Nghiên cứu hiệu ứng stark quang học trong chấm lượng tử inn gan (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHAN THỊ ÁI NHỊ NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ InN/GaN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Thừa Thiên Huế, năm

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHAN THỊ ÁI NHỊ

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC

TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ InN/GaN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Thừa Thiên Huế, năm 2017

Demo Version - Select.Pdf SDK

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHAN THỊ ÁI NHỊ

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC

TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ InN/GaN

Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN

Mã số: 60440103

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

i

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

Phan Thị Ái Nhị

Demo Version - Select.Pdf SDK

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy,

cô giáo trong khoa Vật Lý và phòng đào tạo sau đại học, trường đại học sư phạm, đại học Huế đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường.

Đặc biệt, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo - PGS TS Đinh Như Thảo đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này.

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và những người bạn thân thiết đã luôn ở bên cạnh động viên giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn.

Huế, tháng 9 năm 2017 Tác giả luận văn

Phan Thị Ái Nhị

iii

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỤC LỤC

Trang bìa

Trang phụ bìa i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Mục lục 1

Danh mục các bảng biểu 3

Danh sách các cụm từ viết tắt 4

Danh mục các đồ thị, hình vẽ 6

MỞ ĐẦU 7

NỘI DUNG 11

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

1.1 Tổng quan về chấm lượng tử bán dẫn 11

1.1.1 Khái niệm chấm lượng tử 12

1.1.2 Phương pháp chế tạo chấm lượng tử 13

1.1.3 Tính chất quang của chấm lượng tử 14

1.1.4 Hàm sóng và năng lượng của điện tử trong chấm lượng tử với bờ thế vô hạn 16

1.2 Tổng quan về exiton trong chấm lượng tử bán dẫn 19

1.2.1 Khái niệm exciton 19

1.2.2 Exciton trong bán dẫn khối 22

1.2.3 Exciton trong chấm lượng tử bán dẫn 24

1.3 Tổng quan về vật liệu bán dẫn InN/GaN 27

1.3.1 Các đặc trưng của vật liệu InN 28

1.3.2 Các đặc trưng của vật liệu GaN 29

1.3.3 Dị cấu trúc bán dẫn InN/GaN 32

Chương 2: HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ InN/GaN 34

Demo Version - Select.Pdf SDK

2.1 Bài toán cặp điện tử - lỗ trống không tương tác 34

2.1.1 Hàm sóng và năng lượng của hạt 34

2.1.2 Các chuyển dời quang liên vùng 36

2.1.3 Các chuyển dời quang nội vùng 39

2.2 Hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN 40 2.2.1 Khái niệm 40

2.2.2 Yếu tố ma trận chuyển dời 41

2.2.3 Hấp thụ của cặp điện tử - lỗ trống khi không có sóng bơm 46

2.2.4 Hấp thụ của cặp điện tử - lỗ trống khi có sóng bơm 47 Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH SỐ VÀ THẢO LUẬN 51

3.1 Tham số và cách thức tính toán 51

3.2 Kết quả tính số và thảo luận 52

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC P.1

2

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1 Các thông số của vật liệu bán dẫn InN ở nhiệt độ 300 K 29 1.2 Các thông số của vật liệu bán dẫn GaN ở nhiệt độ 300 K 31

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

Cụm từ viết tắt Nghĩa của cụm từ viết tắt

4

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ

1.1 Chấm lượng tử có thể phát ra đủ màu trong quang phổ

ánh sáng nhờ thay đổi kích thước tinh thể 12 1.2 Sơ đồ minh họa sự hình thành exciton trong bán dẫn 20 1.3 Vật liệu bán dẫn InN/GaN 27 1.4 Cấu trúc tinh thể InN 28 1.5 Tinh thể InN 29 1.6 Cấu trúc tinh thể GaN Nguyên tử Ga được đại diện bởi

hình cầu lớn màu tím, và nguyên tử N là hình cầu màu

xanh dương nhỏ hơn 30 1.7 Tinh thể GaN 30 1.8 Bề rộng khe vùng dị cấu trúc InN/GaN 32 2.1 a) Khi không có sóng bơm laser; b) Khi có sóng bơm laser 41 3.1 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

có bán kính R = 70 ˚A khi không có sóng bơm cộng hưởng

(đường đứt nét) và khi có sóng bơm với ∆ω = 0 meV

(đường liền nét), độ rộng vạch Γ = 0.1 meV 52 3.2 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

có bán kính R = 70 ˚A khi có sóng bơm cộng hưởng với

∆ω = 0.1 meV, độ rộng vạch Γ = 0.1 meV 53 3.3 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

có bán kính R = 70 ˚A khi có sóng bơm cộng hưởng với

∆ω = 0.3 meV, độ rộng vạch Γ = 0.1 meV 54 3.4 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

có bán kính R = 70 ˚A khi có sóng bơm cộng hưởng với

∆ω = 0 meV (đường liền nét màu đỏ), ∆ω = 0.1 meV

(đường đứt nét màu tím), ∆ω = 0.3 meV (đường đứt nét

màu xanh), độ rộng vạch Γ = 0.1 meV 55

Demo Version - Select.Pdf SDK

3.5 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

có bán kính R = 40 ˚A khi không có sóng bơm (đường đứt

nét) và khi có sóng sóng bơm cộng hưởng với ∆ω = 0

meV (đường liền nét), độ rộng vạch Γ = 0.1 meV 56 3.6 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

có bán kính R = 40 ˚A khi có sóng bơm cộng hưởng với

∆ω = 0.1 meV, độ rộng vạch Γ = 0.1 meV 56 3.7 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

có bán kính R = 40 ˚A khi có sóng bơm cộng hưởng với

∆ω = 0.3 meV, độ rộng vạch Γ = 0.1 meV 57 3.8 Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

có bán kính R = 40 ˚A khi có sóng bơm cộng hưởng với

∆ω = 0 meV (đường liền nét màu đỏ), ∆ω = 0.1 meV

(đường đứt nét màu tím), ∆ω = 0.3 meV (đường đứt nét

màu xanh), độ rộng vạch Γ = 0.1 meV 57

6

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cuối những năm 80 của thế kỷ XX, khoa học vật lý đã có sự chuyển hướng đối tượng nghiên cứu chính từ các vật liệu bán dẫn khối có cấu trúc ba chiều sang bán dẫn thấp chiều Các hệ bán dẫn thấp chiều là những hệ có cấu trúc phẳng hai chiều như giếng lượng tử, cấu trúc một chiều như dây lượng tử và cấu trúc không chiều như chấm lượng tử [6] Một trong những cấu trúc thấp chiều đang được quan tâm nghiên cứu là chấm lượng tử Chấm lượng tử là cấu trúc giam giữ hạt vi mô trong cả

ba chiều không gian Cấu trúc này đang được ứng dụng phổ biến trong việc chế tạo linh kiện điện tử và quang điện tử Một trong những ứng dụng đó là chế tạo ra máy tính quang điện tử dựa trên sự nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học của exiton [1]

Hiệu ứng Stark quang học của exciton trong các cấu trúc thấp chiều lần đầu tiên được phát hiện trong các giếng lượng tử bán dẫn năm 1986

và đã được nghiên cứu rộng rãi từ đó [13] Hiệu ứng Stark quang học là hiện tượng tách mức năng lượng của điện tử (lỗ trống) dưới tác dụng của sóng bơm laser cộng hưởng với hai mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử (lỗ trống) Hiệu ứng này đã làm thay đổi đáng kể phổ hấp thụ của exciton Vì vậy nó đã tạo ra sự thay đổi lớn trong các ứng dụng quang học [13] Thêm vào đó, với việc tạo ra được các chấm lượng tử nhờ những tiến bộ của công nghệ nuôi cấy nanô, đã góp phần mở rộng việc nghiên cứu hiệu ứng Stark trong các cấu trúc thấp chiều [15]

Đã có nhiều công trình nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong cấu trúc giếng lượng tử với mô hình hệ ba mức bằng phương pháp sử dụng lý thuyết về độ cảm phi tuyến bậc ba hay hình thức luận hàm sóng tái chuẩn hóa Trong đó, phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa cũng đã

Demo Version - Select.Pdf SDK

áp dụng hiệu quả trong việc nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học cho chấm lượng tử với vật liệu InGaAs/InAlAs [13] Phương pháp này cũng được kỳ vọng có kết quả tốt trong việc nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học cho chấm lượng tử hình thành từ các vật liệu khác nhau

Gần đây, chất bán dẫn nhóm III - nitride đã trở thành trọng tâm của nghiên cứu do đặc tính vật lý độc nhất và tiềm năng cao của chúng Các đặc tính đó thể hiện rõ trong dị cấu trúc bán dẫn InN/GaN đó

là tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, hoạt động ở nhiệt độ cao, sự phân cực mạnh ảnh hưởng đến tính chất quang học và điện của vật liệu Thiết bị điện tử nitride cũng thân thiện với môi trường bởi vì chúng không chứa các nguyên tố độc hại Ngoài ra, có sự quan tâm đáng chú ý đối với vật liệu InN vì tính chất điện tuyệt vời về mặt lý thuyết và được ứng dụng trong các thiết bị tốc độ cao Bên cạnh đó, vật liệu GaN là một vật liệu rất cứng, ứng dụng trong các thiết bị tần số cao và được chọn làm rào trong chế tạo dị cấu trúc bán dẫn InN/GaN [12]

Trong những năm gần đây, ở nước ta cũng có một số nghiên cứu về lĩnh vực này Năm 1997, tác giả Đinh Như Thảo đã nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học hệ ba mức trong chấm lượng tử GaAs/AlGaAs bằng phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa [ ] Với phương pháp đó, nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng hình thành từ các vật liệu khác nhau Năm 2015, tác giả Lê Văn Út nghiên cứu trên vật liệu InAs/AlAs [10], tác giả Trần Thị Mai Trâm nghiên cứu trên vật liệu InAs/GaAs Năm 2016, tác giả Ngô Thị Anh nghiên cứu hiệu ứng này trên vật liệu GaN/AlN [1] Đến năm 2017, nhóm tác giả Đinh Như Thảo công bố bài báo nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InGaAs/InAlAs [13]

Cho đến thời điểm này, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong cấu trúc thấp chiều khác nhau, nhưng việc nghiên cứu hiệu ứng này đối với cấu trúc vật liệu InN/GaN vẫn chưa được thực

8

Demo Version - Select.Pdf SDK

hiện Từ những lí do trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN” làm Luận văn Thạc sĩ

2 Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN với thế giam giữ đối xứng cầu cao vô hạn; xét bài toán có hai sóng laser biến đổi theo thời gian, khảo sát sự thay đổi của phổ hấp thụ của exiton dưới tác dụng của sóng bơm

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về chấm lượng tử bán dẫn, exiton trong chấm lượng tử bán dẫn;

- Nghiên cứu về cấu trúc vật liệu InN/GaN, chấm lượng tử InN/GaN;

- Nghiên cứu về hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN

4 Phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi chỉ nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN với thế giam giữ đối xứng cầu cao vô hạn

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên lý thuyết cơ học lượng tử;

- Sử dụng ngôn ngữ lập trình Mathematica để tính số và vẽ đồ thị

Demo Version - Select.Pdf SDK

6 Bố cục luận văn

Ngoài Mục lục, Phụ lục và Tài liệu tham khảo, Luận văn được chia làm ba phần

Phần Mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục của luận văn Phần Nội dung: Bao gồm ba chương

- Chương 1: Cơ sở lý thuyết;

- Chương 2: Hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN;

- Chương 3: Kết quả tính số và thảo luận

Phần Kết luận: Trình bày kết quả đạt được của Luận văn và đề xuất hướng mở rộng của đề tài

10

Demo Version - Select.Pdf SDK