Phys Soc 54, pp.765-773

[19] N Q Bau, N V Nhan, and T C Phong (2002), “Calculations of the absorption coefficient of a weak electromagnetic wave by free carriers in doped superlattices by

using the Kubo-Mori method”, J Korean Phys Soc 41, pp 149-154

[20] N Q Bau and T C Phong (1998), “Calculations of the absorption coefficient of a weak electromagnetic wave by free carriers in quantum wells by the Kubo-Mori

method”, J.Phys Soc Japan 67, pp 3875-3880

[21] N Q Bau and H D Trien (2010), “The nonlinear absorption coefficient of strong

electromagnetic waves caused by electrons confined in quantum wires”, Journal of

the Korean Physical Society 56, pp 120-127

[22] N Q Bau and H D Trien (2010), “The nonlinear absorption of a strong

electromagnetic wave by confined electrons in rectangular quantum wires”, PIERS

Proceedings, Xi’an, China, pp 336-341

[23] N Q Bau and H D Trien (2011), “The nonlinear absorption of a strong

electromagnetic wave in low-dimensional system”, Wave propagation, INTECH,

Croatia, pp 461-482

[24] N Q Bau, H D Trien, and N T T Nhan (2008), “Influence of magnetic field on the nonlinear absorption coefficient of a strong electromagnetic wave by confined

electrons in quantum wires”, VNU Journal of Science, Mathematics - Physics

25(1S), pp 47-50

[25] Bennett R., Guven K., and Tanatar B (1998), “Confined-phonon effects in the

band-gap renormalization of semiconductor quantum wires”, Phys Rev B 57, pp

3994-3999

[26] Borisenko S I (2004), “The effect of acoustic phonon confinement on electron scattering in GaAs/AlxGa1-xAs superlattices”, Semiconductors 38, pp 824-829

[27] Brandes T and Kawabata A (1996), “Conductance increase by electron-phonon

interaction in quantum wires”, Phys Rev B 54, pp 4444-4447

[28] Butscher S and Knorr A (2006), “Occurrence of Intersubband Polaronic Repellons

in a Two-Dimensional Electron Gas”, Phys Rev Lett 97, pp 197401-197404

[29] Chaubey M P and Viliet C M V (1986), “Transverse magnetoconductivity of quasi-two-dimensional semiconductor layers in the presence of phonon scattering”,

Phys Rev B 33, pp 5617-5622

[30] Chernoutsan K., Dneprovskii V., Gavrilov S., Gusev V., Muljarov E., Romano S., Syrnicov A., Shaligina O and Zhukov E (2002), “Linear and nonlinear optical

properties of excitons in semiconductor-dielectric quantum wires”, Physica E 15,

pp 111-117

[31] Chmitt-Rink S., Chemla D S and Miller D A B (1989), “Linear and nonlinear