Luận án Nghiên cứu sự hấp thụ phi tuyến sóng điện từ bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu sự hấp thụ phi tuyến sóng điện từ bởi điện tử giam cầm trong dây lượng tử

1. §¹i Häc Quèc �ia Hµ Néi Tr­êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn ? ¡¡¡ ¡¡¡ Hoµng §×nh TriÓn Nghiªn cøu sù hÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ bëi ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö Chuyªn ngµnh : VËt lý lý thuyÕt vµ VËt lý to¸n M∙ sè : 62 44 01 01 LuËn ¸n TiÕn sÜ VËt lý Ng­êi h­íng dÉn khoa häc GS. TS. NguyÔn Quang B¸u Hµ Néi � 2012
2. Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i. C¸c kÕt qu¶, sè liÖu, ®å thÞ,... ®­îc nªu trong luËn ¸n lµ trung thùc vµ ch­a tõng ®­îc ai c«ng bè trong bÊt kú c¸c c«ng tr×nh nµo kh¸c. Hµ Néi, th¸ng 01 n¨m 2012 T¸c gi¶ luËn ¸n Hoµng §×nh TriÓn
3. Lêi c¶m ¬n T«i xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c nhÊt ®Õn GS. TS. NguyÔn Quang B¸u, ng­êi thÇy ®· hÕt lßng tËn tôy gióp ®ì, h­íng dÉn t«i trong qu¸ tr×nh häc tËp, nghiªn cøu vµ hoµn thµnh luËn ¸n. T«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù gióp ®ì, h­íng dÉn tËn t×nh cña GS. TSKH. NguyÔn Xu©n H·n, GS. TS. NguyÔn V¨n Tháa, PGS. TS. NguyÔn §×nh Dòng vµ c¸c thÇy trong Khoa VËt lý, Tr­êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn. T«i xin göi lêi c¶m ¬n ®Õn Quü ph¸t triÓn khoa häc vµ c«ng nghÖ Quèc gia (Nafosted) ®· tµi trî cho t«i trong viÖc c«ng bè c¸c c«ng tr×nh khoa häc. Xin ch©n thµnh c¶m ¬n ®Õn tÊt c¶ nh÷ng ng­êi th©n, b¹n bÌ vµ ®ång nghiÖp ®· gióp ®ì, ®éng viªn t«i trong suèt qu¸ tr×nh nghiªn cøu. Tõ ®¸y lßng t«i xin göi lêi tri ©n ®Õn tÊt c¶ mäi ng­êi. Hµ néi, th¸ng 01 n¨m 2012 T¸c gi¶ luËn ¸n Hoµng §×nh TriÓn
4. DANH MỤC CÁC BẢNG 2.1 Các thông số cơ bản của dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn. . . . . . . . . . 48 4.1 Các thông số cơ bản của dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn . . . . . 90 - 1 -
5. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 1.1 Mô hình cấu trúc các hệ bán dẫn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2 Mô hình tương tác giữa vật chất và sóng điện từ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào bán kinh dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn (tán xạ điện tử-phonon âm). . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng photon trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn và trong hố lượng tử . . . . . . . . . . 50 2.3 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào cường độ sóng điện từ cho trường hợp tán xạ điện tử -phonon âm trong dây lương tử hình trụ hố thế cao vô hạn và trong hố lượng tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.4 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào bán kính dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn cho trường hợp tán xạ điện tử-phonon quang (Trường hợp hấp thụ gần ngưỡng) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.5 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào bán kính dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn cho trường hợp tán xạ điện tử-phonon quang (hấp thụ xa ngưỡng) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.6 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ trong dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn vào nhiệt độ của hệ tại các giá trị khác nhau của bán kính dây. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.7 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào cường độ của sóng điện từ tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.8 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng photon tại các giá trị khác nhau của bán kính dây. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.9 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào bán kính dây lượng tử khi có mặt của từ trường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.10 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào nhiệt độ của hệ và cường độ sóng điện từ khi có mặt của từ trường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.11 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng photon khi có mặt của từ trường ngoài. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.12 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng cyclotron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.1 Sư phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào bán kinh dây trong dây lượng tử hình trụ hố thế parabol với các giá trị khác nhau của nhiệt độ của hệ, trường hợp hấp thụ gần ngưỡng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.2 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào bán kính dây với các giá trị khác nhau của tần số hiệu dụng của hố thế trong dây lượng tử hình trụ hố thế parabol, trường hợp hấp thụ xa ngưỡng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào nhiệt độ của hệ với - 2 -
6. các giá trị khác nhau của tần số sóng điện từ, trường hợp hấp thụ gần ngưỡng. . 73 3.4 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào nhiệt độ của hệ với các giá trị khác nhau của tần số song điện từ, trường hợp hấp thụ xa ngưỡng. . . 74 3.5 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng sóng điện từ với các giá trị khác nhau của tần số hiệu dụng của hố thế, trường hợp hấp thụ gần ngưỡng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.6 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng phonton tại các giá trị khác nhau của tần số hiệu dụng của hố thế, trường hợp tán xạ điện tử-phonon âm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.7 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào bán kính dây với các giá trị khác nhau của tần số hiệu dụng của hố thế, trường hợp tán xạ điện tử-phonon âm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.8 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng cyclotron với các giá trị khác nhau của tần số hiệu dụng của hố thế. . . . . . . 76 3.9 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng photon với các giá trị khác nhau của tần số hiệu dụng của hố thế. . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào kích thước dây. . . . . 90 4.2 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào nhiệt độ của hệ tại các giá trị khác nhau của cường độ điện trường, trường hợp tán xạ điện tử- phonon âm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn vào cường độ điện trường tại các giá trị khác nhau của nhiệt độ của hệ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào nhiệt độ của hệ tại các giá trị khác nhau của kích thước dây lượng tử hình chữ nhật cho trường hợp tán xạ điện tử-phonon quang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.5 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến vào cường độ sóng điện từ. . . . . . . . . 93 4.6 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào vào năng lượng photon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.7 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng photon khi có mặt của từ trường trong dây lượng tử hình chữ nhật. . . . . . . . . . . . . . . 95 4.8 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ vào năng lượng cyclotron của từ trường trong dây lượng tử hình chữ nhật. . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.1 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ trong dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn vào năng lượng photon cho cả hai trường hợp phonon giam cầm và phonon không giam cầm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ trong dây lượng tử hình trụ chữ nhật hố thế cao vô hạn vào nhiệt độ cho cả hai trường hợp phonon giam cầm và phonon không giam cầm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 - 3 -
7. Môc lôc Danh môc c¸c b¶ng 1 Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ 2 Môc lôc 4 Më ®Çu 8 Ch­¬ng1. Tæng quan vÒ d©y l­îng tö vµ hÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ m¹nh trong b¸n dÉn khèi 16 1.1. Kh¸i qu¸t vÒ d©y l­îng tö . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.1. CÊu tróc cña d©y l­îng tö b¸n dÉn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.2. Hµm sãng vµ phæ n¨ng l­îng cña ®iÖn tö trong d©y l­îng tö h×nh trô víi hè thÕ v« h¹n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.3. Hµm sãng vµ phæ n¨ng l­îng cña ®iÖn tö trong d©y l­îng tö h×nh trô víi hè thÕ parabol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1.4. Hµm sãng vµ phæ n¨ng l­îng cña ®iÖn tö trong d©y l­îng tö h×nh ch÷ nhËt hè thÕ cao v« h¹n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2. HÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ m¹nh trong b¸n dÉn khèi . . . . . . . . . . . 22 1.2.1. Sù hÊp thô sãng ®iÖn tõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.2. Lý thuyÕt l­îng tö vÒ hÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ m¹nh trong b¸n dÉn khèi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Ch­¬ng 2. HÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ bëi ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh trô hè thÕ cao v« h¹n 26 2.1. Hamiltonian cña hÖ ®iÖn tö-phonon trong d©y l­îng tö h×nh trô hè thÕ cao v« h¹n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 - 4 -
8. 2.1.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt cña tõ tr­êng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2. Ph­¬ng tr×nh ®éng l­îng tö cho ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh trô hè thÕ cao v« h¹n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3. HÖ sè hÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ m¹nh bëi ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh trô hè thÕ cao v« h¹n . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.1. Tr­ênghîp v¾ng mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4. KÕt qu¶ tÝnh sè vµ th¶o luËn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.5. KÕt luËn ch­¬ng 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Ch­¬ng 3. HÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ bëi ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh trô hè thÕ parabol 59 3.1. Hamiltonian cña hÖ ®iÖn tö-phonon trong d©y l­îng tö h×nh trô hè thÕ parabol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.1.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . 59 3.1.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2. Ph­¬ng tr×nh ®éng l­îng tö cho ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh trô hè thÕ parabol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . 61 - 5 -
9. 3.2.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3. HÖ sè hÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ m¹nh bëi ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh trô hè thÕ parabol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt cña tõ tr­êng ngoµi. . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi. . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4. KÕt qu¶ tÝnh sè vµ th¶o luËn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt tõ tr­êng ngoµi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.5. KÕt luËn ch­¬ng 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Ch­¬ng 4. HÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ bëi ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh ch÷ nhËt hè thÕ cao v« h¹n 80 4.1. Hamiltonian cña hÖ ®iÖn tö-phonon trong d©y l­îng tö h×nh ch÷ nhËt hè thÕ cao v« h¹n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.1.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt cña tõ tr­êng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.1.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.2. Ph­¬ng tr×nh ®éng l­îng tö cho ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh ch÷ nhËt hè thÕ cao v« h¹n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3. HÖ sè hÊp thô phi tuyÕn sãng ®iÖn tõ m¹nh bëi ®iÖn tö giam cÇm trong d©y l­îng tö h×nh ch÷ nhËt hè thÕ cao v« h¹n . . . . . . . . . . . . 84 4.3.1. Tr­êng hîp v¾ng mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.2. Tr­êng hîp cã mÆt cña tõ tr­êng ngoµi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 - 6 -