GaN và Penta-graphene nanoribbon.

Pham Thi Bich Thao, Nguyen Nhut Tuan Hung, Tieu Tin Nguyen, Nguyen Thanh Tien, Polar charges effect on multisubband electron mobility in the semiparabolic quantum wells based on AlN/AlGa[r]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

PHẠM THỊ BÍCH THẢO

HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG CÁC CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN DỰA TRÊN VẬT LIỆU PHÂN CỰC AlGaN/GaN

VÀ PENTA-GRAPHENE NANORIBBON

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

HÀ NỘI – 2020

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… ….***…………

PHẠM THỊ BÍCH THẢO

HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG CÁC CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN DỰA TRÊN VẬT LIỆU PHÂN CỰC AlGaN/GaN

VÀ PENTA-GRAPHENE NANORIBBON

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán

Xin ÷ñc gûi líi c£m ìn ¸n PGS.TS L¶ Tu§n, PGS.TS inh Nh÷ Th£o

v  c¡c b¤n håc vi¶n cao håc còng nhâm nghi¶n cùu t¤i tr÷íng ¤i håc C¦n Thì

¢ còng cëng t¡c trong c¡c cæng tr¼nh nghi¶n cùu khoa håc thíi gian qua

Tæi công xin gûi líi c£m ìn ¸n quþ Th¦y Cæ gi£ng d¤y v  cæng t¡c t¤iVi»n Vªt lþ, Håc vi»n Khoa håc v  Cæng ngh» Vi»t Nam ¢ truy·n thö ki¸nthùc v  hé trñ cæng t¡c håc vö cho tæi trong suèt thíi gian thüc hi»n · t i

Xin ch¥n th nh c£m ìn quþ Th¦y Cæ cæng t¡c t¤i Khoa Khoa håc Tünhi¶n v  c¡c pháng ban chùc n«ng tr÷íng ¤i håc C¦n Thì ¢ t¤o måi i·uki»n º tæi ho n th nh vi»c håc tªp v  nghi¶n cùu trong c¡c n«m qua

Cuèi còng, xin gûi líi tri ¥n ¸n b¤n b± v  ng÷íi th¥n, nhúng ng÷íi luæn

hé trñ v  ëng vi¶n tæi v÷ñt qua nhúng khâ kh«n º ho n th nh luªn ¡n n y

H  Nëi, ng y 10 th¡ng 12 n«m 2020

Ph¤m Thà B½ch Th£o

Tæi xin cam oan cæng tr¼nh n y ÷ñc tæi thüc hi»n d÷îi sü h÷îng d¨ncõa GS.TS o n Nhªt Quang, PGS.TS Nguy¹n Th nh Ti¶n v  c¡c nëi dungli¶n quan ch÷a ÷ñc cæng bè trong b§t ký luªn ¡n n o Cö thº, ch÷ìng 1 l  ph¦nl÷ñc kh£o t i li»u vªt li»u ph¥n cüc v  £nh h÷ðng cõa i»n t½ch ph¥n cüc l¶n hi»nt÷ñng vªn chuyºn i»n tû Ch÷ìng 2 v  3 l  k¸t qu£ nghi¶n cùu v· hi»n t÷ñnggiam c¦m l÷ñng tû v  vªn chuyºn i»n tû trong c§u tróc th§p chi·u ÷ñc tæithüc hi»n còng hai th¦y h÷îng d¨n GS.TS o n Nhªt Quang, PGS.TS Nguy¹n

Th nh Ti¶n v  cëng sü PGS.TS inh Nh÷ Th£o Cuèi còng, c¡c k¸t qu£ v·nghi¶n cùu hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong penta-graphene nanoribbonthu¦n v  pha t¤p b¬ng lþ thuy¸t phi¸m h m mªt ë ÷ñc tæi thüc hi»n còngPGS.TS Nguy¹n Th nh Ti¶n, ThS Vã Trung Phóc v  GS Rajeev Ahuja, ¤ihåc Uppsala, Thöy iºn

H  Nëi, ng y 10 th¡ng 12 n«m 2020

Ph¤m Thà B½ch Th£o

Möc löc

Danh möc c¡c chú vi¸t t­t iii

Ch÷ìng 1 Têng quan v· vªt li»u nghi¶n cùu 15

1.1 C§u tróc dà ch§t AlGaN/GaN 15

1.1.1 C§u tróc dà ch§t 15

1.1.2 C§u tróc dà ch§t ph¥n cüc 17

1.1.3 ƒnh h÷ðng cõa i»n t½ch ph¥n cüc l¶n hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN 19 1.2 Vªt li»u graphene v  penta-graphene 22

1.2.1 Vªt li»u graphene 22

1.2.2 Vªt li»u graphene nanoribbon 25

1.2.3 Vªt li»u penta-graphene 30

1.2.4 Vªt li»u penta-graphene nanoribbon 32

1.3 Transistor ë linh ëng i»n tû cao düa tr¶n AlGaN/GaN v  transistor hi»u ùng tr÷íng düa tr¶n graphene 33

Ch÷ìng 2 Ph¥n bè i»n tû trong c§u tróc

dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN 382.1 H m sâng bi¸n ph¥n cho c§u tróc dà ch§t ìn r o húu h¤n 392.2 C¡c th¸ giam giú i»n tû trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc pha t¤p

i·u bi¸n 402.3 Têng n«ng l÷ñng ùng vîi mët electron trong vòng con th§p nh§t 462.4 K¸t qu£ t½nh sè v  th£o luªn 50Ch÷ìng 3 Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû

trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN 563.1 K¸t qu£ gi£i t½ch 573.2 K¸t qu£ t½nh sè v  th£o luªn 673.2.1 ë linh ëng g¥y bði t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim v  t¡n

x¤ nh¡m k¸t hñp 673.2.2 So s¡nh vîi dú li»u thüc nghi»m 69Ch÷ìng 4 Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong penta-graphenenanoribbon d¤ng bi¶n r«ng c÷a pha t¤p 744.1 °c t½nh c§u tróc 754.2 °c t½nh vªn chuyºn i»n tû 81

Danh s¡ch cæng bè cõa t¡c gi£ 93

Armchair graphene nanoribbon AGNRNhám rào (Barrier roughness) BR

Nhám kết hợp (Combined roughness) CR

Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory) DFTMật độ trạng thái (Density of state) DOSTransistor hiệu ứng trường (Field effect transistor) FETTransistor hiệu ứng trường graphene (Graphene field effect

Graphene nanoribbon GNRTransistor độ linh động điện tử cao (High electron mobility

Transistor hiệu ứng trường cấu trúc dị chất (Heterojunction

field effect transistor) HFETCấu trúc dị chất (Heterostructure) HS

Điốt phát quang (Light Emitting Diode) LEDMật độ trạng thái riêng (Partial density of state) PDOS

Penta-graphene nanoribbon PGNRNhám phân cực (Polarization roughness) PR

Giếng lượng tử (Quantum well) QW

Sawtooth penta-graphene nanoribbon SSPGNRZigzag-armchair penta-graphene nanoribbon ZAPGNRZigzag graphene nanoribbon ZGNRZigzag penta-graphene nanoribbon ZZPGNR

Danh s¡ch h¼nh v³

1.1 Sü s­p x¸p nguy¶n tû tr¶n m°t Ga v  N cõa tinh thº GaN Môit¶n ch¿ h÷îng ph¥n cüc tü ph¡t [11] 181.2 Gi£n ç vòng v  sü h¼nh th nh kh½ i»n tû hai chi·u t¤i b· m°tAlGaN/GaN [11] 201.3 Sü thay êi mªt ë kh½ i»n tû hai chi·u theo th nh ph¦n Al v b· d y AlGaN [11] 221.4 Mët sè c§u tróc cõa carbon 241.5 Sü h¼nh th nh c¡c c§u tróc carbon tø graphite 251.6 C§u tróc graphene v  hai d¤ng graphene nanoribbon: zigzag v armchair 261.7 a) Và tr½ pha t¤p B trong AGNR, b) Pha t¤p N trong AGNR, c)Pha t¤p B-N trong AGNR, d) Mæ h¼nh thi¸t bà cõa AGNR phat¤p B, N ho°c çng pha t¤p B-N [86] 271.8 a) C§u tróc vòng cõa AGNR thu¦n v  AGNR pha t¤p B ð c¡c vàtr½ kh¡c nhau, b) Phê I-V cõa AGNR thu¦n v  AGNR pha t¤p B

ð và tr½ P4 v  P6 t÷ìng ùng trong h¼nh 1.7 [86] 281.9 a) C§u tróc vòng cõa AGNR thu¦n v  AGNR pha t¤p B-N k¸thñp ð c¡c và tr½ kh¡c nhau, b) Phê I-V cõa AGNR thu¦n v  AGNRpha t¤p B-N ð và tr½ P1 [86] 28

1.10 a) Sì ç c§u tróc nguy¶n tû cõa 8-ZGNR v  4 và tr½ t¤p thay th¸ kh¡c nhau, b) Mæ h¼nh thi¸t bà cõa 8-ZGNR ÷ñc tæi hâa bi¶n

hydro [87] 29

1.11 C§u tróc vòng cõa ZGNR pha t¤p B ð 4 và tr½ kh¡c nhau (a, b, c, d) v  ZGNR thu¦n (e) [87] 29

1.12 C§u tróc vòng cõa ZGNR pha t¤p N ð 4 và tr½ kh¡c nhau (a, b, c, d) v  ZGNR thu¦n (e) [87] 30

1.13 C§u tróc penta-graphene [39] 31

1.14 C¡c c§u tróc penta-graphene nanoribbon [53] 32

1.15 Sì ç vòng h¼nh th nh t¤i ti¸p gi¡p cho mët HEMT 34

1.16 Mæ h¼nh HEMT GaN 35

1.17 Mæ h¼nh transistor hi»u ùng tr÷íng düa tr¶n graphene 36

2.1 Mæ h¼nh pha t¤p i·u bi¸n trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc Al-GaN/GaN 39

2.2 H m sâng (a) v  c¡c th¸ giam c¦m (b) trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN vîi mªt ë 2DEG n s = 5 × 1012 cm−2, mªt ë donor N I = 5 × 1018 cm−3, k½ch th÷îc ph¥n bè t¤p L d = 150  A, kho£ng c¡ch tø 2DEG ¸n t¤p L s = 70 A khi mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc l¦n l÷ñt l  σ/e = 5 × 1012, 1013 v  5 × 1013 cm−2, ÷ñc kþ hi»u t÷ìng ùng a, b v  c ÷íng li·n n²t v  ùt n²t ùng vîi mæ h¼nh r o húu h¤n v  mæ h¼nh r o væ h¤n 51

2.3 H m sâng trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN vîi h m l÷ñng Al trong hñp kimx = 0.3, mªt ë donorN I = 5 × 1018 cm−3, mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc σ/e = 1013 cm−2, k½ch th÷îc ph¥n bè t¤p L d = 150 A v  kho£ng c¡ch tø 2DEG ¸n t¤p Ls = 70 A khi mªt ë 2DEG l¦n l÷ñt l  n s = 1012, 5 × 1012, 1013 cm−2, ÷ñc kþ hi»u t÷ìng ùng a, b v  c ÷íng li·n n²t v  ùt n²t ùng vîi mæ h¼nh r o húu h¤n v  mæ h¼nh r o væ h¤n 52

2.4 H¼nh (a), h m sâng trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaNvîi h m l÷ñng Al trong hñp kim x = 0.3, mªt ë 2DEG n s =

cm−3 khi kho£ng c¡ch tø 2DEG ¸n t¤p l¦n l÷ñt l  L s = 0 A, 70



A v  150 A ÷ñc kþ hi»u t÷ìng ùng a, b v  c ÷íng li·n n²t v 

ùt n²t ùng vîi mæ h¼nh r o húu h¤n v  mæ h¼nh r o væ h¤n 54

3.1 ë linh ëng khi x²t t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim (AD), t¡n x¤nh¡m k¸t hñp (CR) v  têng c¡c t¡n x¤ (Tot) theo mªt ë i»nt½ch ph¥n cüc σ/e trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc pha t¤p i·ubi¸n AlGaN/GaN khi bi¶n ë nh¡m ∆ = 3 A v  ë d i t÷ìng

tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN khi mªt ë 2DEGn s = 5×1012

cm−2, mªt ë donor N I = 5 × 1018 cm−3, k½ch th÷îc ph¥n bè t¤p

c ùng vîi gi¡ trà mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc σ/e = 5 × 1012, 1013,

5 × 1013 cm−2 683.2 ë linh ëng khi x²t t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim (AD), t¡n x¤nh¡m k¸t hñp (CR) v  têng c¡c t¡n x¤ (Tot) theo mªt ë donor

N I trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc pha t¤p i·u bi¸n AlGaN/GaNvîi h m l÷ñng Al x = 0.3, mªt ë 2DEG n s = 5 × 1012 cm−2, k½chth÷îc ph¥n bè t¤p L d= 150 A v  kho£ng c¡ch tø t¤p ¸n 2DEG

L s = 70 A khi bi¶n ë nh¡m ∆ = 3A v  ë d i t÷ìng quanΛ = 70



A ç thà nhä k±m theo mæ t£ h m sâng cõa c§u tróc dà ch§tph¥n cüc AlGaN/GaN khi mªt ë 2DEG n s = 5 × 1012 cm−2, k½chth÷îc ph¥n bè t¤p L d= 150 A v  kho£ng c¡ch tø t¤p ¸n 2DEG

L s = 70 A; a, b, c ùng vîi mªt ë donor NI = 1018, 5 × 1018, 1019

cm−3 70

3.3 ë linh ëng khi x²t t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim (AD), t¡n x¤nh¡m k¸t hñp (CR) v  têng c¡c t¡n x¤ (Tot) trong c§u tróc dàch§t pha t¤p i·u bi¸n AlGaN/GaN theo h m l÷ñng Al x vîi

N I = 4 × 1018cm−3, L d= 150 A v Ls = 70 A Chi·u cao r o V0(x),mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc σ (x), mªt ë 2DEG n s (x), bi¶n ënh¡m ∆ v  ë d i t÷ìng quan Λ thay êi theo x C¡c ch§m tránt÷ìng ùng vîi dú li»u thüc nghi»m ÷ñc o ð 77 K [115] 713.4 ë linh ëng khi x²t t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim (AD), t¡n x¤nh¡m k¸t hñp (CR) v  têng c¡c t¡n x¤ (Tot) vîi mæ h¼nh r ohúu h¤n cho c§u tróc Al0.27Ga0.73N/GaN (c¡c ç thà b¶n tr¡i) v AlN/GaN (ç thà b¶n ph£i) C¡c kþ hi»u vuæng ÷ñc tæ en v c¡c kþ hi»u vuæng trèng l¦n l÷ñt l  dú li»u thüc nghi»m o ð 20

K cho c§u tróc Al0.27Ga0.73N/GaN v  AlN/GaN [144] 72

4.1 a) C§u tróc mët æ cì sð cõa SSPGNR ¢ ÷ñc tæi hâa bi¶n hydro

v  pha t¤p 1 nguy¶n tû (Si, N, P) ð còng và tr½, b) Mæ h¼nh linhki»n cõa SSPGNR thu¦n ho°c pha t¤p (Si, N, P) 764.2 C§u tróc vòng cõa SSPGNR, Si-SSPGNR, N-SSPGNR v  P-SSPGNR 784.3 Mªt ë tr¤ng th¡i v  mªt ë tr¤ng th¡i ri¶ng cõa SSPGNR, Si-SSPGNR, N-SSPGNR v  P-SSPGNR 804.4 ç thà I(V) cõa SSPGNR, Si-SSPGNR, N-SSPGNR v  P-SSPGNR 814.5 Phê truy·n qua T (E) cõa (a) SSPGNR, (b) Si-SSPGNR, (c) N-SSPGNR v  (d) P-SSPGNR 834.6 C§u tróc vòng i»n cüc tr¡i, i»n cüc ph£i v  phê truy·n qua t¤i1.0 V cõa SSPGNR, Si-SSPGNR, N-SSPGNR v  P-SSPGNR 84

4.7 C§u tróc vòng i»n cüc tr¡i, i»n cüc ph£i v  phê truy·n quacõa N-SSPGNR t¤i a) 0.8V v  b) 1.4 V Vòng m u v ng thº hi»nkho£ng i»n th¸ kh£o s¡t c) v  d) Tr¤ng th¡i t¡n x¤ t¤i nhúnggi¡ trà n«ng l÷ñng °c bi»t trong cêng i»n th¸ cho N-SSPGNRvîi isovalue b¬ng 0.2 874.8 C§u tróc vòng i»n cüc tr¡i, i»n cüc ph£i v  phê truy·n qua cõaP-SSPGNR t¤i a) 0.5 V v  b) 0.9 V Vòng m u v ng thº hi»nkho£ng i»n th¸ kh£o s¡t c) v  d) Tr¤ng th¡i t¡n x¤ t¤i nhúnggi¡ trà n«ng l÷ñng °c bi»t trong cêng i»n th¸ cho P-SSPGNRvîi isovalue b¬ng 0.2 88

Danh s¡ch b£ng

1.1 ƒnh h÷ðng cõa t¿ sè c0/a0 ¸n c÷íng ë cõa ph¥n cüc tü ph¡ttrong nitride nhâm III [11] 171.2 H» sè ¡p i»n cõa GaN v  AlN c§u tróc wurtzite ÷ñc dòng trongt½nh to¡n [11] 19

4.1 Nhúng thay êi v· ë d i li¶n k¸t tø c¡c và tr½ ÷ñc pha t¤p ¸ncarbon l¥n cªn Chi·u d i ÷ñc t½nh b¬ng ìn và A 784.2 Gi¡ trà Ip, Iv v  t sè Ip/Iv ð bèn m¨u kh£o s¡t 86

Ph¦n mð ¦u

Trong thíi ¤i ng y nay, cæng ngh» b¡n d¨n l  mët trong nhúng l¾nh vücquan trång v  câ £nh h÷ðng nh§t ¸n sü ph¡t triºn cõa khoa håc - cæng ngh».Cæng ngh» b¡n d¨n l  n·n t£ng cõa x¢ hëi thæng tin, ¢ v  ang thóc ©y x¢hëi lo i ng÷íi ti¸n l¶n vîi nhúng sü thay êi trong s£n xu§t, sinh ho¤t, giao ti¸p

v  thªm ch½ trong c£ suy ngh¾ Trong cæng ngh» b¡n d¨n, vªt li»u b¡n d¨n ângmët vai trá quan trång Transistor ¦u ti¶n ÷ñc ph¡t minh v o n«m 1947 düatr¶n ch§t b¡n d¨n gecmani (Ge) vîi ë rëng vòng c§m ð nhi»t ë pháng l  0.67

eV [1] M¤ch t½ch hñp ¦u ti¶n ra íi v o n«m 1958, m¤ch t½ch hñp khèi xu§thi»n v o n«m 1961 sû döng Ge v  silic (Si) vîi ë rëng vòng c§m ð nhi»t ëpháng 1.12 eV [2] Tø n«m 1965, silic trð th nh vªt li»u ch½nh cho c¡c m¤ch t½chhñp b¡n d¨n Hi»n nay, ph¦n lîn c¡c ng nh cæng nghi»p b¡n d¨n, m¤ch t½ch hñpho°c pin quang i»n v¨n düa tr¶n silic

Silic v  gecmani ÷ñc xem nh÷ c¡c ch§t b¡n d¨n th¸ h» ¦u C¡c ch§tb¡n d¨n th¸ h» thù hai bao gçm gallium arsenide (GaAs, ë rëng vòng c§m ðnhi»t ë pháng l  1.43 eV) v  indium phosphide (InP, ë rëng vòng c§m ð nhi»t

ë pháng l  1.35 eV) ÷ñc giîi thi»u v o nhúng n«m 1970 B¡n d¨n th¸ h» thùhai chõ y¸u ÷ñc ùng döng trong c¡c thi¸t bà tèc ë cao, thi¸t bà n«ng l÷ñng

vi sâng v  m¤ch t½ch hñp Ngo i ë rëng vòng c§m lîn hìn, GaAs câ ë linh

ëng i»n tû cao g§p s¡u l¦n v  vªn tèc træi b¢o háa lîn hìn hai l¦n so vîi silic

Do â, c¡c thi¸t bà sû döng GaAs phò hñp cho c¡c ho¤t ëng t¦n sè cao Ngo i

ra, transistor hi»u ùng tr÷íng düa tr¶n GaAs công câ nhúng ÷u iºm nh÷ ënhi¹u th§p, hi»u su§t cao, Tuy nhi¶n, GaAs câ ë d¨n nhi»t v  hi»u i»n th¸

¡nh thõng k²m hìn so vîi c¡c ch§t b¡n d¨n nh÷ GaN v  SiC, d¨n ¸n h¤n ch¸v· cæng su§t Cæng su§t ¦u ra tèi a cõa transistor hi»u ùng tr÷íng düa tr¶n

GaAs (MESFE) s£n xu§t ¦u thªp ni¶n 1980 l  1.4 W [3] Nhi·u né lüc ¢ ÷ñcthüc hi»n º c£i thi»n hi»u su§t b¬ng c¡c ph÷ìng ph¡p kh¡c nhau nh÷ng sü giat«ng mªt ë cæng su§t cho transistor hi»u ùng tr÷íng GaAs l  khæng ¡ng kº

Cuèi th¸ k XX, c¡c ch§t b¡n d¨n th¸ h» thù ba (ë rëng vòng c§mrëng) nh÷ gallium nitride (GaN, ë rëng vòng c§m ð nhi»t ë pháng l  3.45 eV)

v  silicon carbide (SiC, ë rëng vòng c§m ð nhi»t ë pháng 3.25 eV cho SiC) thº hi»n nhúng t½nh n«ng v÷ñt trëi, thu hót ÷ñc nhi·u sü quan t¥m C¡cb¡n d¨n nitride nhâm III bao gçm gallium nitride (GaN), nhæm nitride (AlN),indium nitride (InN) v  hñp kim cõa chóng GaN v  AlN ·u l  ch§t b¡n d¨n

4H-ë rëng vòng c§m rëng trong khi InN câ 4H-ë rëng vòng c§m t÷ìng èi hµp (∼ 0.7eV) C¡c thi¸t bà i»n tû GaN thành h nh l  transistor ë linh ëng i»n tû cao(HEMT) düa tr¶n c§u tróc dà ch§t GaN (nh÷ AlGaN/GaN ho°c InAlN/GaN)vîi kh½ i»n tû hai chi·u (2DEG) câ ë linh ëng cao v  mªt ë h¤t t£i lîn i·u

n y cho th§y HEMT GaN phò hñp hìn vîi c¡c ùng döng câ cæng su§t v  t¦n

sè cao Ngo i ra, HEMT GaN cán thº hi»n °c t½nh t£n nhi»t tèt khi ÷ñc nuæitr¶n ¸ SiC v  kim c÷ìng Th¶m v o â, HEMT GaN ÷ñc nuæi tr¶n ¸ silic s³

câ chi ph½ th§p Vîi ë rëng vòng c§m bao phõ to n bë vòng kh£ ki¸n, ch§t b¡nd¨n nitride nhâm III ÷ñc ùng döng rëng r¢i trong c¡c thi¸t bà quang i»n tûb÷îc sâng ng­n, cö thº l  diode ph¡t s¡ng m u xanh lam (LED) Sü ph¡t triºnnhanh châng cõa ng nh cæng nghi»p LED xanh düa tr¶n GaN trong nhúng n«m

1990 công thóc ©y nghi¶n cùu v  ph¡t triºn thi¸t bà i»n tû düa tr¶n GaN.Nhi·u nghi¶n cùu v· c¡c thi¸t bà i»n tû nitride nhâm III nh÷ transistor hi»uùng tr÷íng dà ch§t (HFET) ÷ñc thüc hi»n, trong â HFET AlGaN/GaN trðn¶n phê bi¸n nh§t cho c¡c thi¸t bà i»n tû GaN Do sü ph¥n cüc tü ph¡t m¤nh

v  ph¥n cüc ¡p i»n trong AlGaN/GaN v  InAlN/GaN, c§u tróc dà ch§t GaN

câ mªt ë 2DEG cao vîi ë linh ëng cao hìn ¡ng kº so vîi c¡c c§u tróc khèi

Ng y nay, c§u tróc dà ch§t b¡n d¨n ÷ñc sû döng rëng r¢i trong nhi·ul¾nh vüc kh¡c nhau do nhúng lñi th¸ to lîn cõa nâ Cö thº, trong l¾nh vüc vi¹nthæng vîi transistor b¡n d¨n, truy·n h¼nh v» tinh, h» thèng c£nh b¡o, ; l¾nhvüc n«ng l÷ñng vîi pin m°t tríi, diode ph¡t s¡ng, thi¸t bà l÷u trú thæng tin, ;l¾nh vüc y t¸ vîi h» thèng låc n÷îc, h» thèng xû lþ dú li»u, [4, 5, 6, 7, 8].Nhi·u nghi¶n cùu cho th§y, ë d¨n i»n v  t½nh ch§t quang cõa c§u tróc dà ch§t

b¡n d¨n thay êi ¡ng kº so vîi c§u tróc b¡n d¨n khèi v  khi ÷ñc ¡p tr÷íngngo i [9, 10] Hìn núa, c§u tróc dà ch§t b¡n d¨n công câ nhúng °c t½nh nëi t¤i

÷u vi»t Mët trong nhúng °c t½nh â l  sü ph¥n cüc i»n phö thuëc v o h÷îngvªt li»u v  c§u tróc vªt li»u, °c bi»t l  c¡c c§u tróc th§p chi·u [11, 12] V¼ vªy,c§u tróc dà ch§t b¡n d¨n l  mët chõ · h§p d¨n trong nghi¶n cùu vªt li»u hi»n

¤i trong nhúng thªp k qua [13, 14, 15, 16, 17]

Hi»u ùng ph¥n cüc m¤nh tçn t¤i trong nhi·u vªt li»u nh÷ GaN, ZnO,MgO, AlAs, InN, M°c dò ¢ câ mët sè nghi¶n cùu v· £nh h÷ðng cõa hi»uùng ph¥n cüc l¶n c¡c t½nh ch§t i»n cõa c¡c c§u tróc tr¶n [13, 14, 18, 19], nhúngcæng tr¼nh tr¶n th÷íng ÷ñc nghi¶n cùu tr¶n h» pha t¤p khæng çng nh§t v ch÷a x²t ¸n t§t c£ c¡c vai trá cõa i»n t½ch ph¥n cüc °c bi»t, c§u tróc dàch§t b¡n d¨n thº hi»n hi»u ùng giam c¦m ph¥n cüc c¦n ÷ñc nghi¶n cùu mëtc¡ch s¥u rëng Ngo i ra, mèi quan h» giúa hi»u ùng giam c¦m v  °c t½nh vªnchuyºn i»n tû c¦n ÷ñc nghi¶n cùu chi ti¸t hìn

C¡c ch§t b¡n d¨n nitride nhâm III bao gçm GaN, InN, AlN v  c§u tróc

dà ch§t cõa chóng ÷ñc ùng döng rëng r¢i cho c¡c thi¸t bà i»n tû v  quang

i»n tû [20] C¡c c§u tróc n y câ ë rëng vòng c§m tø vòng hçng ngo¤i g¦n(0.7 eV, InN) ¸n ¸n vòng cüc t½m xa (6.2 eV, AlN) [21] °c bi»t, so vîi c¡cch§t b¡n d¨n nhâm III-V v  II-IV thæng th÷íng, sü ph¥n cüc tü ph¡t v  ¡p i»ntrong GaN v  AlN vîi c§u tróc wuztzite lîn hìn kho£ng m÷íi l¦n [11] Do â,GaN, AlGaN/GaN, InGaN/GaN, câ thº ÷ñc ùng döng cho transistor ëlinh ëng i»n tû cao, transistor hi»u ùng tr÷íng c§u tróc dà ch§t

Còng vîi c¡c c§u tróc dà ch§t, c¡c d¤ng thò h¼nh cõa carbon hi»n nay

ang thu hót ÷ñc nhi·u sü quan t¥m Cho ¸n nhúng n«m giúa th¸ k XX,hai d¤ng thò h¼nh phê bi¸n nh§t cõa carbon trong tü nhi¶n l  kim c÷ìng v than ch¼ Than ch¼ ÷ñc ph¡t hi»n ð v÷ìng quèc Anh v o kho£ng n«m 1500 sauCæng nguy¶n, l  mët vªt li»u bao gçm nhi·u lîp nguy¶n tû carbon hai chi·u(2D) ÷ñc s­p x¸p trong mët m¤ng löc gi¡c Do ch¿ câ 2 trong 3 orbitan p t¤oli¶n k¸t v  câ mët quÿ ¤o khæng gh²p æi, quÿ ¤o pz Do â, than ch¼ l  mëtch§t d¨n i»n tèt C§u tróc 2D cõa than ch¼ gåi l  graphene l¦n ¦u ÷ñc tênghñp tr¶n b· m°t kim lo¤i v o n«m 1970 B¬ng sü ph¥n t¡ch pha tinh thº nikenpha t¤p carbon, Eizenberg v  Blakely câ thº t¤o c¡c lîp than ch¼ ìn [22] D¤ng

thò h¼nh ti¸p theo cõa carbon l  Buckminster Fullerenes ÷ñc ph¡t hi»n v on«m 1984 bði Richard Smalley v  cëng sü [23] Ti¸p theo, èng nano carbon mëtchi·u ÷ñc Iijima ph¡t hi»n ¦u n«m 1990 [24] °c iºm chung cõa than ch¼,fullerene v  èng nano carbon l  sü s­p x¸p theo d¤ng löc gi¡c cõa c¡c nguy¶n

tû carbon Tø mët lîp nguy¶n tû carbon li¶n k¸t theo h¼nh löc gi¡c, ng÷íi ta câthº thu ÷ñc mët trong ba d¤ng thò h¼nh n y: x¸p chçng l¶n nhau º t¤o thanch¼, cuën th nh èng º t¤o th nh èng nano carbon ìn th nh ho°c a th nhhay uèn th nh mët qu£ bâng º t¤o mët fullerene

Nghi¶n cùu chuy¶n s¥u v· graphene, mët vªt li»u hai chi·u (2D) bao gçmc¡c nguy¶n tû carbon trong m¤ng löc gi¡c tu¦n ho n b­t ¦u tø n«m 2004 [25]

°c t½nh ¡ng chó þ nh§t cõa graphene, ¥y l  lo¤i tinh thº mäng nh§t ÷ñcbi¸t vîi ë cùng cüc lîn, ë  n hçi v  ë d¨n nhi»t v÷ñt trëi Vîi c§u tróchai chi·u v  di»n t½ch b· m°t lîn kho£ng 2675 m2/g, graphene thº hi»n mët sèt½nh ch§t vªt lþ ëc ¡o Khæng gièng nh÷ tinh thº ba chi·u, t§t c£ c¡c nguy¶n

tû trong graphene l  c¡c nguy¶n tû b· m°t, tùc l  chóng câ thº tham gia v oc¡c ph£n ùng hâa håc v  c¡c t÷ìng t¡c kh¡c nhau i·u n y t¤o triºn vånglîn cho vi»c thay êi c¡c °c t½nh cõa graphene Trong nhi·u n«m qua, nhi·unghi¶n cùu lþ thuy¸t v  thüc nghi»m cho graphene ¢ ÷ñc thüc hi»n Cö thº,vi»c têng hñp graphene ìn lîp, a lîp hay graphene nanoribbon tr¶n ¸ kimlo¤i ¢ ÷ñc thüc hi»n [26, 27, 28] C¡c t½nh ch§t i»n tû, hâa håc, tø t½nh v 

i»n hâa cõa graphene công ÷ñc xem x²t [29, 30, 31] Ngo i ra, vªt li»u düatr¶n graphene º chuyºn êi n«ng l÷ñng m°t tríi, quang xóc t¡c, i»n cüc pinlithium, i»n tû l÷ñng tû công nh÷ c¡c c£m bi¸n i»n hâa v  sinh håc ¢ ÷ñcph¥n t½ch [32, 33, 34]

M°c dò graphene câ c¡c t½nh ch§t vªt lþ v  hâa håc tuy»t víi, tuy nhi¶ngraphene l  mët vªt li»u khæng câ vòng c§m, g¥y khâ kh«n cho vi»c ùng dönggraphene trong transistor hi»u ùng tr÷íng v  c¡c thi¸t bà i»n tû kh¡c º gi£iquy¸t v§n · n y, c¡c vªt li»u hai chi·u kh¡c nhau nh÷ TMDs (transition metaldichalcogenides), GY (graphyne), GDY (graphdiyne), ¢ v  ang ÷ñc ph¡ttriºn Nhúng vªt li»u n y câ ë rëng vòng c§m linh ho¤t công nh÷ mët sè t½nhch§t vªt lþ, hâa håc câ thº ùng döng cho thi¸t bà i»n tû, cæng ngh» hâa håc,cæng ngh» y sinh, [35, 36, 37, 38]

N«m 2015, mët d¤ng thò h¼nh mîi cõa carbon ÷ñc dü o¡n bði Zhang

v  cëng sü, gåi l  penta-graphene Penta-graphene (PG) thº hi»n sü ên ành cìhåc v  ëng håc ngay c£ khi nhi»t ë ¤t 1000 K Th¶m v o â, penta-graphenehai chi·u câ ë rëng vòng c§m trüc ti¸p kho£ng 3.25 eV, cao hìn so vîi c¡c d¤ngthò h¼nh kh¡c cõa carbon [39] Penta-graphene thº hi»n nhi·u t½nh ch§t i»n,nhi»t v  quang ëc ¡o [40, 41] Nghi¶n cùu v· penta-graphene công cho th§yhydro hâa câ thº l m t«ng ë d¨n nhi»t cõa PG Vi»c pha t¤p Si, Ge v  Sn câthº l m gi£m ë rëng vòng c§m cõa PG [42], trong khi PG ÷ñc pha t¤p kimlo¤i chuyºn ti¸p câ thº l m t«ng ho°c gi£m ë rëng vòng c§m çng thíi t«ngc÷íng ¡ng kº sü h§p phö hydro [43] Vîi t l» b· m°t v  ë rëng vòng c§mlîn, PG câ lñi cho sü h§p phö cõa c¡c ph¥n tû kh½ [44] Do nhúng °c t½nh vªt

lþ v  hâa håc v÷ñt trëi, thíi gian g¦n ¥y PG ¢ ÷ñc nghi¶n cùu thæng quac¡c t½nh to¡n lþ thuy¸t v  cho th§y chóng câ ti·m n«ng to lîn º ¡p döng trongl¾nh vüc i»n tû nano, cì håc nano v  ch§t xóc t¡c [45, 46]

Tø penta-graphene, ng÷íi ta câ thº t¤o th nh bèn lo¤i penta-graphenenanoribbon (PGNR) vîi d¤ng bi¶n kh¡c nhau Kh£o s¡t °c t½nh i»n tû cõabèn lo¤i PGNR cho th§y, c¡c c§u tróc thº hi»n °c t½nh b¡n d¨n ho°c kim lo¤i.Mët sè cæng tr¼nh ¢ thüc hi»n tªp trung nghi¶n cùu t½nh ch§t i»n tû cõa c¡cc§u tróc PGNR thu¦n, c§u tróc PGNR ÷ñc tæi hâa bi¶n b¬ng c¡c nguy¶n tûkh¡c nhau ho°c nghi¶n cùu tø t½nh cõa c¡c d¤ng PGNR

Düa v o ë d¨n i»n, ng÷íi ta câ thº chia vªt li»u th nh ba lo¤i cì b£n:ch§t d¨n i»n, ch§t b¡n d¨n v  ch§t c¡ch i»n Khi kh£o s¡t °c t½nh cõa vªt li»u,

sü d¨n i»n hay rëng hìn l  °c t½nh vªn chuyºn i»n tû l  mët trong nhúng v§n

· quan trång c¦n ÷ñc xem x²t Lþ thuy¸t vªn chuyºn i»n tû th÷íng ÷ñc x¥ydüng tø hai quan iºm l  düa tr¶n hi»n t÷ñng khuy¸ch t¡n ho°c düa tr¶n hi»nt÷ñng ¤n ¤o Ð quan iºm ¦u, dáng i»n ÷ñc t¤o ra khi vªt li»u ÷ñc ¡ptr÷íng, ngh¾a l  tr÷íng s³ g¥y ra dáng t÷ìng ùng Trong khi â, ð mæ h¼nh cánl¤i cho th§y i»n ¡p h¼nh th nh t÷ìng ùng dáng, do â thæng l÷ñng i»n tr÷íng

÷ñc x¡c ành bði c¡c i·u ki»n bi¶n cõa b· m°t m¨u kh£o s¡t, dáng i»n s³ t¤o

ra mët i»n tr÷íng khæng çng nh§t trong h» èi vîi c¡c h» theo quan iºm

¦u l§y lþ thuy¸t Drude, h¼nh thùc luªn Kubo v  ph÷ìng tr¼nh Boltzmann l mn·n t£ng C¡c h» trong mæ h¼nh cán l¤i düa tr¶n lþ thuy¸t vªn chuyºn Landauer

Trong mæ h¼nh Drude, c¡c i»n tû khæng t÷ìng t¡c vîi c¡c i»n tû kh¡cho°c vîi m¤ng tinh thº, gi£ thi¸t n y phò hñp vîi ph¦n lîn kim lo¤i Mæ h¼nhDrude công cho r¬ng c¡c i»n tû câ thº câ vªn tèc b§t ký, do â câ thº câ n«ngl÷ñng b§t ký i·u n y khæng phò hñp vîi quan iºm l÷ñng tû khi n«ng l÷ñng

câ c¡c gi¡ trà x¡c ành v  gi¡n o¤n Công theo mæ h¼nh n y, t§t c£ c¡c i»n

tû câ trong vªt d¨n ·u âng gâp v o sü d¨n i»n nh÷ng thüc t¸ ch¿ câ mët sè

i»n tû ð c¡c lîp vä i»n tû tham gia v o sü d¨n i»n Ngo i ra, theo mæ h¼nhtr¶n, kh½ i»n tû tu¥n theo ph¥n bè thèng k¶ Maxwell  Boltzmann t÷ìng ùngnh÷ kh½ lþ t÷ðng, trong khi â vîi mæ h¼nh thüc i»n tû câ t÷ìng t¡c v  tu¥ntheo ph¥n bè Fermi  Dirac

Trong mæ h¼nh Drude, c¡c i»n tû træi dåc theo ÷íng sùc vîi vªn tèctræi húu h¤n v  i»n tû bà tên hao xung l÷ñng do va ch¤m vîi t¤p ch§t, sai hängm¤ng, dao ëng m¤ng, Kho£ng c¡ch v  thíi gian trung b¼nh giúa c¡c l¦n vach¤m ÷ñc gåi l  qu¢ng ÷íng tü do trung b¼nh v  thíi gian tü do trung b¼nhcõa c¡c i»n tû ë d¨n hay h» sè t l» ch½nh ÷ñc x¡c ành bði cæng thùc:

2 τ m

vîi n l  sè i»n tû trong mët ìn và thº t½ch, e l  i»n t½ch cõa electron, τ l thíi gian hçi phöc v  m l  khèi l÷ñng electron

Theo mæ h¼nh Drude, khi nhi»t ë t«ng, c¡c nguy¶n tû trong vªt d¨nchuyºn ëng m¤nh hìn, l m gi£mτ, k¸t qu£ l  theo cæng thùc tr¶n ë d¨n gi£m

v  i»n trð t«ng Vi»c t«ng dáng qua vªt d¨n công l m t«ng sè va ch¤m b¶ntrong vªt d¨n, do â nhi»t ë vªt d¨n t«ng Vîi mæ h¼nh n y, ÷íng °c tr÷ngdáng  i»n ¡p khæng tuy¸n t½nh iºm h¤n ch¸ cõa mæ h¼nh Drude l  khænggi£i th½ch ÷ñc i»n trð Hall cõa kim lo¤i phö thuëc v o tø tr÷íng

Lþ thuy¸t Sommerfeld mæ t£ t½nh ch§t l÷ñng tû cho i»n tû d¨n, vîi gi£thi¸t c¡c i»n tû d¨n khæng t÷ìng t¡c hay kh½ i»n tû tü do tu¥n theo ph¥n bèFermi  Dirac Lþ thuy¸t Sommerfeld x¡c ành sè i»n tû Fermi cõa kim lo¤i v cho th§y, ë d¨n khæng ch¿ phö thuëc v o sè i»n tû câ trong vªt d¨n m  cánphö thuëc v o c¡c y¸u tè kh¡c V¼ vªy, mæ h¼nh i»n tû g¦n tü do vîi c¡c cì ch¸t¡n x¤ £nh h÷ðng ¸n ë d¨n c¦n ÷ñc xem x²t

Trong mæ h¼nh i»n tû g¦n tü do, c¡c i»n tû d¨n ð trong mët tr÷íngth¸ tu¦n ho n H m sâng cõa i»n tû trong m¤ng tinh thº câ d¤ng tu¦n ho n

v  l  chçng chªp tuy¸n t½nh cõa c¡c sâng ph¯ng Vªy, mët tinh thº lþ t÷ðng vîitr÷íng th¸ tu¦n ho n lþ t÷ðng s³ khæng g¥y c£n trð dáng i»n hay khæng câ

i»n trð Ng÷ñc l¤i, mët tinh thº bà nhi¹u lo¤n t½nh tu¦n ho n g¥y ra t¡n x¤

i»n tû d¨n s³ g¥y ra i»n trð Cö thº, c¡c sai häng tinh thº nh÷ khuy¸t, trèng

i»n tû, sü câ m°t cõa c¡c nguy¶n tû t¤p, hay c¡c dao ëng m¤ng tinh thº

l m nguy¶n tû x¶ dàch khäi và tr½ c¥n b¬ng v  ph¡ vï t½nh tu¦n ho n l  hai trongnhúng nguçn iºn h¼nh g¥y ra t¡n x¤ cho i»n tû d¨n Trong mæ h¼nh i»n tûg¦n tü do, ng÷íi ta sû döng kh¡i ni»m khèi l÷ñng hi»u döng l  khèi l÷ñng cõa

i»n tû xu§t hi»n khi câ t¡c döng cõa tr÷íng ngo i Sü vªn chuyºn i»n tû chàu

£nh h÷ðng cõa khèi l÷ñng hi»u döng v  tr÷íng ngo i N¸u ë linh ëng c ngcao, i»n tû d¨n li¶n k¸t vîi tr÷íng tinh thº c ng y¸u, i»n tû chuyºn ëng c ngnhanh ¥y l  cì sð º t¤o ra c¡c linh ki»n hay m¤ch i»n tû tèc ë cao v  r§tcao: chuyºn tr¤ng th¡i nhanh v  si¶u nhanh

º n¥ng cao tèc ë xû lþ cõa linh ki»n, ta c¦n t«ng ë linh ëng cõah¤t t£i v  gi£m kho£ng c¡ch truy·n dáng i»n Do i»n tû di chuyºn quanh c¡cm¤ch i»n vîi vªn tèc træi kho£ng 105 m/s, vîi thíi gian truy·n i»n tû 0.1 nskhi dàch chuyºn giúa hai transistor g¦n nhau nh§t kho£ng 1 µm, dáng s³ bà h¤nch¸ khi xû lþ vîi tèc ë kho£ng 10 GHz

Qu¢ng ÷íng hi»u döng cõa dáng i»n trong mët transistor ÷ñc °ctr÷ng b¬ng chi·u d i k¶nh L ð ph½a d÷îi cüc cêng, thæng th÷íng gi¡ trà n ykho£ng 180 nm So vîi c¡c thæng sè °c tr÷ng cõa i»n tû: qu¢ng ÷íng tü dotrung b¼nh (l), ë d i k¸t hñp pha (lco), câ thº mæ t£ dáng nh÷ l  sü khuy¸cht¡n thæng qua ph÷ìng tr¼nh chuyºn ëng Boltzman Khi k½ch th÷îc linh ki»n

c ng nhä sao cho sü vªn chuyºn i»n tû khæng lîn hìn chi·u d i khu¸ch t¡n(kho£ng v i chöc nm), i»n tû s³ vªn chuyºn kiºu ¤n ¤o, ë d i k¸t hñp phat«ng l¶n Khi â, khæng thº ¡p döng ÷ñc ph÷ìng tr¼nh chuyºn ëng Boltzman,

m  ÷ñc mæ t£ qua cæng thùc Landauer-Buttiker, trong â kh£o s¡t sü d¨n i»ncõa c¡c i»n tû b¬ng x¡c su§t truy·n qua l÷ñng tû Ð chi·u d i k¶nh kho£ng

v i chöc nano m²t, °c tr÷ng I(V) cõa linh ki»n r§t phùc t¤p do sü k¸t hñp phacõa i»n tû g¥y n¶n c¡c hi»u ùng giao thoa l÷ñng tû v  sü th«ng gi¡ng ë d¨n,

c¡c hi»u ùng i»n dung g¥y n¶n hi»n t÷ñng ch­n Coulomb Ð chi·u d i k¶nh nâitr¶n, c¡c h¤t t£i s³ di chuyºn vîi vªn tèc ¤n ¤o kho£ng 1.4 × 106 m/s

V¼ vªy, khi nghi¶n cùu t½nh ch§t i»n cõa vªt li»u, ë d¨n, ë linh ëng v 

°c tr÷ng dáng  i»n ¡p l  nhúng °c t½nh câ mèi li¶n h» ch°t ch³ v  c¦n ÷ñckh£o s¡t º ho n thi»n nghi¶n cùu v  ÷a v o ùng döng [47, 48, 49, 50, 51, 52]

Tø nhúng ph¥n t½ch tr¶n cho th§y, £nh h÷ðng cõa hi»u ùng ph¥n cüc ¸n

sü vªn chuyºn i»n tû trong c¡c h» th§p chi·u, cö thº l  h» hai chi·u, c¦n ÷ñcnghi¶n cùu chi ti¸t Ngo i ra, hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû cõa vªt li»u mîidüa tr¶n graphene cö thº l  penta-graphene nanoribbon c¦n ÷ñc kh£o s¡t mëtc¡ch ¦y õ hìn V¼ vªy, c¡c v§n · nh÷ c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc, t½nh ch§t

i»n tû trong h» th§p chi·u câ xem x²t £nh h÷ðng cõa i»n t½ch ph¥n cüc, °ct½nh c§u tróc v  t½nh ch§t vªn chuyºn i»n tû trong penta-graphene nanoribbons³ ÷ñc tr¼nh b y trong luªn ¡n n y

º gi£i quy¸t c¡c v§n · °t ra, nhúng nëi dung nghi¶n cùu sau s³ ÷ñcthüc hi»n:

1 Têng quan v· vªt li»u nghi¶n cùu

C§u tróc dà ch§t ph¥n cüc

C¡c tinh thº b¡n d¨n câ hai hay nhi·u lo¤i nguy¶n tû khæng èi xùngt¥m thº hi»n hai c¡ch s­p x¸p kh¡c nhau cõa c¡c lîp nguy¶n tû ð hai h÷îngng÷ñc nhau, song song vîi tröc tinh thº H» qu£ l  xu§t hi»n sü ph¥n cüc tinhthº dåc theo c¡c h÷îng n y V½ dö nh÷ vîi ch§t b¡n d¨n hai lo¤i nguy¶n tû câc§u tróc wurtzite, sü s­p x¸p cõa c¡c lîp nguy¶n tû cõa nguy¶n tû A v  nguy¶n

tû B ng÷ñc nhau dåc theo h÷îng [0001] v  [000 1] vîi hai m°t A v  B t÷ìngùng (0001) v  (000 1) Trong tr÷íng hñp nuæi theo kÿ thuªt epitaxy cõa vªt li»ukhæng èi xùng t¥m, ë ph¥n cüc th÷íng ÷ñc x¡c ành thæng qua thüc nghi»m.Ngo i ra, t½nh ch§t ph¥n cüc thº hi»n kh¡c nhau khi m¨u ÷ñc nuæi theo c¡ch÷îng kh¡c nhau T½nh ch§t ph¥n cüc công phö thuëc v o ¸ nuæi v  nhi·u y¸u

tè kh¡c Khi nuæi c§u tróc dà ch§t, t¤i ti¸p gi¡p dà ch§t câ sü gi¡n o¤n vectorph¥n cüc d¨n ¸n sü h¼nh th nh i»n t½ch ph¥n cüc Sü h¼nh th nh i»n t½chph¥n cüc n y phö thuëc v o nhi·u y¸u tè kh¡c nhau cõa m¨u nuæi

Hi»n t÷ñng ph¥n cüc th÷íng ÷ñc chia th nh hai lo¤i l  ph¥n cüc tü ph¡t(spontaneous) v  ph¥n cüc ¡p i»n (piezoelectric) C¡c ¤i l÷ñng li¶n quan ¸nhi»u ùng ph¥n cüc th÷íng câ quy luªt tuy¸n t½nh theo ành luªt Vegard [11].Tuy nhi¶n, ch½nh x¡c hìn, chóng ph£i câ °c t½nh phi tuy¸n g¥y ra bði c¡c hi»uùng bi¸n d¤ng do câ sü thay êi chi·u d i li¶n k¸t cation-anion v  hi»u ùng b§ttrªt tü do sü ph¥n bè ng¨u nhi¶n cõa c¡c nguy¶n tè tr¶n m°t cation V¼ th¸, c¦nph£i nghi¶n cùu chi ti¸t cho tøng tr÷íng hñp Hi»n t÷ñng ph¥n cüc ¡p i»n l¤ili¶n quan ¸n sü bi¸n d¤ng v  t½nh  n hçi cõa h» Cho n¶n, khi x¡c ành hi»uùng ph¥n cüc ¡p i»n, c¦n nghi¶n cùu sü bi¸n d¤ng v  t½nh ch§t  n hçi cõac§u tróc Hi»n t÷ñng ph¥n cüc trong c¡c c§u tróc b¡n d¨n ph¥n cüc r§t ÷ñcquan t¥m nghi¶n cùu hi»n nay v¼ nâ câ vai trá quan trång, £nh h÷ðng lîn ¸nc¡c t½nh ch§t vªt lþ, °c bi»t l  t½nh ch§t i»n v  t½nh ch§t quang cõa vªt li»u

câ c§u tróc th§p chi·u [13, 14, 18, 19]

Penta-graphene v  penta-graphene nanoribbon

Kh¡c vîi c§u tróc graphene khæng câ ë rëng vòng c§m, penta-graphene

câ ë rëng vòng c§m kho£ng 3.25 eV n¶n câ thº ùng döng trong l¾nh vüc quang

i»n tû [39] °c bi»t, ë rëng vòng c§m cõa penta-graphene câ thº thay êi

÷ñc b¬ng c¡ch pha t¤p, tæi hâa bi¶n, ¡p tr÷íng, [42, 53] Khi c­t graphene theo nhúng h÷îng tinh thº kh¡c nhau, ta s³ thu ÷ñc nhúng d¤ngkh¡c nhau cõa mët lo¤i vªt li»u mîi th§p chi·u hìn câ nhi·u t½nh ch§t thó và,

penta-÷ñc gåi l  penta-graphene nanoribbon Méi d¤ng penta-graphene nanoribbon

câ c§u tróc v  °c t½nh ri¶ng bi»t B¶n c¤nh â, c§u tróc v  t½nh ch§t cõa chóngs³ thay êi khi bà bi¸n d¤ng, pha t¤p, ¡p tr÷íng, [54] Sü a d¤ng v· c§u tróc

v  t½nh ch§t k¸t hñp vîi nhúng °c t½nh ÷u vi»t vèn câ cõa hå graphene l m chopenta-graphene nanoribbon trð th nh mët trong nhúng ùng vi¶n ¦y hùa hµntrong l¾nh vüc quang i»n tû 2 Nghi¶n cùu hi»n t÷ñng giam c¦m i»n tûtrong c¡c c§u tróc th§p chi·u (low-dimensional)

Khi gi£m k½ch th÷îc cõa h» nghi¶n cùu ¸n mët giîi h¤n n o â, haythüc hi»n giam c¦m h» i»n tû bði c¡c th¸ giam c¦m, h» s³ thº hi»n hi»u ùngth§p chi·u Lóc n y, h» bà l÷ñng tû hâa theo ph÷ìng giam c¦m Hai ¤i l÷ñngthº hi»n rã nh§t hi»u ùng giam c¦m n y l  quy luªt t¡n s­c i»n tû v  mªt ëtr¤ng th¡i

câ °c t½nh khæng chi·u (gi£ khæng chi·u).

T½nh ch§t i»n tû giam c¦m bà chi phèi bði c¡c th¸ giam c¦m C¡c th¸giam c¦m n y gçm câ th¸ giam c¦m cì b£n v  c¡c th¸ bê sung Th¸ giam c¦m

cì b£n th÷íng t¤o ra bði t½nh dà ch§t cõa h» vªt li»u, do sü l»ch v· gi£n çvòng giúa hai lîp vªt li»u Ngo i ra, i»n tû cán chàu c¡c th¸ giam c¦m bê sung.Mët trong c¡c th¸ giam c¦m bê sung quan trång l  giam c¦m bði hi»n t÷ñngph¥n cüc tçn t¤i trong c¡c vªt li»u ph¥n cüc V¼ th¸, khi nghi¶n cùu c¡c vªt li»uph¥n cüc th¼ th¸ giam c¦m ph¥n cüc c¦n ph£i ÷ñc nghi¶n cùu kÿ l÷ïng Nhi·unghi¶n cùu tr÷îc ¥y ½t quan t¥m ¸n th¸ giam c¦m n y n¶n khâ gi£i th½ch mët

sè k¸t qu£ th½ nghi»m

Nghi¶n cùu hi»n t÷ñng giam c¦m i»n tû l  gi£i b i to¡n t¼m tr¤ng th¡icõa h» i»n tû n y, cì b£n l  gi£i ph÷ìng tr¼nh Schrodinger v  ph÷ìng tr¼nhPoisson vîi c¡c th¸ giam c¦m kh¡c nhau º thu ÷ñc n«ng l÷ñng v  tr¤ng th¡i(h m sâng) cõa h» Câ nhi·u ph÷ìng ph¡p º gi£i b i to¡n n y Trong â, ph÷ìngph¡p sè v  ph÷ìng ph¡p bi¸n ph¥n l  hai trong nhúng ph÷ìng ph¡p hi»u qu£th÷íng ÷ñc sû döng

Sau khi thu ÷ñc h m sâng °c tr÷ng cho c¡c tr¤ng th¡i kh¡c nhau cõah», ph¥n bè i»n tû trong h» s³ ÷ñc x¡c ành Ph¥n bè i»n tû trong h» vªtli»u ph¥n cüc ÷ñc ghi nhªn l  câ sü kh¡c bi»t lîn so vîi vªt li»u khæng ph¥ncüc

3 Nghi¶n cùu hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c§u trócth§p chi·u

Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c¡c c§u tróc th§p chi·u th÷íng thºhi»n ð hai ph÷ìng thùc l  vªn chuyºn khu¸ch t¡n v  vªn chuyºn ¤n ¤o Hi»nt÷ñng n y phö thuëc v o qu¢ng ÷íng tü do trung b¼nh cõa i»n tû so vîi chi·u

d i °c tr÷ng cõa h» nghi¶n cùu Vîi h» hai chi·u v  h» mët chi·u, ph÷ìng thùcvªn chuyºn khu¸ch t¡n v¨n âng vai trá chõ ¤o

Gi£i ch½nh x¡c b i to¡n vªn chuyºn i»n tû trong h» vªt li»u b§t trªt

tü l  v§n · phùc t¤p Thæng th÷íng, b i to¡n n y s³ ÷ñc gi£i b¬ng lþ thuy¸tnhi·u h¤t (many body theory) v  lþ thuy¸t th§m (percolation theory) V§n ·

n y cán câ thº ÷ñc gi£i quy¸t ìn gi£n hìn l  sû döng g¦n óng ìn h¤t, hi»uùng nhi·u h¤t ÷ñc thº hi»n bði hi»n t÷ñng ch­n

Hi»n t÷ñng vªn chuyºn khu¸ch t¡n ÷ñc °c tr÷ng bði thíi gian hçi phöcxung l÷ñng ¤i l÷ñng n y l  k¸t qu£ cõa vi»c gi£i ph÷ìng tr¼nh vªn chuyºnBotlzmann trong g¦n óng thíi gian hçi phöc ë linh ëng li¶n h» vîi thíigian hçi phöc xung l÷ñng theo cæng thùc Drude quen thuëc [55]:

- H m i»n mæi °c tr÷ng cho hi»u ùng ch­n

Méi cì ch¸ t¡n x¤ ÷ñc °c tr÷ng bði mët h m tü t÷ìng quan, b£n ch§tcõa c¡c h m tü t÷ìng quan l  khai triºn Fourier cõa th¸ t¡n x¤ C¡c cì ch¸ t¡nx¤ truy·n thèng th÷íng tçn t¤i trong c¡c h» dà ch§t l :

- T¡n x¤ phonon ¥m

- T¡n x¤ phonon quang

- T¡n x¤ bði t¤p ion

÷ñc quan t¥m nghi¶n cùu º l m rã hi»n t÷ñng ph¥n cüc g¥y ra t¡n x¤ bê sung

£nh h÷ðng ¸n ë linh ëng cõa h» nh÷ th¸ n o

4 Nghi¶n cùu hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong h» vªt li»uAlGaN/GaN v  penta-graphene nanoribbon d¤ng bi¶n r«ng c÷a

Hi»n nay, nhi·u d¤ng vªt li»u b¡n d¨n ph¥n cüc ¢ ÷ñc nuæi th nh cæng[12] C¡c tham sè °c tr÷ng cho c¡c h» nghi¶n cùu th÷íng l  c¡c tham sè °ctr÷ng cho k½ch th÷îc m¨u, c§u h¼nh t¤p, c¡c tham sè li¶n quan ¸n th nh ph¦ncõa nguy¶n tè t¤o n¶n hñp kim, c¡c tham sè nh¡m bði h» dà ch§t v  nhi»t ë.C¡c tham sè n y £nh h÷ðng çng thíi v o t½nh ch§t vªn chuyºn i»n tû cõa h»[20, 21] V¼ th¸, vîi c¡c h» vªt li»u thüc c¦n x¡c ành ch½nh x¡c sü £nh h÷ðng cõac¡c tham sè n y Luªn ¡n n y công s³ xem x²t chi ti¸t £nh h÷ðng cõa c¡c tham

sè ¸n sü ph¥n bè kh½ i»n tû v  ë linh ëng trong h» vªt li»u AlGaN/GaN

Nh÷ ¢ tr¼nh b y, hi»n nay, penta-graphene l  mët trong nhúng d¤ng vªtli»u mîi ang ÷ñc quan t¥m nghi¶n cùu º ph¡t triºn ùng döng cho l¾nh vücquang i»n tû do mët sè °c t½nh v÷ñt trëi hìn graphene T÷ìng tü graphene,ng÷íi ta ¢ t¤o ÷ñc bèn lo¤i nanoribbon vîi d¤ng bi¶n kh¡c nhau tø c§u trócpenta-graphene hai chi·u C¡c nanoribbon ÷ñc t¤o th nh câ sü ph¥n bè l¤i i»n

tû trong c§u tróc, do â công ÷ñc xem nh÷ mët d¤ng "vªt li»u ph¥n cüc mîi".C¡c nghi¶n cùu v· °c t½nh i»n tû cõa c¡c c§u tróc penta-graphene nanoribbonthu¦n b÷îc ¦u ¢ ÷ñc thüc hi»n K¸t qu£ cho th§y, penta-graphene nanoribbond¤ng bi¶n r«ng c÷a b·n nh§t v  thº hi»n °c t½nh b¡n d¨n, trong khi c¡c c§utróc cán l¤i thº hi»n °c t½nh kim lo¤i M°c dò, vi»c kh£o s¡t °c t½nh c§u tróccõa penta-graphene nanoribbon khi thay êi tæi hâa bi¶n, ¡p tr÷íng, ¢ ÷ñckh£o s¡t Tuy nhi¶n, vi»c xem x²t °c t½nh i»n tû cõa c¡c c§u tróc tr¶n, theol÷ñc kh£o cõa chóng tæi, v¨n cán r§t h¤n ch¸ Th¶m v o â, sü thay êi °c

t½nh vªn chuyºn trong c¡c c§u tróc penta-graphene nanoribbon pha t¤p g¦n nh÷ch÷a ÷ñc thüc hi»n V¼ vªy, kh£o s¡t °c t½nh i»n tû nh÷ c§u tróc vòng, mªt

ë tr¤ng th¡i, mªt ë tr¤ng th¡i ri¶ng v  kh£o s¡t °c t½nh vªn chuyºn i»n tûnh÷ °c tr÷ng I(V), phê truy·n qua cõa penta-graphene nanoribbon d¤ng bi¶nr«ng c÷a thu¦n v  pha t¤p s³ thüc hi»n trong luªn ¡n n y

Möc ½ch nghi¶n cùu

Nghi¶n cùu hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c¡c c§u tróc nano b¡nd¨n düa tr¶n c¡c vªt li»u AlGaN/GaN v  penta-graphene nanoribbon

èi t÷ñng nghi¶n cùu

T½nh ch§t i»n tû v  hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c¡c h» vªt li»uAlGaN/GaN v  penta-graphene nanoribbon

Nëi dung nghi¶n cùu

- Têng quan v· vªt li»u AlGaN/GaN v  penta-graphene

- Hi»n t÷ñng giam c¦m i»n tû trong c¡c c§u tróc nano b¡n d¨n

- Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c¡c c§u tróc nano b¡n d¨n GaN/GaN v  penta-graphene nanoribbon d¤ng bi¶n r«ng c÷a

- Sû döng lþ thuy¸t phi¸m h m mªt ë k¸t hñp h m Green khæng c¥nb¬ng º kh£o s¡t °c t½nh i»n tû (c§u tróc vòng, mªt ë tr¤ng th¡i, ) v t½nh ch§t vªn chuyºn i»n tû (°c tr÷ng I(V), phê T(E), ) trong h» vªt li»upenta-graphene nanoribbon

- Sû döng ph¦n m·m Origin º xû lþ sè li»u

Ch÷ìng 1: Têng quan v· vªt li»u nghi¶n cùu.

Ch÷ìng 2: Ph¥n bè i»n tû trong c§u tróc AlGaN/GaN

Ch÷ìng 3: Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c§u tróc AlGaN/GaN.Ch÷ìng 4: Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong penta - graphene nanorib-bon d¤ng bi¶n r«ng c÷a pha t¤p

Ph¦n k¸t luªn: Tâm t­t nhúng âng gâp cõa luªn ¡n v  n¶u triºn vångnghi¶n cùu ti¸p theo

Nëi döng ch½nh cõa luªn ¡n thº hi»n ð cæng bè 1, 2 v  3 Cö thº, ch÷ìng

2 ÷ñc tr¼nh b y theo nëi dung cæng bè 1, ch÷ìng 3 ÷ñc tr¼nh b y theo nëidung cæng bè 2 v  ch÷ìng 4 ÷ñc tr¼nh b y theo nëi dung cæng bè 3

Chóng ta bi¸t r¬ng, c¡c tinh thº vîi c¡c h¬ng sè m¤ng kh¡c nhau ÷ñcnuæi tr¶n ¿nh cõa tinh thº kh¡c bði kÿ thuªt epitaxy bà £nh h÷ðng bði c¡c saihäng b· m°t ÷ñc gåi l  sü khæng khîp m¤ng C¡c sai häng n y s³ b¨y c¡c i»n

tû v  lé trèng V¼ th¸, chóng khæng phò hñp cho vi»c ph¡t triºn linh ki»n i»n

i»n v  quang quan trång, ch¯ng h¤n nh÷ sü giam c¦m h¤t t£i (do sü b§t li¶ntöc cõa vòng d¨n hay vòng hâa trà) hay sü giam c¦m bùc x¤ (do sü b§t li¶n töcvòng c§m).

C§u tróc dà ch§t bà l»ch m¤ng nhä (kho£ng 1%) d¨n ¸n c§u tróc bà d¢nhay n²n Trong tr÷íng hñp n y, chóng ÷ñc gåi l  c§u tróc dà ch§t gi£ çng h¼nhhay c§u tróc dà ch§t bi¸n d¤ng N¸u sü bi¸n d¤ng cõa c§u tróc dà ch§t l  nhä th¼

câ thº thuªn lñi trong vi»c ph¡t triºn linh ki»n i»n tû v  quang i»n tû, v¼ nâ

câ thº bê sung th¶m n«ng l÷ñng trong kÿ thuªt c§u tróc vòng, hay trong mët

sè tr÷íng hñp, nâ câ thº cho ph²p c£i ti¸n t½nh ch§t i»n v  quang cõa vªt li»u

C§u tróc hai ti¸p gi¡p dà ch§t l m tø mët lîp b¡n d¨n mäng (ë d ykho£ng 100 nm) ÷ñc kµp giúa hai lîp b¡n d¨n kh¡c t¤o ra mët gi¸ng th¸ trongvòng d¨n hay vòng hâa trà v  th÷íng ÷ñc xem nh÷ mët gi¸ng l÷ñng tû (QW)(v½ dö nh÷ AlGaAs/GaAs/AlGaAs) N¸u câ mët d¢y c¡c gi¸ng l÷ñng tû t÷ìngt¡c y¸u s³ ÷ñc gåi l  gi¸ng l÷ñng tû bëi (MQW) N¸u MQW câ nhi·u lîp vîi süphõ ¡ng kº giúa c¡c h m sâng cõa c¡c gi¸ng l¥n cªn nhau, ta s³ thu ÷ñc mëtsi¶u m¤ng T½nh ch§t tu¦n ho n "nh¥n t¤o" cõa si¶u m¤ng s³ t¤o ra sü thay êinhúng t½nh ch§t i»n quan trång cõa vªt li»u

C¡c c§u tróc dà ch§t ph¦n lîn düa tr¶n c¡c hñp kim b¡n d¨n Ng÷íi ta

sû döng hñp kim º t¤o ra c¡c ch§t b¡n d¨n câ °c t½nh trung gian so vîi c¡cb¡n d¨n câ trong tü nhi¶n Hai °c t½nh quan trång cõa hñp kim b¡n d¨n l h¬ng sè m¤ng v  ë rëng vòng c§m (Eg) Trong nhi·u h» vªt li»u, c£ h¬ng sèm¤ng v  ë rëng vòng c§m tu¥n theo g¦n óng ành luªt tuy¸n t½nh theo c¡ctham sè th nh ph¦n ri¶ng Vi»c i·u ch¿nh h¬ng sè m¤ng º khîp vîi ¸, i·uch¿nh ë rëng vòng c§m º thay êi n«ng l÷ñng ph¡t x¤ photon s³ t¤o ra c¡cbùc x¤ câ b÷îc sâng th½ch hñp º ùng döng trong cæng ngh» quang i»n tû

Hñp kim b¡n d¨n câ thº c§u th nh tø hai nguy¶n tè, ba nguy¶n tè hay

bèn nguy¶n tè (v½ dö nh÷ GaAs, InAs, InP, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaAsP, ).N¸u lüa chån tèt nhúng nguy¶n tè th nh ph¦n, c¡c hñp kim b¡n d¨n câ thºph¡t x¤ ra b÷îc sâng phò hñp v  câ thº khîp tèt vîi ¸.

H¦u h¸t c¡c °c t½nh cõa hñp kim nh÷ h¬ng sè m¤ng, khe n«ng l÷ñng,nghàch £o khèi l÷ñng hi»u döng, c§u tróc vòng n«ng l÷ñng v  c¡c ¤i l÷ñngli¶n quan kh¡c ·u câ thº d¨n ra tø c¡c °c t½nh cõa c¡c th nh ph¦n t¤o n¶nc¡c hñp kim nhí c¡c ph²p nëi suy tuy¸n t½nh (ành luªt Vegard) hay ph²p hi»uch¿nh bªc hai (ành luªt Abeles) N¸u ta thay êi h m l÷ñng cõa mët nguy¶n tètrong hñp kim ba th nh ph¦n th¼ khe n«ng l÷ñng v  b÷îc sâng li¶n quan côngs³ bà thay êi Tuy nhi¶n, trong mët v i tr÷íng hñp nh÷ AlGaAs th¼ h¬ng sèm¤ng cõa hai th nh ph¦n (AlAs v  GaAs) luæn khîp m¤ng vîi nhau n¶n hñpkim n y v¨n khîp m¤ng vîi ¸ (GaAs) vîi h m l÷ñng Al tòy þ

sè c0/a0 = p8/3 Khi t sè c0/a0 t«ng, ba li¶n k¸t ph½a sau câ gâc so vîi tröc c

lîn hìn, d¨n ¸n sü ph¥n cüc bê ch½nh gi£m l m ph¡t sinh m¤nh m³ ph¥n cüc

Psp B£ng 1.1 mæ t£ t sè c0/a0 v  Psp cho AlN, GaN v  InN Khi t sè c0/a0

gi£m, c÷íng ë ph¥n cüc tü ph¡t Psp t«ng d¦n tø GaN, InN ¸n AlN

B£ng 1.1: ƒnh h÷ðng cõa t¿ sè c 0 /a 0 ¸n c÷íng ë cõa ph¥n cüc tü ph¡t trong nitride nhâm III [11].

Sü ph¥n cüc bê sung trong c¡c c§u tróc nitride nhâm III do sùc c«ng

÷ñc gåi l  ph¥n cüc ¡p i»nPz [56, 57] Cö thº, n¸u c¡c tinh thº chàu ùng su§tn²n ð hai tröc, h¬ng sè m¤ng trong m°t ph¯ng a0 s³ gi£m v  h¬ng sè m¤ng c0

theo ph÷ìng th¯ng ùng s³ t«ng Sü t«ng t sè c 0 /a 0 h÷îng tîi gi¡ trà m¤ng lþt÷ðng (t sè c 0 /a 0 = p8/3) i·u n y l m gi£m ph¥n cüc têng cõa tinh thº, bðiv¼ P z v  P sp t¡c ëng theo hai h÷îng ng÷ñc nhau Ng÷ñc l¤i, n¸u m°t ph¯ng c

chàu ùng su§t k²o, h¬ng sè m¤ng a 0 trong m°t ph¯ng t«ng v  h¬ng sè m¤ng c 0

theo ph÷ìng th¯ng ùng gi£m, t l» c 0 /a 0 gi£m xuèng i·u n y l m t«ng süph¥n cüc têng, v¼ b¥y gií P z v  P sp còng h÷îng

C¡c t½nh to¡n cho i»n t½ch t¤i ti¸p gi¡p dà ch§t v  kh½ i»n tû hai chi·u(2DEG) ·u phö thuëc v o c£ ph¥n cüc ¡p i»nP z v  ph¥n cüc tü ph¡t P sp Gi¡trà P sp trong vªt li»u l  khæng êi, trong khi P z l  mët h m cõa sùc c«ng v  câthº ÷ñc x¡c ành tø biºu thùc sau:

B£ng 1.2: H» sè ¡p i»n cõa GaN v  AlN c§u tróc wurtzite ÷ñc dòng trong t½nh to¡n [11].

Vªt li»u e 31 (C/m 2 ) e 33 (C/m 2 ) C 13 (Gpa) C 33 (Gpa)

i»n èi song

1.1.3 ƒnh h÷ðng cõa i»n t½ch ph¥n cüc l¶n hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n

tû trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN

Trong b¡n d¨n nitride nhâm III, GaN v  AlN vîi c§u tróc wuztsite câ süph¥n cüc tü ph¡t v  ¡p i»n v÷ñt trëi hìn K¸t qu£ l  transistor ë linh ëngcao düa tr¶n GaN, AlGaN/GaN, thu hót ÷ñc nhi·u sü quan t¥m V¼ vªy,trong ph¦n n y, £nh h÷ðng cõa i»n t½ch ph¥n cüc l¶n hi»n t÷ñng vªn chuyºn

i»n tû trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN s³ ÷ñc kh£o s¡t

Gi£ sû mët m ng mäng AlGaN ÷ñc nuæi tr¶n GaN, kh½ i»n tû haichi·u (2DEG) s³ xu§t hi»n ð ti¸p gi¡p dà ch§t Trong tr÷íng hñp n y, mªt ëh¤t t£i 2DEG câ thº ÷ñc i·u ch¿nh b¬ng c¡ch thay êi ë d y lîp r o AlGaNcông nh÷ thay êi h m l÷ñng kim lo¤i Al Trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cücAlGaN/GaN, mªt ë 2DEG r§t cao câ thº ¤t tîi n2d ≈ 2 × 10 13 cm−2 v  ëlinh ëng ð nhi»t ë pháng µ ≈ 1500 cm2 /V.s

H¼nh 1.2: Gi£n ç vòng v  sü h¼nh th nh kh½ i»n tû hai chi·u t¤i b· m°t AlGaN/GaN [11].

Khi x£y ra sü ph¥n cüc m¤nh (∼ 1 MVcm−1), i»n tû ÷ñc ©y t¾nh i»ng¦n vîi b· m°t AlGaN/GaN v  trång t¥m cõa c¡c h m sâng ÷ñc ÷a ¸n g¦nb· m°t dà ch§t i·u n y d¨n ¸n sü gia t«ng t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim v  t¡nx¤ nh¡m b· m°t ¥y l  c¡c qu¡ tr¼nh t¡n x¤ chi¸m ÷u th¸ ð nhi»t ë th§p, v ngay c£ ð nhi»t ë pháng khi 2DEG câ mªt ë cao

Trong c¡c c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc nâi chung v  trong c§u tróc dà ch§tph¥n cüc AlGaN/GaN xu§t hi»n mët cì ch¸ t¡n x¤ mîi khæng tçn t¤i trong b¡nd¨n khæng ph¥n cüc v  b¡n d¨n ph¥n cüc y¸u gåi l  l÷ïng cüc t¡n x¤ Nguy¶nnh¥n l  do sü b§t trªt tü vi mæ trong mët lîp hñp kim, d¨n ¸n c¡c momentl÷ïng cüc trong méi æ ìn và l  khæng tu¦n ho n vîi m¤ng tinh thº

Sü ph¥n bè i»n t½ch theo h÷îng [0001] cõa c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc

câ thº ÷ñc x¡c ành b¬ng vi»c gi£i ph÷ìng tr¼nh Schrodinger v  ph÷ìng tr¼nhPoisson trong g¦n óng khèi l÷ñng hi»u döng Tuy nhi¶n, gi£n ç vòng l  mëtph÷ìng ph¡p ìn gi£n v  húu döng cho ki¸n gi£i vªt lþ

Trong h¼nh 1.2, th¸ n«ng b· m°t AlGaN Φ(x) = (1 + x) eV, vîi x l  h ml÷ñng kim lo¤i Al i»n t½ch b· m°t ph¥n cüc (cho c£ ph¥n cüc tü ph¡t v  ph¥ncüc ¡p i»n) σ π (x) t¤i ti¸p gi¡p dà ch§t ÷ñc x¡c ành qua biºu thùc sau:

vîi ∆Psp l  ë l»ch trong ph¥n cüc tü ph¡t giúa r o v  GaN, a(x) v  a GaN l h¬ng sè m¤ng cõa AlGaN v  GaN.eij(x) l  h» sè ph¥n cüc,cij(x)h» sè  n hçi.

N«ng l÷ñng ð tr¤ng th¡i cì b£n cõa gi¸ng l÷ñng tû tam gi¡c t¤i ti¸p gi¡p

dà ch§t ÷ñc t½nh b¬ng ph÷ìng ph¡p bi¸n ph¥n:

E0(ns) ≈

 9π¯ he2n2d80b(x) √

Sü linh ëng cõa kh½ i»n tû hai chi·u t¤i b· m°t AlGaN/GaN li¶n quan

¸n h m l÷ñng kim lo¤i Al v  b· d y r o Khi thay êi b· d y r o, mªt ë kh½

i»n tû hai chi·u s³ bi¸n êi Cö thº, khi ë d y r o t«ng, mªt ë kh½ i»n tûhai chi·u ti¸n tîi mªt ë i»n t½ch b· m°t ph¥n cüc σπ(x) nh÷ h¼nh 1.3 Mªt

ë h¤t t£i kh½ i»n tû hai chi·u khi h m l÷ñng kim lo¤i Al x ≈ 0.3 v  b· d y

r o tb ≈ 30 nm th¼ r§t cao (n2d > 1013 cm−2), so vîi kh½ i»n tû hai chi·u t÷ìngùng trong c§u tróc AlGaAs/GaAs pha t¤p i·u bi¸n ho°c ¡p i»n pha t¤p theoh÷îng [111] trong gi¸ng l÷ñng tû gi£ k³m lo¤i III-V [58] Nguy¶n nh¥n l  do süph¥n cüc m¤nh v  vòng con rëng trong h» vªt li»u

º kh£o s¡t t½nh ch§t vªn chuyºn i»n tû, h m sâng Fang-Howard cõakh½ i»n tû hai chi·u dåc theo h÷îng z câ d¤ng sau:

Mªt ë h¤t t£i ρ(z) = en s |χ(z)|2

H¼nh 1.3: Sü thay êi mªt ë kh½ i»n tû hai chi·u theo th nh ph¦n Al v  b· d y AlGaN [11].

K¸t qu£ t½nh sè cho th§y, h m sâng bi¸n ph¥n khæng xu§t hi»n chui ng¦m

v o r o hñp kim Tuy nhi¶n, h¼nh th¡i cõa h m sâng bi¸n ph¥n câ d¤ng t÷ìngùng vîi k¸t qu£ sè Hartree

Têng mªt ë m°t cõa h¤t t£i cho kh½ i»n tû hai chi·u chi¸m giú nëivòng con ÷ñc t½nh bði:

ns = n2d = m

∗ kBT π¯ h2e ln

π¯ h2n2d m∗kB T − 1



1.2 Vªt li»u graphene v  penta-graphene

1.2.1 Vªt li»u graphene

Carbon l  mët trong nhúng nguy¶n tè cì b£n v  quan trång nh§t trong

tü nhi¶n Carbon câ thº li¶n k¸t vîi ch½nh nâ ho°c vîi c¡c nguy¶n tè kh¡c trong

ba kiºu lai hâa orbital i·u n y t¤o n¶n sü a d¤ng trong c§u tróc carbon còng

nhi·u t½nh ch§t °c bi»t Tr÷îc n«m 1985, c§u tróc tinh thº cõa carbon ÷ñcbi¸t ¸n ch¿ bao gçm than ch¼ (graphite) v  kim c÷ìng (diamond) N«m 1985,Smalley còng c¡c cëng sü kh¡m ph¡ ra c§u tróc fullerene C60, gåi t­t l  fullerene,gçm 60 nguy¶n tû carbon li¶n k¸t th nh c¡c váng löc gi¡c v  ngô gi¡c N«m

1991, mët d¤ng vªt li»u mîi cõa carbon ÷ñc Sumio Iijima cæng bè [24] Khitêng hñp fullerene b¬ng ph÷ìng ph¡p hç quang i»n vîi xóc t¡c kim lo¤i, Iijimat¼m th§y r§t nhi·u c§u tróc graphite b¡m t¤i t¥m i»n cüc bao gçm c¡c h¤t nano

v  c¡c èng câ ÷íng k½nh ngo i còng tø 4  30 nm, chi·u d i cï 1 µm V¼ c¡cèng n y câ c§u tróc a lîp vîi méi lîp l  mët lîp graphite, cuën l¤i theo h¼nhxo­n èc n¶n chóng ÷ñc gåi l  èng nano carbon a v¡ch (multi-walled carbonnanotubes, MWCNTs) ¸n n«m 1993, èng nano carbon ìn v¡ch (single-walledcarbon nanotubes, SWCNTs) ÷ñc t¼m th§y ¥y l  lo¤i èng nano carbon ch¿

do mët lîp graphite cuën l¤i, câ ÷íng k½nh tø 0.4 ¸n 3 nm, chi·u d i kho£ng

v i µm

Tr÷îc ¥y, ng÷íi ta ¢ bi¸t r¬ng, c§u tróc graphite gçm nhúng t§mcarbon h¼nh löc gi¡c x¸p chçng l¶n nhau Ng÷íi ta công tin r¬ng mët t§mgraphite khæng thº n o ch¸ t¤o ÷ñc ð d¤ng t¡ch ríi Quan iºm n y ¢ bàthay êi v o n«m 2004, khi Konstantin Novoselov, Andre Geim còng c¡c cëng

sü th nh cæng trong vi»c t¤o ra mët ìn lîp graphite, lîp ìn carbon â ÷ñcgåi l  graphene Tø khi graphene ra íi ¸n nay, c¡c nhâm nghi¶n cùu tr¶n to nc¦u ¢ v  ang d nh cho chóng sü quan t¥m ¡ng kº º ph¡t triºn ùng döngtrong cæng nghi»p n«ng l÷ñng, i»n tû, d÷ñc ph©m, [59, 60, 61, 62] Cho ¸nnay, sè l÷ñng c¡c §n ph©m håc thuªt li¶n quan ¸n graphene v  c¡c vªt li»ut÷ìng tü graphene ng y c ng t«ng nhanh

Graphene câ ë linh ëng h¤t t£i cao, trong kho£ng 20005000 cm2/Vs[25] Dung dàch graphene d¤ng huy·n phò trong i·u ki»n tèi ÷u, ë linh ëngh¤t t£i câ thº lîn hìn 200000 cm2/Vs [63] V¼ vªy, graphene câ kh£ n«ng ùngdöng cho transistor hi»u ùng tr÷íng (FET) ho¤t ëng ð t¦n sè cao kho£ng 100GHz [64] Nhúng cæng bè g¦n g¦n ¥y cho th§y FET düa tr¶n graphene câ thºho¤t ëng ð t¦n sè terahertz [65] Graphene công thº hi»n ë trong suèt quanghåc cao l¶n ¸n 97.7 %n¶n l  mët ùng vi¶n ti·m n«ng cho c¡c ùng döng pin m°ttríi, l÷u trú dú li»u ba chi·u [66, 67] Ngo i ra, graphene cán câ ë d¨n nhi»t,

H¼nh 1.4: Mët sè c§u tróc cõa carbon.

modul Young cao (5000 W m−1 K−1, ∼ 1 TPa) v  di»n t½ch b· m°t lîn (2630

m2g−1) [68, 69, 70]

Tuy nhi¶n, graphene l  mët c§u tróc khæng câ ë rëng vòng c§m n¶nh¤n ch¸ cho c¡c ùng döng trong l¾nh vüc quang i»n tû Do vªy, ng÷íi ta ¢thüc hi»n nhi·u ph÷ìng ph¡p kh¡c nhau º mð vòng c§m cho graphene nh÷ pha

H¼nh 1.5: Sü h¼nh th nh c¡c c§u tróc carbon tø graphite.

t¤p, h§p thö, thay êi bi¶n, ¡p tr÷íng, [71, 72, 73, 74, 75, 76, 77]

1.2.2 Vªt li»u graphene nanoribbon

Graphene nanoribbon (GNR) l  c§u tróc mët chi·u ÷ñc t¤o th nh khic­t graphene theo nhúng h÷îng tinh thº kh¡c nhau T÷ìng tü nh÷ graphene,graphene nanoribbon l  c§u tróc löc gi¡c bao gçm c¡c nguy¶n tû carbon vîi laihâa sp2 Düa v o d¤ng bi¶n cõa graphene nanoribbon, ta câ hai d¤ng graphenenanoribbon: zigzag graphene nanoribbons (ZGNR) v  armchair graphene nanorib-bons (AGNR) ZGNR thº hi»n °c t½nh kim lo¤i, trong khi AGNR l  kim lo¤ihay ch§t b¡n d¨n tòy thuëc v o ë rëng v  tr¤ng th¡i bi¶n cõa nâ [78, 79] Ngo i

ra, AGNR l  mët ch§t b¡n d¨n khæng tø t½nh, trong khi °c t½nh tø cõa ZGNR

l m cho chóng phò hñp cho c¡c ùng döng spintronic [80, 81]

H¼nh 1.6: C§u tróc graphene v  hai d¤ng graphene nanoribbon: zigzag v  armchair.

Nh¼n chung, c¡c t½nh ch§t cõa GNR r§t nh¤y vîi nhi·u y¸u tè, ch¯ng h¤nnh÷ pha t¤p, sai häng, thay êi bi¶n, h§p phö v  i»n tr÷íng ngo i i·u n ymang ¸n nhi·u cì hëi º i·u ch¿nh v  mð rëng c¡c ùng döng cõa GNR V½

dö, AGNR l  ch§t b¡n d¨n, nh÷ng chóng câ thº trð th nh b¡n kim khi ÷ñc ¡pmët i»n tr÷íng ngo i, thay êi bi¶n, pha t¤p boron (B), nitì (N) ri¶ng l´ ho°c

çng pha t¤p B-N, [82, 83] Trong sè c¡c ph÷ìng ph¡p ÷ñc · xu§t, pha t¤p

l  mët trong nhúng c¡ch ÷ñc ¡p döng th÷íng xuy¶n nh§t º i·u ch¿nh c¡cthuëc t½nh cõa GNR

Trong sè c¡c nguy¶n tè pha t¤p, t½nh ch§t vªt lþ v  hâa håc cõa N v  Bt÷ìng tü nh÷ carbon v  li¶n k¸t cõa chóng l  li¶n k¸t cëng hâa trà kh¡ m¤nh,t÷ìng çng vîi li¶n k¸t C - C trong m¤ng graphene V¼ vªy, vi»c pha t¤p nhúngnguy¶n tè n y ch¿ d¨n ¸n sü thay êi nhä c§u tróc h¼nh håc cõa graphene M°tkh¡c, v· m°t lþ thuy¸t, pha t¤p B t¤o ra lé trèng, cán pha t¤p N t¤o n¶n h¤t

H¼nh 1.7: a) Và tr½ pha t¤p B trong AGNR, b) Pha t¤p N trong AGNR, c) Pha t¤p B-N trong AGNR, d) Mæ h¼nh thi¸t bà cõa AGNR pha t¤p B, N ho°c çng pha t¤p B-N [86].

t£i n¶n câ thº thay êi GNR th nh ch§t b¡n d¨n lo¤i p v  n Cö thº, sü pha t¤p

N ho°c B v o graphene ho°c graphene nanoribbon s³ £nh h÷ðng ¸n t½nh ch§tvªn chuyºn i»n tû do sü thay êi mªt ë h¤t t£i d¨n ¸n sü thay êi c§u trócvòng V¼ nhúng lþ do tr¶n, N ho°c B ho°c k¸t hñp B-N ¢ trð th nh c¡c ch§tpha t¤p thay th¸ iºn h¼nh cho graphene hay graphene nanoribbon [84, 85]

Liu v  cëng sü ¢ l¦n l÷ñt xem x²t vi»c pha t¤p B, N hay B v  N k¸t hñpdåc theo chi·u d i cõa AGNR (h¼nh 1.7) [86] K¸t qu£ cho th§y, AGNR câ thº

l  kim lo¤i ho°c ch§t b¡n d¨n tòy thuëc v o và tr½ pha t¤p nguy¶n tû B ho°c

N (h¼nh 1.8) i·u n y l  do ë rëng vòng c§m cõa h» vªt li»u phö thuëc v oc§u h¼nh h¼nh håc v  th nh ph¦n hâa håc cõa chóng Khi pha t¤p ð c¡c và tr½