Khảo sát cấu hình nhám thông qua tỉ số độ rộng phổ trong giếng lượng tử zno mgzno (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
-----

NGUYỄN THỊ ÁNH XUÂN

KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM
THÔNG QUA TỈ SỐ ĐỘ RỘNG PHỔ
TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ ZnO/MgZnO

Demo Version - Select.Pdf SDK

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Thừa Thiên Huế, năm 2017


ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
-----

NGUYỄN THỊ ÁNH XUÂN

KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM
THÔNG QUA TỈ SỐ ĐỘ RỘNG PHỔ
TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ ZnO/MgZnO

Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN
số: 60 44 SDK
01 03

Demo Version Mã
- Select.Pdf

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. ĐINH NHƯ THẢO

Thừa Thiên Huế, năm 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi,
các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được
các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất
kỳ một công trình nghiên cứu nào khác.
Huế, tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn

Demo Version - Select.Pdf SDK
Nguyễn Thị Ánh Xuân


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được rất nhiều
sự động viên, giúp đỡ của các cá nhân và tập thể. Trước hết, tôi xin bày
tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo PGS. TS. Đinh Như Thảo đã

tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài
của mình.
Qua đây, tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo trong
khoa Vật lý, phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Sư phạm - Đại
học Huế; các anh, chị và các bạn học viên Cao học khóa 24 cùng gia
đình, bạn bè đã động viên, góp ý, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong
Demo Version - Select.Pdf SDK
quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Tôi xin ghi nhớ những công ơn, những tình cảm cao đẹp mà quý
Thầy, Cô giáo, bạn bè đã dành cho tôi trong suốt thời gian qua. Một lần
nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!.
Huế, tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Ánh Xuân


MỤC LỤC

Trang phụ bìa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Danh mục các bảng biểu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Danh mục các từ viết tắt và kí hiệu . . . . . . . . . . . . . . .

4

Danh sách các hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

NỘI DUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT . . . . . . . . . . . . . .

11

1.1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn ZnO/MgZnO . . . . . . .

11

1.1.1. Đặc trưng của vật liệu bán dẫn ZnO . . . . . . .
Demo Version - Select.Pdf SDK
1.1.2. Đặc trưng của vật liệu bán dẫn MgZnO . . . . . .

12
13

1.1.3. Đặc trưng của bán dẫn thấp chiều ZnO/MgZnO .

14

1.2. Đặc điểm của khí điện tử hai chiều . . . . . . . . . . . .

15

1.3.

Khảo sát các loại giếng lượng tử . . . . . . . . . . . . .

17

1.3.1. Giếng lượng tử vuông góc sâu vô hạn . . . . . . .

17

1.3.2. Giếng lượng tử vuông góc sâu hữu hạn . . . . . .

19

1.3.3. Giếng lượng tử thế Parabol . . . . . . . . . . . .

23

1.3.4. Giếng lượng tử thế tam giác . . . . . . . . . . . .

24

1.4. Các phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.4.1. Giải bằng phương pháp giải tích . . . . . . . . . .

26

1.4.2. Giải gần đúng bằng phương pháp biến phân . . .

27

1.5. Các cơ chế tán xạ của khí điện tử hai chiều . . . . . . . .

29

1.5.1. Tán xạ bởi các tạp chất ion hóa (II) . . . . . . . .

30

1


1.5.2. Tán xạ trên phonon (LO phonon và LA phonon) .

30

1.5.3. Tán xạ mất trật tự hợp kim bán dẫn (AD) . . . .

31

1.5.4. Tán xạ nhám bề mặt (SR) . . . . . . . . . . . . .

31

Chương 2. KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM BỀ MẶT
TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ ZnO/MgZnO . . .

33

2.1. Mô hình giếng lượng tử hình thành trong dị cấu trúc bán
dẫn ZnO/MgZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

2.1.1. Giếng lượng tử hình thành trong chuyển tiếp dị
chất đơn ZnO/MgZnO . . . . . . . . . . . . . . .

33

2.1.2. Giếng lượng tử hình thành trong chuyển tiếp dị
chất kép MgZnO/ZnO/MgZnO . . . . . . . . . .

34

2.2. Các đại lượng đặc trưng của cấu hình nhám . . . . . . .

36

2.3. Ảnh hưởng của tán xạ nhám bề mặt lên độ rộng vạch phổ 37
2.3.1. Độ rộng vạch phổ vùng con chuyển tiếp . . . . . .

37

2.3.2.
hưởng- Select.Pdf
của tán xạ SDK
nhám bề mặt lên độ rộng
DemoẢnh
Version
vạch phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

Chương 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN

41

3.1. Xác định giá trị của chiều dài tương quan Λ . . . . . . .

41

3.2. Xác định giá trị của biên độ nhám ∆ . . . . . . . . . . .

42

3.3. So sánh cấu hình nhám của vật liệu ZnO/MgZnO khi thay
đổi các tham số giếng lượng tử . . . . . . . . . . . . . . .

44

KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

PHỤ LỤC

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P.1

2


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1

Các thông số vật lý của vật liệu ZnO. . . . . . . . . . . .

13

1.2

Các thông số vật lý của vật liệu MgZnO. . . . . . . . . .

14

Demo Version - Select.Pdf SDK

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
Cụm từ viết tắt Nghĩa của cụm từ viết tắt
2DEG

Khí điện tử hai chiều

AD

Mất trật tự hợp kim

II

Tạp ion hóa

LA

Phonon âm

LO

Phonon quang

QW

Giếng lượng tử

SR

Nhám bề mặt

Demo Version - Select.Pdf SDK

4


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

1.1

Cấu trúc Wurtzite của vật liệu ZnO. . . . . . . . . . . .

1.2

Sơ đồ thế năng của giếng thế một chiều vuông góc sâu vô
hạn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3

12

18

Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng lượng tử vuông góc
sâu vô hạn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.4

Minh họa giếng lượng tử thế vuông góc sâu hữu hạn. . .

20

1.5

Đồ thị xác định các giá trị η1 , η2 , η3 tương ứng với ba mức
năng lượng E1 , E2 , E3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6

22

Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng lượng tử vuông góc
sâu hữu hạn.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.7

Minh họa giếng lượng tử parabol. . . . . . . . . . . . . .

23

1.8

Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng lượng tử thế parabol. 24

1.9

Demo
- Select.Pdf
SDK
Minh
họaVersion
giếng lượng
tử thế tam
giác. . . . . . . . . . .

25

1.10 Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng thế lượng tử tam giác. 26
2.11 Minh họa giếng lượng tử trong chuyển tiếp dị chất đơn. .

34

2.12 Minh họa giếng lượng tử trong chuyển tiếp dị chất kép. .

35

3.1

Sự phụ thuộc tỉ số giữa các độ rộng vạch phổ vào chiều

dài tương quan Rγ (Λ) = Rγ (L, ns , L , ns ; Λ) trong giếng
lượng tử ZnO/Mg0.3 Zn0.7 O với các độ rộng giếng L = 75
˚
A, L = 95 ˚
A; trong đó, đường đứt nét biểu diễn kết quả
tính toán, đường liền nét biểu diễn kết quả thực nghiệm
và dấu mũi tên chỉ ra giá trị chiều dài tương quan tương
ứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

42


3.2

Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào biên độ nhám γSR (∆) =
γSR (L, ns ; ∆; Λ) trong giếng lượng tử ZnO/Mg0.3 Zn0.7 O
với độ rộng giếng L = 75 ˚
A và chiều dài tương quan được
lấy từ hình 3.1: Λ = 76,5 ˚
A; trong đó, đường đứt nét biểu
diễn kết quả tính toán, đường liền nét biểu diễn kết quả
thực nghiệm và dấu mũi tên chỉ ra giá trị biên độ nhám
tương ứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3

43

Sự phụ thuộc tỉ số giữa các độ rộng vạch phổ vào chiều
dài tương quan Rγ (Λ) = Rγ (L, ns , L , ns ; Λ) trong giếng
lượng tử ZnO/Mg0.3 Zn0.7 O với độ rộng giếng L = 85 ˚
A
(tăng 10 ˚
A so với ban đầu là L = 75 ˚
A); trong đó, đường
đứt nét biểu diễn kết quả tính toán, đường liền nét biểu
diễn kết quả thực nghiệm và dấu mũi tên chỉ ra giá trị
chiều dài tương quan tương ứng. . . . . . . . . . . . . . .

3.4

44

SựDemo
phụ thuộc
độ rộng
vạch phổ vào
biên độ nhám γSR (∆) =
Version
- Select.Pdf
SDK
γSR (L, ns ; ∆; Λ) trong giếng lượng tử ZnO/Mg0.3 Zn0.7 O
với độ rộng giếng L = 85 ˚
A và chiều dài tương quan được
lấy từ hình 3.3: Λ = 98,5 ˚
A; trong đó, đường đứt nét biểu
diễn kết quả tính toán, đường liền nét biểu diễn kết quả
thực nghiệm và dấu mũi tên chỉ ra giá trị biên độ nhám

tương ứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

45


MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, vật liệu bán dẫn đóng vai trò rất quan trọng và không
thể thiếu trong việc chế tạo các linh kiện điện tử. Tuy nhiên, việc sử
dụng vật liệu bán dẫn khối vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu tạo ra các
linh kiện có tốc độ xử lí nhanh, độ bền cao và kích thước nhỏ. Do đó,
trong những năm gần đây vật liệu nano, đặc biệt là các vật liệu thấp
chiều được tập trung nghiên cứu rộng rãi vì các vật liệu này có nhiều
tính năng vượt trội và đáp ứng được những yêu cầu tạo ra các linh kiện
điện tử, quang điện tử siêu nhanh, siêu bền, siêu tiết kiệm và siêu nhỏ
[10].
Các hệ bán dẫn thấp chiều là những hệ có cấu trúc phẳng hai chiều
như giếng lượng tử, cấu trúc một chiều như dây lượng tử và cấu trúc
Demo
Version
- Select.Pdf
SDK
không chiều
như chấm
lượng
tử [2]. Trong
số các cấu trúc bán dẫn thấp

chiều thì cấu trúc giếng lượng tử nhận được rất nhiều sự quan tâm.
Giếng lượng tử được hình thành bằng việc ghép các lớp bán dẫn mỏng
với nhau tạo thành cấu trúc giam giữ một chiều điện tử và lỗ trống. Cấu
trúc này được ứng dụng để chế tạo các linh kiện điện tử, quang điện tử
nhằm đáp ứng tốt các yêu cầu về kĩ thuật [8].
Trong dị cấu trúc bán dẫn, tại chỗ tiếp giáp của hai lớp vật liệu, do
không tương thích hằng số mạng và do nguyên tử của hai loại vật liệu
này lần lượt chiếm các vị trí trên nút mạng một cách ngẫu nhiên làm
cho bề mặt tiếp xúc bị nhám [5]. Trong đó, tán xạ nhám bề mặt là một
hiện tượng tán xạ gây ra bởi bề mặt tiếp xúc gồ ghề của vật liệu dị cấu
trúc. Nó có vai trò rất quan trọng trong việc nghiên cứu các tính chất
của các dị cấu trúc và được xác định bởi cấu hình nhám. Vì vậy, cấu
hình nhám có vai trò rất quan trọng trong việc nghiên cứu các tính chất
7


của dị cấu trúc [7]. Cấu hình nhám được đặc trưng bởi hai tham số là
biên độ nhám (∆) và chiều dài tương quan (Λ). Việc xác định cấu hình
nhám là đi tìm hai kích thước nhám ở trên.
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp khảo sát cấu hình nhám của
các loại vật liệu như là mật độ hấp thụ tích hợp hay độ linh động của
điện tử. Bên cạnh đó, phương pháp dùng tỉ số độ rộng phổ cũng là một
trong những phương pháp tối ưu để khảo sát cấu hình nhám. Độ rộng
vạch phổ là độ rộng của vùng có tần số bức xạ được phát ra hoặc hấp
thụ trong sự chuyển dời của các phân tử hay nguyên tử [5]. Xác định
được độ rộng vạch phổ thì có thể suy ra được cấu hình nhám.
Gần đây, vật liệu bán dẫn ZnO đang được nghiên cứu rất nhiều,
ZnO là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện
vì những tính chất tuyệt vời như là phát sáng vùng tử ngoại và vùng
ánh sáng khả kiến ở nhiệt độ phòng. Bên cạnh đó, ZnO là chất bán dẫn

có vùng cấm
rộngVersion
ở nhiệt -độ
phòng cỡ SDK
3.37 eV, có năng lượng liên kết
Demo
Select.Pdf
exciton lớn (cỡ 60 meV) [6]. Đối với giếng lượng tử hình thành trên mẫu
vật liệu ZnO/MgZnO cũng có những ưu điểm vượt trội so với các mẫu
vật liệu khác về tần số, công suất và các ứng dụng điện tử ở nhiệt độ
cao nên nó là một trong những lựa chọn được quan tâm của hệ nghiên
cứu.
Trong những năm gần đây, ở nước ta cũng có một số nghiên cứu về
lĩnh vực này. Năm 2012, tác giả Nguyễn Thành Tiên, Nguyễn Thị Kim
Ngân, Đặng Hoàng Phượng đã nghiên cứu về độ linh động của khí điện
tử hai chiều tồn tại trong MgZnO/ZnO có cấu hình tạp khác nhau [12].
Vào năm 2013, tác giả Nguyễn Thành Tiên, Lê Thị Thu Vân, Đặng Minh
Thứ đã nghiên cứu về độ rộng vạch phổ hấp thụ bởi cấu trúc giếng lượng
tử AlGaAs/GaAs/AlGaAs pha tạp điều biến do tán xạ nhám bề mặt
[13]. Sau đó tác giả Dương Đình Phước đã khảo sát cấu hình nhám bề
8


mặt trong giếng lượng tử InAs/GaAs trong năm 2015 [8]. Và đến năm
2016, các tác giả Đinh Như Thảo, Nguyễn Thành Tiên, Huỳnh Ngọc
Toàn và Đoàn Nhật Quang đã đề xuất một phương án mới để xác định
các tham số của cấu hình nhám từ một mẫu dữ liệu thông qua việc sử
dụng mật độ hấp thụ tích hợp bằng tích của độ rộng phổ với chiều cao
của đỉnh phổ [16].
Tuy nhiên, cho đến nay chúng tôi chưa tìm thấy một nghiên cứu

nào về cấu hình nhám được tính toán từ tỉ số độ rộng phổ trong giếng
lượng tử ZnO/MgZnO. Từ những lý do nêu trên, tôi quyết định chọn đề
tài “Khảo sát cấu hình nhám thông qua tỉ số độ rộng phổ trong
giếng lượng tử ZnO/MgZnO” làm Luận văn Thạc sĩ.
II. Mục tiêu nghiên cứu
Trong luận văn này chúng tôi sẽ sử dụng lý thuyết Cơ học lượng tử
kết hợp phần
mềmVersion
tính toán
Mathematica
để khảo sát mối quan hệ giữa
Demo
- Select.Pdf
SDK
hai kích thước của cấu hình nhám là chiều dài tương quan và biên độ
nhám thông qua tỉ số độ rộng phổ trong giếng lượng tử ZnO/MgZnO.
III. Nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài chủ yếu tập trung vào các vấn đề sau:
– Tìm hiểu khái quát về vật liệu;
– Khảo sát cấu hình của giếng lượng tử;
– Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cấu hình nhám trong giếng lượng
tử ZnO/MgZnO;
– Tính toán và rút ra kết quả nghiên cứu.

9


IV. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ Luận văn chúng tôi chỉ nghiên cứu về khảo sát cấu
hình nhám thông qua tỉ số độ rộng phổ trong giếng lượng tử ZnO/MgZnO.

V. Phương pháp nghiên cứu
– Nghiên cứu lý thuyết dựa trên lý thuyết Cơ học lượng tử;
– Sử dụng các phương pháp biến phân và phương pháp số;
– Sử dụng chương trình Mathematica để tính số và vẽ đồ thị.
VI. Bố cục luận văn
Luận văn gồm có ba phần chính: Mở đầu, Nội dung và Kết luận.
1. Phần Mở đầu: Trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên
cứu, nội dung nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu
và bố cục luận văn;
Demo Version - Select.Pdf SDK
2. Phần Nội dung: Gồm ba chương
Chương 1: Cơ sở lý thuyết;
Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám bề mặt trong giếng lượng tử
ZnO/MgZnO;
Chương 3: Kết quả tính toán và thảo luận.
3. Phần Kết luận: Trình bày các kết quả đạt được của luận văn và
đề xuất hướng phát triển nghiên cứu.

10