Khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử inas alas (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THÚY NGA KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM THÔNG QUA MẬT ĐỘ HẤP THỤ TÍCH HỢP TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ InAs/AlAs Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TO

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ THÚY NGA

KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM THÔNG QUA

MẬT ĐỘ HẤP THỤ TÍCH HỢP

TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ InAs/AlAs

Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN

Mã số: 60 44 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS ĐINH NHƯ THẢO

Thừa Thiên Huế, năm 2017

Demo Version - Select.Pdf SDK

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất

kỳ một công trình nghiên cứu nào khác

Huế, tháng 9 năm 2017 Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thúy Nga

Demo Version - Select.Pdf SDK

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo PGS.TS.Đinh Như Thảo, người đã giảng dạy, định hướng và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài của mình

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Vật lý, phòng Đào tạo sau Đại học Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế đã giảng dạy, giúp đỡ tôi suốt hai năm học qua

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, các bạn học viên cao học khóa 24 đã luôn động viên, giúp đỡ, góp ý cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Huế, tháng 9 năm 2017 Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thúy Nga

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỤC LỤC

Trang phụ bìa i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Mục lục 1

Danh mục các bảng biểu 3

Danh mục các từ viết tắt và kí hiệu 4

Danh sách các hình vẽ 7

MỞ ĐẦU 8

I Lý do chọn đề tài 8

II Mục tiêu đề tài 9

III Nội dung đề tài 10

IV Phương pháp nghiên cứu 10

V Phạm vi nghiên cứu 10

VI Bố cục khóa luận 10

NỘI DUNG 12

Chương 1: Cơ sở lý thuyết 12 1.1 Tổng quan về giếng lượng tử 12

1.1.1 Điện tử trong hệ bán dẫn hai chiều 13

1.1.2 Giếng lượng tử thế vuông góc sâu vô hạn 15

1.1.3 Giếng lượng tử thế vuông góc sâu hữu hạn 17

1.1.4 Giếng lượng tử thế parabol 21

1.1.5 Giếng thế tam giác 24

1.2 Sơ lược về cấu hình nhám 26

1.2.1 Tán xạ nhám bề mặt (SR) 27

1.2.2 Tán xạ do phonon (LO phonon và LA phonon) 27

Demo Version - Select.Pdf SDK

1.2.3 Tán xạ do các tạp chất ion hóa (II) 28

1.2.4 Tán xạ do mất trật tự hợp kim bán dẫn (AD) 29

1.3 Tổng quan về vật liệu bán dẫn InAs/AlAs 29

1.3.1 Các thông số của vật liệu bán dẫn InAs 30

1.3.2 Các thông số của vật liệu bán dẫn AlAs 31

1.3.3 Dị cấu trúc bán dẫn InAs/AlAs 33

Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám bề mặt trong giếng lượng tử InAs/AlAs 36 2.1 Mô hình giếng lượng tử hình thành trong dị cấu trúc bán dẫn InAs/AlAs 36

2.1.1 Giếng lượng tử hình thành trong chuyển tiếp dị chất đơn InAs/AlAs 36

2.1.2 Giếng lượng tử hình thành trong chuyển tiếp dị chất kép AlAs/InAs/AlAs 38

2.1.3 Hàm sóng trong giếng lượng tử InAs/AlAs 39

2.2 Các đại lượng đặc trưng của cấu hình nhám 41

2.3 Ảnh hưởng của tán xạ nhám bề mặt đến độ rộng vạch phổ 43 2.4 Cách xác định chiều dài tương quan từ dữ liệu quang học đơn trị cấu hình nhám 46

Chương 3: Kết quả tính toán và thảo luận 48 3.1 Xác định giá trị của chiều dài tương quan Λ 48

3.2 Xác định giá trị của biên độ nhám ∆ 49

3.3 So sánh cấu hình nhám của vật liệu InAs/AlAs khi thay đổi tham số của giếng lượng tử 50

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC P.1

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thông số của vật liệu bán dẫn InAs ở nhiệt độ

300 K 31 Bảng 1.2 Các thông số của vật liệu bán dẫn AlAs ở nhiệt độ

300 K 32

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU

Cụm từ viết tắt Nghĩa của cụm từ viết tắt

2DEG Khí điện tử hai chiều

O.D Mật độ hấp thụ tích hợp

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc của giếng lượng tử 13

Hình 1.2 Mô hình giếng lượng tử được hình thành bởi vật liệu GaAs/AlGaAs 13

Hình 1.3 Minh họa giếng lượng tử thế vuông góc sâu vô hạn 15 Hình 1.4 Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng lượng tử thế vuông góc sâu vô hạn 17

Hình 1.5 Minh họa giếng lượng tử thế vuông góc sâu hữu hạn 18 Hình 1.6 Đồ thị xác định các giá trị η tương ứng với các mức năng lượng 20

Hình 1.7 Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng lượng tử thế vuông góc sâu hữu hạn 20

Hình 1.8 Minh họa giếng lượng tử thế parabol 21

Hình 1.9 Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng lượng tử thế parabol 23

Hình 1.10 Minh họa giếng lượng tử thế tam giác 24

Hình 1.11 Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng lượng tử thế tam giác 26

Hình 1.12 Cấu trúc tinh thể InAs 30

Hình 1.13 Cấu trúc tinh thể AlAs 32

Hình 1.14 Sơ đồ minh họa giếng lượng tử InAs/AlAs 34

Hình 1.15 Bề rộng khe vùng của InAs/AlAs 34

Hình 2.1 Minh họa giếng lượng tử trong chuyển tiếp dị chất đơn InAs/AlAs 37

Hình 2.2 Minh họa giếng lượng tử trong chuyển tiếp dị chất kép AlAs/InAs/AlAs 38

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hình 2.3 Minh họa hai kích thước đặc trưng của cấu hình

nhám là biên độ nhám ∆ và chiều dài tương quan Λ 42 Hình 3.1 Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ tích hợp I(L, ns; Λ)

vào chiều dài tương quan Λ trong giếng lượng tử InAs/AlAs với độ rộng giếng L = 90 ˚A; trong đó, đường liền nét màu đỏ biểu diễn kết quả tính số theo lý thuyết, đường đứt nét màu xanh biểu diễn kết quả từ thực nghiệm và dấu mũi tên chính là giá trị của Λ 49 Hình 3.2 Sự phụ thuộc của độ rộng vạch phổ γSR(∆) = γSR(L, ns; ∆; Λ)

vào biên độ nhám ∆ trong giếng lượng tử InAs/AlAs với độ rộng giếng L = 90 ˚A và chiều dài tương quan được lấy từ hình 3.1: Λ = 80 ˚A; trong đó, đường liền nét màu đỏ biểu diễn kết quả tính số theo lý thuyết, đường đứt nét màu xanh biểu diễn kết quả

từ thực nghiệm và dấu mũi tên chính là giá trị của

∆ 50 Hình 3.3 Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ tích hợp I(L, ns; Λ)

vào chiều dài tương quan Λ trong giếng lượng tử InAs/AlAs với độ rộng giếng L = 100 ˚A (tăng 10

˚

A so với ban đầu là L = 90 ˚A); trong đó, đường liền nét màu đỏ biểu diễn kết quả tính số theo lý thuyết, đường đứt nét màu xanh biểu diễn kết quả

từ thực nghiệm và dấu mũi tên chính là giá trị của Λ 51

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của độ rộng vạch phổ γSR(∆) = γSR(L, ns; ∆; Λ)

vào biên độ nhám ∆ trong giếng lượng tử InAs/AlAs với độ rộng giếng L = 100 ˚A (tăng 10 ˚A so với ban đầu là L = 90 ˚A) và chiều dài tương quan được lấy từ hình 3.3: Λ = 85 ˚A; trong đó, đường liền nét màu đỏ biểu diễn kết quả tính số theo lý thuyết, đường đứt nét màu xanh biểu diễn kết quả từ thực nghiệm và dấu mũi tên chính là giá trị của ∆ 52

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Ngày nay, nghiên cứu và ứng dụng dị cấu trúc bán dẫn rất phát triển và nhanh chóng chiếm một vị trí chủ đạo trong ngành vật lý chất rắn hiện đại [4] Một trong những dị cấu trúc được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hiện nay là giếng lượng tử Giếng lượng tử là cấu trúc giam giữ hạt vi mô một chiều Đặc trưng cơ bản nhất của hệ lượng

tử này là phổ năng lượng chuyển từ liên tục sang gián đoạn dẫn đến hiện tượng chuyển dời quang giữa các mức năng lượng là có thể và làm thay đổi phân bố điện tử Sự thay đổi này làm thay đổi cường độ tán

xạ nhám bề mặt vì thế làm thay đổi độ rộng vạch phổ Do đó, chính sự thay đổi về mặt năng lượng của hạt vi mô trong giếng lượng tử làm cho cấu trúc này có nhiều ưu điểm vượt bậc và được dùng làm cơ sở để chế tạo các linh kiện quang điện tử, vật liệu nhạy quang

Tán xạ nhám bề mặt là một hiện tượng tán xạ gây ra bởi bề mặt tiếp xúc gồ ghề của vật liệu dị cấu trúc Nguyên nhân là do sự không tương thích hằng số mạng tại chỗ tiếp giáp của hai loại vật liệu bán dẫn khác nhau và nguyên tử của hai loại vật liệu này chiếm các vị trí trên nút mạng một cách ngẫu nhiên Hiện tượng này là nhân tố chính ảnh hưởng đến độ rộng vạch phổ và được xác định bởi cấu hình nhám Vì vậy, cấu hình nhám có vai trò rất quan trọng trong việc nghiên cứu các tính chất của các dị cấu trúc Cấu hình nhám được đặc trưng bởi hai tham số là biên độ nhám (∆) và chiều dài tương quan (Λ)

Hiện nay, có nhiều phương pháp để khảo sát cấu hình nhám như thông qua tỷ số độ rộng phổ hay dựa vào độ linh động của điện tử Một trong những phương pháp tối ưu nhất hiện nay là sử dụng mật độ hấp thụ tích hợp Mật độ hấp thụ tích hợp bằng tích của độ rộng phổ nhân

Demo Version - Select.Pdf SDK

với chiều cao của đỉnh phổ Xác định được mật độ hấp thụ thì chúng ta

sẽ suy ra được cấu hình nhám Điểm nổi bậc của phương pháp này là xác định đơn trị riêng lẻ hai kích thước nhám chỉ đơn thuần dựa trên dữ liệu quang học

Các hợp chất III-Arsenide là những hợp chất được sử dụng nhiều nhất trong các thiết bị công nghệ hiện nay Một trong những số hợp chất

đó là InAs và AlAs InAs có độ linh động điện tử cao, nó là một vật liệu rất quan trọng được sử dụng trong các thiết bị điện tử tốc độ cao Còn AlAs có bề rộng vùng cấm lớn đã được sử dụng rộng rãi làm hàng rào thế năng trong điều chế dị cấu trúc pha tạp và giếng lượng tử bán dẫn

Do đó, giếng lượng tử hình thành từ vật liệu InAs/AlAs có những ưu điểm nổi bật về công suất, độ dẫn điện và khả năng chịu nhiệt nên được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị quang điện tử

Gần đây, ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu về cấu hình nhám Năm 2013, tác giả Phan Thị Vân đã khảo sát cấu hình nhám trong giếng lượng tử InGa/GaN [11] Năm 2014, tác giả Nguyễn Thị Trình đã khảo sát cấu hình nhám trong giếng lượng tử AlGaN/GaN [10], tác giả Dương Đình Phước đã khảo sát cấu hình nhám trong giếng lượng tử InAs/GaAs trong năm 2015 [6] Năm 2016, tác giả Đinh Như Thảo và các cộng sự

đã xác định đơn trị hai kích thước nhám chỉ đơn thuần dựa trên dữ liệu quang học [14] Cũng trong năm 2016 tác giả Trần Thị Hồng Lê đã khảo sát cấu hình nhám bề mặt trong giếng lượng tử InN/GaN [5] Tuy nhiên, cho đến nay chúng tôi chưa tìm thấy một nghiên cứu nào về cấu hình nhám được tính toán từ mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử InAs/AlAs

Từ những lý do trên tôi quyết định chọn đề tài: “Khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử InAs/AlAs” làm Luận văn Thạc sĩ

Demo Version - Select.Pdf SDK

II Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài là khảo sát hai kích thước của cấu hình nhám

là chiều dài tương quan và biên độ nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử InAs/AlAs

III Nội dung đề tài

Đề tài chủ yếu tập trung vào các vấn đề sau:

– Khảo sát cấu hình của giếng lượng tử;

– Tìm hiểu khái quát về vật liệu;

– Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cấu hình nhám trong giếng lượng

tử InAs/AlAs;

– Tính toán và rút ra kết quả nghiên cứu

IV Phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ Luận văn chúng tôi chỉ nghiên cứu về khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử InAs/AlAs

V Phương pháp nghiên cứu

– Nghiên cứu lý thuyết dựa trên lý thuyết Cơ học lượng tử;

– Sử dụng các phương pháp số;

– Sử dụng chương trình Mathematica để tính số và vẽ đồ thị

VI Bố cục luận văn

Luận văn gồm có ba phần chính: Mở đầu, Nội dung và Kết luận

1 Phần Mở đầu: Trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu

Demo Version - Select.Pdf SDK

và bố cục luận văn.

2 Phần Nội dung: Gồm ba chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết;

Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử InAs/AlAs;

Chương 3: Kết quả tính toán và thảo luận

3 Phần Kết luận: Trình bày các kết quả đạt được của luận văn và

đề xuất hướng phát triển nghiên cứu

Demo Version - Select.Pdf SDK