Kĩ thuật phân tích vật liệu rắn - Phương pháp quang phản xạ 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
QUANG PHỔ HỌC
BIẾN ĐIỆU
GVTH:
GVTH:
GS.TS LÊ KHẮC BÌNH
GS.TS LÊ KHẮC BÌNH
HVTH:
HVTH:
LÊ DUY NHẬT
LÊ DUY NHẬT

•
Học liệu mở tiếng Việt:
/>
Phương pháp phổ học biến điệu quang phản xạ
Phổ học biến điệu (Modulation Spectroscopy)
Những phép đo quang với cùng tính chất giống nhau là
,R∆ ∆Τ
,R Τ
Biến điệu
Biến điệu trongBiến điệu ngoài
_Điện phản xạ (Electroreflectance - ER)
_Quang phản xạ (Photoreflectance - PL)
_Từ phản xạ (Magnetoreflectance - MR)
_Pizo phản xạ (Piezoreflectance)
_Nhiệt phản xạ (Thermoreflectance -)
_Biến điệu độ dài bước sóng tia tới
_Biến điệu sự phân cực ánh sáng tới

_Thay đổi vị trí trên mẫu
…
Quang biến điệu
I
o
I
o
R + I
o
∆R
I
o
T + I
o
∆T

Phương pháp quang phản xạ
Biến điệu tia laser kích thích
Biến điệu yếu tố tác động Biến điệu với chu kì
Không có laser Có laser
0
S
F = 0
S
F ≠
off
R
on
R
>

Hiệu ứng
Frank - Keldysh
( )
( )
( )
( )
   
   
   
   
   
1 3
2 2
g g
off on
3 3
off
2 2
-2 E - E E - E
R - R
ΔR 4
= = exp × cos . +χ
R R 3
hΩ hΩ
Nguồn laser làm giảm điện trường bề mặt do sản sinh
các cặp /eh trung hòa bớt các ion donor và các tâm bắt
ở bề mặt.

Phương pháp quang phản xạ
( )

( )
( )
( )
   
   
   
   
   
1 3
2 2
g g
off on
3 3
off
2 2
-2 E - E E - E
R - R
ΔR 4
= = exp × cos . +χ
R R 3
hΩ hΩ
So sánh giữa 3 loại phổ từ 0-6eV của GaAs . Ở
trên: phổ phản xạ R (Philip and Ehrenreich
1963); Ở giữa: đạo hàm theo năng lượng của
R (Sell and Owski 1970); Ở dưới: Phổ điện
phản xạ (Aspnes and Studna 1973).
Sự biến đổi của hệ số phản xạ R có liên hệ với
sự nhiễu loạn của hàm điện môi ε = ε
1
+ iε

2
( ) ( ) ( )
1 2 1 1 2 2
, , ,
S S
R
E F
R
α ε ε ε β ε ε ε
∆
= ∆ + ∆
,
S S
α β
Các hệ số Seraphin
( )
2 2
2 3 1
S
n n k
c
α
− −
=
( )
2 2
2 3 1
S
k n k
c

β
− −
=
( ) ( )
2
2 2 2 2 2 2
2 2 1c n k n k k n
 
= + + + − +
 
 

Hằng số điện môi dưới tác động
của điện trường F:
( )
2 2
2 3 1
S
n n k
c
α
− −
=
( )
2 2
2 3 1
S
k n k
c
β

− −
=
( ) ( )
2
2 2 2 2 2 2
2 2 1c n k n k k n
 
= + + + − +
 
 
GaAs:α>β trong khoảng năng lượng từ 0-2.8 eV
α<β ứng với năng lượng phôton lớn hơn 2.8 eV.
InP: α>β trong khoảng năng lượng từ 0-3 eV
α<β ứng với năng lượng phôton lớn hơn 3 eV.
Tại năng lượng vùng cấm (1.42eV đối với GaAs và 1.36
eV đối với InP) α >> β.
1,4 eV
1,36 eV
( ) ( )
1 2 1 1 2 2
, ,
S S
α ε ε ε β ε ε ε
∆ >> ∆
( ) ( ) ( )
1 2 1 1 2 2
, , ,
S S
R
E F

R
α ε ε ε β ε ε ε
∆
= ∆ + ∆
( )
1 2 1
,
S
R
R
α ε ε ε
∆
⇒ ≈ ∆
( )
,
i
x F
ε
Hệ số α, βcủa GaAs (a) và InP (b) phụ thuộc vào năng lượng phôton.

Sự biến thiên hằng số
điện môi:
Phương pháp quang phản xạ
Với:
F(x) và G(x) được gọi là các hàm quang điện
không mở rộng
Với A
i
, B
i

A’
I
, B’
i
là các hàm Airy và các đạo
hàm của chúng được tính từ biểu thức
( )
( )
( )
0 khi 0
1 khi 0
U x x
U x
U x x

= <

=

= ≥


Dạng của hàm quang điện F(x) và G(x). Các thông số
mô phỏng: E
g
=1.344eV , F
s
=4×10
6
V/m, μ = 0.0655m

o

Sự biến thiên hằng số
điện môi:
Phương pháp quang phản xạ
Với:
F(x) và G(x) được gọi là các hàm quang điện
không mở rộng
Với A
i
, B
i
A’
I
, B’
i
là các hàm Airy và các đạo
hàm của chúng được tính từ biểu thức
( )
( )
( )
0 khi 0
1 khi 0
U x x
U x
U x x

= <

=


= ≥


Dạng của hàm điện môi ε
2
ứng với khi có (đường liền nét)
và không có điện trường (đường đứt nét) của GaAs và InP.

Sự biến thiên hằng số
điện môi:
Phương pháp quang phản xạ
Với:
F(x) và G(x) được gọi là các hàm quang điện
không mở rộng
Với A
i
, B
i
A’
I
, B’
i
là các hàm Airy và các đạo
hàm của chúng được tính từ biểu thức
( )
( )
( )
0 khi 0
1 khi 0

U x x
U x
U x x

= <

=

= ≥


Sự biến thiên của hàm điện môi ∆ε
1
, ∆ε
2

CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN
ĐÃ LẮNG NGHE
Tài liệu tham khảo:
[1] MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHA PHỔ QUANG – PHẢN XẠ CỦA BÁN DẪN InP VÀ
CẤU TRÚC ĐA LỚP DỊ THỂ Al
X
Ga
1-X
ánh sáng/GaAs/GaAs – Phạm Thanh Tâm – Khóa
luận tốt nghiệp.
[2] TÀI LIỆU VẬT LÝ BỀ MẶT – PGS.TS Trương Kim Hiếu.