Luận án 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

Nội dung tài liệu: Luận án 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

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- LÊ THỊ THU PHƯƠNG 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 SĨ VẬT LÍ HÀ NỘI, 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- LÊ THỊ THU PHƯƠNG 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 Chuyên ngành : Vật lí lí thuyết và vật lí toán Mã số: : 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS. TS. TRẦN CÔNG PHONG PGS. TS. NGUYỄN VŨ NHÂN HÀ NỘI, 2014 Hà Nội - 20
3. LÍI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công tr¼nh nghi¶n cùu cõa ri¶ng tôi. C¡c k¸t qu£ nghi¶n cùu được n¶u trong luªn ¡n là trung thực và chưa tøng đưñc công bè trong b§t kỳ công tr¼nh nào kh¡c. T¡c gi£ luªn ¡n L¶ Thị Thu Phương i
4. LÍI CẢM ƠN T¡c gi£ xin bày tỏ láng bi¸t ơn ch¥n thành và s¥u s­c nh§t đến Phó Gi¡o sư - Ti¸n sĩ Tr¦n Công Phong, Phó Gi¡o sư - Ti¸n sĩ Nguy¹n Vũ Nh¥n, nhúng người th¦y đã tªn t¼nh giúp đỡ, hướng d¨n, đóng góp nhúng ý ki¸n quý b¡u cho vi»c hoàn thành luªn ¡n cũng như động vi¶n t¡c gi£ trong suèt qu¡ tr¼nh thực hi»n luªn ¡n. T¡c gi£ xin ch¥n thành c¡m ơn Ban Gi¡m hi»u, Khoa Vªt lý và pháng Sau đại học cõa Trường Đại học Khoa học Tự nhi¶n - Đại học Quèc gia Hà Nëi, đã t¤o điều ki»n tèt nh§t cho t¡c gi£ hoàn thành luªn ¡n này. T¡c gi£ cũng bày tỏ láng bi¸t ơn ch¥n thành tới c¡c c¡n bë, nhà khoa học, gi£ng vi¶n và c¡c b¤n đồng nghi»p thuëc Bë môn Vªt lý lý thuy¸t, khoa Vªt lý cõa Trường Đại học Khoa học Tự nhi¶n - Đại học Quèc gia Hà Nëi đã đóng góp ý ki¸n quý b¡u cho luªn ¡n. T¡c gi£ xin ch¥n thành c¡m ơn Ban Gi¡m hi»u và c¡c pháng, khoa chùc n«ng cõa Trường Đại học Sư ph¤m - Đại học Hu¸ đã t¤o mọi điều ki»n thuªn lñi v· thời gian và hé trñ kinh ph½ cho t¡c gi£ trong thời gian nghi¶n cùu và hoàn thành luªn ¡n. Cuèi cùng, t¡c gi£ xin c¡m ơn sự giúp đỡ tªn t¼nh cõa c¡c b¤n đồng nghi»p trong khoa Vªt lý cõa Trường Đại học Sư ph¤m - Đại học Hu¸, b¤n b± và nhúng người th¥n trong gia đình đã động vi¶n cho t¡c gi£ hoàn thành luªn ¡n này. T¡c gi£ xin bày tỏ láng bi¸t ơn s¥u s­c đến mọi người. T¡c gi£ luªn ¡n ii
5. MỤC LỤC Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Danh mục c¡c tø vi¸t t­t và b£ng đối chi¸u thuªt ngú Anh - Vi»t . . . . . . . . vi Danh mục mët sè ký hi»u thường dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii B£ng c¡c thông sè cơ b£n trong b¡n d¨n GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii Danh mục c¡c h¼nh v³, đồ thị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii MÐĐẦU .......................................1 Chương 1. MËT SÈ VẤN ĐỀ TÊNG QUAN ...............9 1.1. Têng quan v· d¥y lượng tû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.1.1. Phê n«ng lượng và hàm sóng cõa electron trong d¥y lượng tû khi không có tø trường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.1.2. Phê n«ng lượng và hàm sóng cõa electron trong d¥y lượng tû khi có mặt tø trường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2. Phương ph¡p phương tr¼nh động lượng tû cho phonon trong b¡n d¨n . . . 15 1.3. Phương ph¡p to¡n tû chi¸u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.1. Kỹ thuªt to¡n tû chi¸u phụ thuëc tr¤ng th¡i . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.2. Kỹ thuªt to¡n tû chi¸u độc lªp tr¤ng th¡i . . . . . . . . . . . . . . 24 Chương 2. ẢNH HƯÐNG CỦA HIỆU ỨNG GIẢM KÍCH THƯỚC LÊN HIỆU ỨNG GIA TĂNG PHONON ............... 26 2.1. C¡c biºu thùc gi£i t½ch cõa hi»u ùng gia t«ng phonon . . . . . . . . . . . . 27 2.1.1. Hamiltonian cõa h» electron và phonon giam c¦m trong d¥y lượng tû 27 iii
6. 2.1.2. Biºu thùc gi£i t½ch cõa tèc độ thay đổi sè phonon . . . . . . . . . . 29 2.2. Ảnh hưởng cõa hi»u ùng gi£m k½ch thước l¶n tèc độ thay đổi phonon . . . 34 2.2.1. Trường hñp d¥y lượng tû h¼nh trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.2. Trường hñp d¥y lượng tû h¼nh chú nhªt . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3. K¸t luªn chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Chương 3. ẢNH NƯÐNG CỦA HIỆU ỨNG GIẢM KÍCH THƯỚC LÊN CËNG HƯỞNG THAM SÈ CỦA HAI LOẠI PHONON .. 40 3.1. H» phương tr¼nh động lượng tû cõa hai lo¤i phonon giam c¦m trong d¥y lượng tû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2. Phương tr¼nh t¡n s­c mô t£ tương t¡c tham sè . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3. Điều ki»n cëng hưởng tham sè cõa hai lo¤i phonon giam c¦m trong d¥y lượng tû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.3.1. Trường hñp d¥y lượng tû h¼nh trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.2. Trường hñp d¥y lượng tû h¼nh chú nhªt . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.4. Ảnh hưởng cõa hi»u ùng gi£m k½ch thước l¶n bi¶n độ trường ngưỡng và h» sè bi¸n đổi tham sè cõa hai lo¤i phonon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.4.1. Trường hñp d¥y lượng tû h¼nh trụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.4.2. Trường hñp d¥y lượng tû h¼nh chú nhªt . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.5. K¸t luªn chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Chương 4. ẢNH HƯÐNG CỦA HIỆU ỨNG GIẢM KÍCH THƯỚC LÊN ĐỘ RËNG VẠCH PHÊ CÁC ĐỈNH CËNG HƯỞNG .... 55 4.1. Têng quan v· c¡c lo¤i cëng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.1.1. Cëng hưởng electron-phonon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 iv
7. 4.1.2. Cëng hưởng cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1.3. Độ rëng v¤ch phê đỉnh cëng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2. Ảnh hưởng cõa hi»u ùng gi£m k½ch thước l¶n độ rëng v¤ch phê đỉnh cëng hưởng electron-phonon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.1. Biºu thùc gi£i t½ch cõa công su§t h§p thụ khi có mặt sóng điện tø . 59 4.2.2. Độ rëng v¤ch phê đỉnh dá t¼m cëng hưởng electron-phonon . . . . . 61 4.3. Ảnh hưởng cõa hi»u ùng gi£m k½ch thước l¶n độ rëng v¤ch phê đỉnh cëng hưởng cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.3.1. Biºu thùc gi£i t½ch cõa công su§t h§p thụ khi có sóng điện tø và tø trường không đổi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.3.2. Độ rëng v¤ch phê đỉnh cëng hưởng cyclotron . . . . . . . . . . . . . 73 4.4. K¸t luªn chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 KẾT LUẬN ..................................... 82 CÁC CÆNG TRÌNH KHOA HÅC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÆNG BÈ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................... 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................ 85 v
8. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH - VIỆT Vi¸t t­t Ti¸ng Anh Ti¸ng Vi»t 0D Zero Dimension Không chi·u 1D One Dimension Mët chi·u 2D Two Dimension Hai chi·u 3D Three Dimension Ba chi·u AP Absorption Power Công su§t h§p thụ CQW Cylindrical Quantum Wire D¥y lượng tû h¼nh trụ CR Cyclotron Resonance Cëng hưởng cyclotron CRLW Cyclotron Resonance Độ rëng v¤ch phê Line-width cëng hưởng cyclotron EPR Electron-Phonon Resonance Cëng hưởng electron-phonon EPRLW Electron-Phonon Resonance Độ rëng v¤ch phê Line-Width cëng hưởng electron-phonon LW Line-Width Độ rëng v¤ch phê MBE Molecular Beam Epitaxy Epitaxy chùm ph¥n tû MPR Magneto-Phonon Resonance Cëng hưởng tø-phonon MPRLW Magneto-Phonon Resonance Độ rëng v¤ch phê Line-Width cëng hưởng tø-phonon ODEPR Optically Detected Dá t¼m cëng hưởng Electron-Phonon Resonance electron-phonon b¬ng quang học ODEPRLW Optically Detected Electron-Phonon Độ rëng v¤ch phê dá t¼m Resonance Line-Width cëng hưởng electron-phonon ODMPR Optically Detected Dá t¼m cëng hưởng Magneto-Phonon Resonance tø-phonon b¬ng quang học RQW Rectangular Quantum Wire D¥y lượng tû h¼nh chú nhªt vi
9. DANH MỤC MËT SÈ KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG Đại lượng Ký hi»u B¡n k½nh cyclotron ac B¡n k½nh cõa CQW R K½ch thước cõa RQW theo phương x / y Lx / Ly Bi¶n độ trường ngưỡng Eth Ch¿ sè lượng tû cõa electron `; j Ch¿ sè lượng tû cõa phonon m; n Ch¿ sè mùc Landau N Công su§t h§p thụ P (!) Điện t½ch cõa electron e CQW=RQW Độ rëng v¤ch phê cõa đỉnh CR trong CQW/ RQW ΓCR CQW=RQW Độ rëng v¤ch phê cõa đỉnh ODEPR trong CQW/ RQW ΓODEPR H¬ng sè điện môi cao t¦n / tĩnh χ1 / χ0 H» sè gia t«ng F Khèi lượng hi»u dụng / khèi lượng tĩnh cõa electron me / m0 N«ng lượng Fermi "F N«ng lượng cõa photon ~! N«ng lượng cõa phonon ~!q N«ng lượng cõa phonon giam c¦m ~!m;n;qz N«ng lượng cõa phonon quang không giam c¦m ~!0 Ph¦n £o cõa hàm d¤ng phê khi không có tø trường γα,β(!) Ph¦n £o cõa hàm d¤ng phê khi có tø trường B(!) T¦n sè cyclotron !c T¦n sè sóng điện tø ! Tèc độ t¤o phonon giam c¦m Gm;n;qz Tèc độ t¤o phonon không giam c¦m G vii
10. B£ng c¡c thông sè cơ b£n trong b¡n d¨n GaAs Thông sè Ký hi»u Gi¡ trị Độ th©m điện môi cao t¦n χ1 10.9 Độ th©m điện môi tĩnh χ0 13.1 H¬ng sè điện môi χ 13.9 H¬ng sè th¸ bi¸n d¤ng κ 13:5 eV −31 Khèi lượng cõa electron tự do m0 9:1 × 10 kg Khèi lượng hi»u dụng cõa electron me 0:067 × m0 Mªt độ tinh thº ρ 5:32:10−3 kg.m−3 N«ng lượng Fermi "F 0:05 eV N«ng lượng cõa phonon quang (không bị giam c¦m) ~!0 36:25 meV Tham sè vªn tèc γ 4:73 × 103 m.s−1 −1 Vªn tèc sóng ¥m va 5370 m.s viii