Nghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tử (Khóa luận tốt nghiệp)

Nghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tửNghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tử

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong xu thế phát triển về khoa học kỹ thuật và công nghệ, con người không ngừng tìm kiếm, chế tạo ra những vật liệu mới Nhằm giúp con người đáp ứng được nhu cầu phát triển không ngừng trong lĩnh vực này Vật liệu nano chính là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, các ứng dụng của công nghệ nano trong đời sống hiện nay Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé – kích thước nanomet Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu Nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này

Việc phát hiện hay sự ra đời của chấm lượng tử chính là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển lĩnh vực vật liệu cấu trúc nano (vật liệu bán dẫn thấp chiều) Alexey Ekimov lần đầu tiên phát hiện ra chấm lượng tử vào năm

1981 trong một ma trận thủy tinh Sau đó Louis E Brus quan sát thấy chúng trong dung dịch dạng keo vào năm 1985 Thuật ngữ "chấm lượng tử" được ra đời vào năm 1988 đặt ra bởi Mark Reed [7] Người ta đã nghiên cứu chấm lượng

tử này và phát hiện rằng có tính năng ưu việt, mở ra được nhiều tiềm năng ứng dụng phát triển kỹ thuật và công nghệ mới đầy sáng tạo Do đó, việc nghiên cứu

và chế tạo chấm lượng tử đang là một lĩnh vực rất nóng, mà các nhà khoa học trong nước và ngoài nước quan tâm Nhằm đưa ra những ứng dụng hữu ích nâng cao giá trị cuộc sống của chúng ta Chấm lượng tử được xem là vật liệu đặc biệt được chế tạo từ vật liệu bán dẫn, kim loại hoặc polymer Bán dẫn chấm lượng tử chính là một trong những vật liệu có tầm ảnh hưởng quan trọng sự phát triển của vật liệu bán dẫn

Là một sinh viên ngành Vật lí, với mong muốn tìm hiễu rõ bán dẫn chấm lượng tử có những tính năng ưu việt gì, dẫn đến những tiềm năng ứng dụng trong khoa học, công nghệ hiện nay

Với lí do trên, tôi chọn đề tài:

“Nghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tử”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về bán dẫn chấm lượng tử và tính hệ số hấp thụ photon trong mô hình bán dẫn chấm lượng tử

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Để đạt được mục tiêu trên, những nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

- Nghiên cứu tìm hiểu về các vật liệu thấp chiều

- Tìm hiểu cấu trúc chấm lượng tử

- Phân loại chấm lượng tử

- Biểu thức hàm sóng và năng lượng của chấm lượng tử trong từ trường ngoài

- Tính hệ số hấp thụ photon trong mô hình bán dẫn chấm lượng tử

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu những vấn đề tổng quan về bán dẫn chấm lượng tử Chỉ xét quá trình hấp thụ một photon

6 BỐ CỤC CỦA KHÓA LUẬN

Ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung của khóa luận gồm 2 chương:

Chương 1 Giới thiệu tổng quan về bán dẫn chấm lượng tử

Chương 2 Trình bày phương pháp tính hệ số hấp thụ quang-từ trong mô hình bán dẫn chấm lượng tính toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN CHẤM LƯỢNG TỬ 1.1 Các hệ lượng tử

Vật liệu và linh kiện nano, loại vật liệu chỉ có kích cỡ chỉ vào khoảng 1nm

- 100 nm Loại vật liệu này đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới Sở dĩ như vậy là do những tiềm năng ứng dụng trong công nghệ và đời sống Những vật liệu này thể hiện những tính chất vật lí và hoá học rất mới lạ Các tính chất đó không hề có trong các nguyên tử riêng biệt hay trong vật liệu khối có cùng thành phần hóa học Những vật liệu nano đó có thể được định nghĩa là những hệ trong đó có ít nhất một chiều có kích cỡ nanomet Ta biết rằng không gian thực gồm ba chiều, vậy khi giảm đi một, hai hoặc ba chiều của vật liệu khối xuống kích thước cỡ nanomet Ta sẽ thu được các cấu trúc tương ứng gọi là giếng lượng tử - hệ hai chiều (2D), dây lượng tử - hệ một chiều (1D) và chấm lượng tử - hệ không chiều (0D) [9]

1.1.1 Hệ hai chiều – giếng lượng tử

Khi kích thước của vật rắn theo một phương nào đó bị giảm xuống chỉ còn cỡ nanomet, các điện tử chỉ có thể chuyển động tự do theo hai phương có kích thước thông thường Theo phương bị giảm kích thước cỡ nanomet thì điện

tử không thể di chuyển tự do, tức ở phương này có hiệu ứng giam giữ lượng tử, năng lượng bị lượng tử hóa thành các mức gián đoạn theo chiều bị giới hạn này

Như vậy, trong trường hợp này, chuyển động của điện tử bị giới hạn trong một chiều và tự do trong hai chiều Vì vậy, người ta gọi vật liệu này là vật liệu hai chiều, hệ hai chiều, giếng lượng tử hay là hố lượng tử

Hình 1 biểu diễn mô hình hố lượng tử đơn giản nhất có thể nuôi cấy được Đây là trường hợp một cấu trúc GaAs/AlGaAs (Gallium arsenide/Aluminium gallium arsenide) được lớn lên trên đế GaAs Cấu trúc này gồm một lớp bán dẫn GaAs có chiều dày d (chỉ cỡ 10nm), được đặt xen kẽ giữa hai lớp bán dẫn AlGaAs có bề dày lớn hơn Độ dày d được chọn sao cho chuyển động của điện

tử trong lớp GaAs bị lượng tử hóa Hệ tọa độ được đặt sao cho phương z trùng

với phương lớn lên của tinh thể, còn các trục x và y nằm trong mặt phẳng đế Theo cách này, chuyển động của hạt theo phương z bị lượng tử hóa, còn theo phương x, y hạt chuyển động tự do

Hình 1 Mô hình giếng lượng tử đơn

Nửa dưới của hình 1 mô tả sự thay đổi theo không gian của vùng dẫn và vùng hóa trị dọc theo phương z Độ rộng vùng cấm của AlGaAs lớn hơn so với của GaAs, khi đó các đường biên tương ứng với trạng thái thấp nhất trong vùng dẫn và cao nhất trong vùng hóa trị của GaAs nằm giữa khe vùng cấm của AlGaAs Như vậy, đã có hàng rào thế được sinh ra tại biên tiếp xúc giữa các lớp bán dẫn, do sự không liên tục của vùng dẫn và vùng hóa trị, hình thành nên một giếng thế ở lớp GaAs, trong trường hợp này gọi là giếng lượng tử Các điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị bị bẫy và bị giam nhốt trong các giếng thế này Theo đó, chuyển động của chúng theo phương z bị lượng tử hóa, nhưng theo mặt phẳng (x,y) vẫn là tự do

1.1.2 Hệ một chiều - dây lượng tử

Khi kích thước của vật rắn giảm xuống cỡ nanomet theo hai chiều, còn chiều còn lại có kích thước thông thường Khi đó, điện tử bị giới hạn theo hai chiều, nó chuyển động tự do dọc theo chiều dài của dây Phổ năng lượng gián đoạn theo hai chiều trong không gian Hệ này còn gọi là hệ một chiều hay dây lượng tử

1.1.3 Hệ không chiều - chấm lượng tử

Khi kích thước của vật rắn giảm xuống cỡ nanomet theo cả ba chiều không gian, các điện tử bị giới hạn theo cả ba chiều và hoàn toàn không thể chuyển động tự do Phổ năng lượng bị gián đoạn theo cả ba chiều trong không gian Hệ này còn gọi là hệ không chiều hay là chấm lượng tử

1.2 Khái niệm bán dẫn chấm lượng tử

Bán dẫn chấm lượng tử là một tinh thể bán dẫn cỡ một vài nanomet, trong

đó các điện tử đều bị giam giữ trong cả ba chiều không gian

Hoạt động của điện tử trong một chấm như vậy là rất khác thường, vì điện

tử xem như bị nhốt trong một không gian khá chật hẹp Các mức năng lượng của

nó bị tách ra thành các mức riêng biệt như các mức năng lượng của nguyên tử

Vì vậy mà người ta gọi là chấm lượng tử hay tạm gọi là nguyên tử nhân tạo [4]

Năm 1988, giáo sư vật lý Mark A Reed (Đại học Yale) mới đặt tên cho những tinh thể bé xíu này là chấm lượng tử [7] Bởi kích thước quá nhỏ khiến chúng chịu ảnh hưởng của định luật lượng tử Nghĩa là, mỗi chấm lượng tử ở kích thước và cấu trúc nhất định sẽ mang đặc tính cụ thể Việc thêm hoặc bớt dù chỉ một nguyên tử trong cấu trúc cũng làm thay đổi tính chất của chấm Như vậy, tính chất và kích thước của chấm lượng tử liên quan chặt chẽ với nhau Đây cũng là chìa khóa mở ra những ứng dụng tuyệt vời cho loại vật liệu nano này

Hình 1 minh họa một bán dẫn chấm lượng tử được làm từ CdSe/ZnS Gồm lõi là từ vật liệu CdSe, vỏ là vật liệu ZnS

Hình 2 Bán dẫn chấm lượng tử làm từ chất bán dẫn

Thường cấu trúc của chấm lượng tử là cấu trúc lõi – vỏ (core – shell) Lớp vật liệu dùng làm vỏ được lựa chọn thường phải có cấu trúc tinh thể tương tự với vật liệu lõi, nhưng có năng lượng vùng cấm lớn hơn của chấm lượng tử lõi Hạt tải trong chấm lượng tử lõi sẽ chịu sự giam giữ lượng tử của lớp vỏ Ngoài

ra lớp vỏ bọc còn có tác dụng thụ động hoá các liên kết hở tại bề mặt của lõi và tạo thành một hàng rào thế năng giam giữ các hạt tải điện của lõi Ví dụ như trên

đã chọn ZnS làm vỏ bọc cho chấm lượng tử CdSe

1.3 Hoạt động của bán dẫn chấm lượng tử

Năng lượng bị gián đoạn theo cả ba chiều không gian nên ta có các mức năng lượng khác nhau Tuy nhiên, mức năng lượng được điều chỉnh bởi kích thước của chấm lượng tử chứ không phải là chất của vật liệu đó

Hình 3 Hoạt động của bán dẫn chấm lượng tử

Chúng ta biết rằng, nếu cung cấp năng lượng nguyên tử chính là năng lượng của photon Ta có thể tăng một điện tử bên trong nó lên một mức năng lượng cao hơn, quá trình này chính là quá trình hấp thụ Khi ở các mức kích thích, mức năng lượng càng cao thì thời gian sống của điện tử càng ngắn Nên sau khi hết thời gian sống điện tử có xu hướng trở lại mức thấp hơn, nguyên tử phát ra một photon ánh sáng với cùng năng lượng mà nguyên tử ban đầu hấp thụ, quá trình này chính là quá trình phát xạ

Các chấm lượng tử được tạo ra từ cùng một chất liệu sẽ phát

ra các màu khác nhau tùy thuộc vào độ lớn (kích thước) của chúng

Hình 4 Mô tả bán dẫn chấm lượng tử cùng một chất liệu nhưng kích thước khác

nhau

Các chấm lượng tử lớn nhất tạo ra các bước sóng dài nhất (và tần số thấp nhất), trong khi các chấm nhỏ nhất tạo ra các bước sóng ngắn hơn (và tần số cao hơn) Trong thực tế, điều đó có nghĩa là các chấm lớn tạo ra ánh sáng đỏ và các chấm nhỏ tạo thành màu xanh dương, với các chấm có kích thước trung bình tạo

ra ánh sáng xanh (và phổ màu quen thuộc của các màu khác nữa) Đối với một dấu chấm nhỏ, nó sẽ có một vùng cấm lớn hơn Vì vậy cần nhiều năng lượng hơn để kích thích nó Bởi vì tần số của ánh sáng phát ra tỉ lệ thuận với năng lượng, các chấm nhỏ hơn với năng lượng cao hơn tạo ra tần số cao hơn (và các bước sóng ngắn hơn) Các chấm lớn hơn, chúng phát ra các tần số thấp hơn (và các bước sóng dài hơn) [3][5]

1.4 Hiệu ứng giam giữ lượng tử

Khi kích thước của hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr của exciton thì

có thể xảy ra hiệu ứng kích thước lượng tử hay còn gọi là hiệu ứng giam giữ lượng tử Trong đó các trạng thái của điện tử bị lượng tử hóa

Nếu kích thước của khối bán dẫn giảm xuống cỡ nanomet, thì các hạt tải điện bị giam giữ sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong một giếng thế Nghiệm của phương trình Schrodinger trong trường hợp này là các sóng dừng (sóng đứng) bị giam trong giếng thế và năng lượng bị gián đoạn [9]

Sự giam giữ lượng tử thường tạo ra sự mở rộng vùng cấm với sự giảm về mặt kích thước của chấm lượng tử Vùng cấm trong một vật liệu là năng lượng

để tạo ra một điện tử và lỗ trống tại trạng thái nghỉ ở một khoảng cách đủ xa tránh khỏi sự tương tác Coulomb của chúng Nếu một hạt tải đến gần một hạt khác, chúng có thể hình thành một cặp điện tử – lỗ trống, nghĩa là một exciton,

có năng lượng khoảng vài eV thấp hơn vùng cấm Người ta có thể coi exciton như nguyên tử Hydro nhưng sự khác nhau về khối lượng hiệu dụng của điện tử

và lỗ trống trong bán dẫn không lớn bằng sự khác nhau giữa khối lượng của điện

tử và proton trong nguyên tử Hydro [8] Khoảng cách giữa điện tử và lỗ trống được gọi là bán kính Bohr (rB) Nếu me và mh là khối lượng của điện tử và lỗ trống, thì bán kính rB sẽ được xác định bằng công thức:

rB = hɛ

e 2( 1

me + 1

mh), (1.1) trong đó, h là hằng số planck, ɛ là hằng số điện môi, e là điện tích nguyên tố Nếu bán kính R của chấm lượng tử xấp xỉ rB, hoặc nhỏ hơn rB thì chuyển động của điện tử và lỗ trống sẽ bị giới hạn bởi kích thước của chấm lượng tử nó tạo ra sự phát quang và sự tăng năng lượng chuyển tiếp exciton và có dịch chuyển xanh trong vùng cấm của chấm lượng tử Bán kính Bohr exciton là giá trị ngưỡng, và hiệu ứng giam giữ trở nên quan trọng khi bán kính của chấm lượng tử nhỏ hơn Đối với chấm lượng tử nhỏ, năng lượng liên kết exciton lớn hơn nhiều trong vật liệu khối Đối với vật liệu có ε tương đối cao hoặc me và mh

nhỏ thì rB lớn hơn [10][11]

Có ba chế độ giam giữ lượng tử đã được nghiên cứu, tùy thuộc vào kích thước của chấm lượng tử: R >> rB , R ≈ rB, R << rB, trong đó R là bán kính của chấm lượng tử Các chế độ này được gọi tương ứng là chế độ giam giữ lượng tử yếu, chế độ giam giữ lượng tử trung gian và chế độ giam giữ lượng tử mạnh

 Chế độ giam giữ lượng tử yếu

Trong trường hợp bán kính của hạt rất lớn so với bán kính Bohr exciton của vật liệu (R >> rB), năng lượng liên kết của một exciton Eex, là lớn hơn năng lượng lượng tử của cả điện tử và lỗ trống và phổ quang học của chấm lượng tử được xác định bởi sự giam giữ lượng tử của khối tâm exciton Năng lượng chuyển dời quang học thấp nhất được cho bởi biểu thức:

Khóa luận đủ ở file: Khóa luận full