Nghiên cứu hiệu ứng stark quang học trong chấm lượng tử inn gan (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHAN THỊ ÁI NHỊ

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC
TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ InN/GaN

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

PHAN THỊ ÁI NHỊ

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC
TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ InN/GaN
Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN
Mã số: 60440103

Demo Version - Select.Pdf SDK

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

i


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.

Demo Version - Select.Pdf SDK
Huế, tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn

Phan Thị Ái Nhị

ii


LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy,
cô giáo trong khoa Vật Lý và phòng đào tạo sau đại học, trường đại học sư
phạm, đại học Huế đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập
tại trường.

Đặc biệt, tôi xin 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 nghiên
cứu và thực hiện luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và những người bạn thân thiết đã luôn ở
bên cạnh động viên giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn.

Demo Version - Select.Pdf SDK

Huế, tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn

Phan Thị Ái Nhị

iii


MỤC LỤC

Trang bìa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Trang phụ bìa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i

Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

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

3

Danh sách các cụm từ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Danh mục các đồ thị, hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

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

7

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

11

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

11

1.1

Tổng quan về chấm lượng tử bán dẫn . . . . . . . . . . .

11

1.1.1 Khái niệm chấm lượng tử . . . . . . . . . . . . .
Demo Version - Select.Pdf SDK
1.1.2 Phương pháp chế tạo chấm lượng tử . . . . . . .

12

1.1.3

Tính chất quang của chấm lượng tử . . . . . . . .

14

1.1.4

Hàm sóng và năng lượng của điện tử trong chấm

1.2

1.3

13

lượng tử với bờ thế vô hạn . . . . . . . . . . . . .

16

Tổng quan về exiton trong chấm lượng tử bán dẫn . . . .

19

1.2.1

Khái niệm exciton . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.2.2

Exciton trong bán dẫn khối . . . . . . . . . . . .

22

1.2.3

Exciton trong chấm lượng tử bán dẫn . . . . . . .

24

Tổng quan về vật liệu bán dẫn InN/GaN . . . . . . . . .

27

1.3.1

Các đặc trưng của vật liệu InN . . . . . . . . . .

28

1.3.2

Các đặc trưng của vật liệu GaN . . . . . . . . . .

29

1.3.3

Dị cấu trúc bán dẫn InN/GaN . . . . . . . . . . .

32

Chương 2: HIỆU ỨNG STARK QUANG HỌC TRONG
CHẤM LƯỢNG TỬ InN/GaN . . . . . . . . . . . .
1

34


2.1

2.2

Bài toán cặp điện tử - lỗ trống không tương tác . . . . .

34

2.1.1

Hàm sóng và năng lượng của hạt . . . . . . . . .

34

2.1.2

Các chuyển dời quang liên vùng . . . . . . . . . .

36

2.1.3

Các chuyển dời quang nội vùng . . . . . . . . . .

39

Hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN

40

2.2.1

Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.2.2

Yếu tố ma trận chuyển dời . . . . . . . . . . . . .

41

2.2.3

Hấp thụ của cặp điện tử - lỗ trống khi không có
sóng bơm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.4

46

Hấp thụ của cặp điện tử - lỗ trống khi có sóng bơm 47

Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH SỐ VÀ THẢO LUẬN . .

51

3.1

Tham số và cách thức tính toán . . . . . . . . . . . . . .

51

3.2

Kết quả tính số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . .

52

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

59

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

60

PHỤ LỤC
. . . . .- .Select.Pdf
. . . . . . SDK
. . . . . . . . . . . . . . . P.1
Demo Version

2


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1

Các thông số của vật liệu bán dẫn InN ở nhiệt độ 300 K.

29

1.2

Các thông số của vật liệu bán dẫn GaN ở nhiệt độ 300 K.

31

Demo Version - Select.Pdf SDK

3


DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

Cụm từ viết tắt

Nghĩa của cụm từ viết tắt

GaAs

Gallium arsenide

GaN

Gallium nitride

InN

Indium nitride

QD

Chấm lượng tử

QW

Giếng lượng tử

QWs

Dây lượng tử

Demo Version - Select.Pdf SDK

4


DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ

1.1

Chấm lượng tử có thể phát ra đủ màu trong quang phổ
ánh sáng nhờ thay đổi kích thước tinh thể. . . . . . . . .

12

1.2

Sơ đồ minh họa sự hình thành exciton trong bán dẫn. . .

20

1.3

Vật liệu bán dẫn InN/GaN. . . . . . . . . . . . . . . . .

27

1.4

Cấu trúc tinh thể InN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.5

Tinh thể InN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

1.6

Cấu trúc tinh thể GaN. Nguyên tử Ga được đại diện bởi
hình cầu lớn màu tím, và nguyên tử N là hình cầu màu
xanh dương nhỏ hơn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

1.7

Tinh thể GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

1.8

Bề rộng khe vùng dị cấu trúc InN/GaN. . . . . . . . . .

32

2.1

a) Khi không có sóng bơm laser; b) Khi có sóng bơm laser. 41

3.1

Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu
Demo Version - Select.Pdf SDK
có bán kính R = 70 ˚
A khi không có sóng bơm cộng hưởng
(đường đứt nét) và khi có sóng bơm với ∆ω = 0 meV
(đường liền nét), độ rộng vạch Γ = 0.1 meV. . . . . . . .

3.2

Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu
có bán kính R = 70 ˚
A khi có sóng bơm cộng hưởng với
∆ω = 0.1 meV, độ rộng vạch Γ = 0.1 meV. . . . . . . . .

3.3

53

Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu

˚ khi có sóng bơm cộng hưởng với
có bán kính R = 70 A
∆ω = 0.3 meV, độ rộng vạch Γ = 0.1 meV. . . . . . . . .

3.4

52

54

Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu
có bán kính R = 70 ˚
A khi có sóng bơm cộng hưởng với
∆ω = 0 meV (đường liền nét màu đỏ), ∆ω = 0.1 meV
(đường đứt nét màu tím), ∆ω = 0.3 meV (đường đứt nét
màu xanh), độ rộng vạch Γ = 0.1 meV. . . . . . . . . . .
5

55


3.5

Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu
có bán kính R = 40 ˚
A khi không có sóng bơm (đường đứt
nét) và khi có sóng sóng bơm cộng hưởng với ∆ω = 0
meV (đường liền nét), độ rộng vạch Γ = 0.1 meV. . . . .

3.6

Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu
có bán kính R = 40 ˚
A khi có sóng bơm cộng hưởng với
∆ω = 0.1 meV, độ rộng vạch Γ = 0.1 meV. . . . . . . . .

3.7

56

Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu
có bán kính R = 40 ˚
A khi có sóng bơm cộng hưởng với
∆ω = 0.3 meV, độ rộng vạch Γ = 0.1 meV. . . . . . . . .

3.8

56

57

Phổ hấp thụ của exciton trong chấm lượng tử hình cầu
˚ khi có sóng bơm cộng hưởng với
có bán kính R = 40 A
∆ω = 0 meV (đường liền nét màu đỏ), ∆ω = 0.1 meV
(đường đứt nét màu tím), ∆ω = 0.3 meV (đường đứt nét
màu xanh), độ rộng vạch Γ = 0.1 meV. . . . . . . . . . .
Demo Version - Select.Pdf SDK

6

57


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cuối những năm 80 của thế kỷ XX, khoa học vật lý đã có sự chuyển
hướng đối tượng nghiên cứu chính từ các vật liệu bán dẫn khối có cấu
trúc ba chiều sang bán dẫn thấp chiều. 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 không chiều như chấm lượng tử [6].
Một trong những cấu trúc thấp chiều đang được quan tâm nghiên cứu là
chấm lượng tử. Chấm lượng tử là cấu trúc giam giữ hạt vi mô trong cả
ba chiều không gian. Cấu trúc này đang được ứng dụng phổ biến trong
việc chế tạo linh kiện điện tử và quang điện tử. Một trong những ứng
dụng đó là chế tạo ra máy tính quang điện tử dựa trên sự nghiên cứu
hiệu ứng Stark quang học của exiton [1].
Demo
Version
Select.Pdf
SDK
Hiệu ứng
Stark
quang -học
của exciton
trong các cấu trúc thấp chiều
lần đầu tiên được phát hiện trong các giếng lượng tử bán dẫn năm 1986
và đã được nghiên cứu rộng rãi từ đó [13]. Hiệu ứng Stark quang học là
hiện tượng tách mức năng lượng của điện tử (lỗ trống) dưới tác dụng
của sóng bơm laser cộng hưởng với hai mức năng lượng lượng tử hóa

của điện tử (lỗ trống). Hiệu ứng này đã làm thay đổi đáng kể phổ hấp
thụ của exciton. Vì vậy nó đã tạo ra sự thay đổi lớn trong các ứng dụng
quang học [13]. Thêm vào đó, với việc tạo ra được các chấm lượng tử
nhờ những tiến bộ của công nghệ nuôi cấy nanô, đã góp phần mở rộng
việc nghiên cứu hiệu ứng Stark trong các cấu trúc thấp chiều [15].
Đã có nhiều công trình nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong
cấu trúc giếng lượng tử với mô hình hệ ba mức bằng phương pháp sử
dụng lý thuyết về độ cảm phi tuyến bậc ba hay hình thức luận hàm sóng
tái chuẩn hóa. Trong đó, phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa cũng đã
7


áp dụng hiệu quả trong việc nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học cho
chấm lượng tử với vật liệu InGaAs/InAlAs [13]. Phương pháp này cũng
được kỳ vọng có kết quả tốt trong việc nghiên cứu hiệu ứng Stark quang
học cho chấm lượng tử hình thành từ các vật liệu khác nhau.
Gần đây, chất bán dẫn nhóm III - nitride đã trở thành trọng tâm
của nghiên cứu do đặc tính vật lý độc nhất và tiềm năng cao của chúng.
Các đặc tính đó thể hiện rõ trong dị cấu trúc bán dẫn InN/GaN đó
là tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, hoạt động ở nhiệt độ cao, sự phân cực
mạnh ảnh hưởng đến tính chất quang học và điện của vật liệu. Thiết bị
điện tử nitride cũng thân thiện với môi trường bởi vì chúng không chứa
các nguyên tố độc hại. Ngoài ra, có sự quan tâm đáng chú ý đối với vật
liệu InN vì tính chất điện tuyệt vời về mặt lý thuyết và được ứng dụng
trong các thiết bị tốc độ cao. Bên cạnh đó, vật liệu GaN là một vật liệu
rất cứng, ứng dụng trong các thiết bị tần số cao và được chọn làm rào
trong chế tạo dị cấu trúc bán dẫn InN/GaN [12].
TrongDemo
nhữngVersion
năm gần- đây,

ở nước ta
cũng có một số nghiên cứu về
Select.Pdf
SDK
lĩnh vực này. Năm 1997, tác giả Đinh Như Thảo đã nghiên cứu hiệu ứng
Stark quang học hệ ba mức trong chấm lượng tử GaAs/AlGaAs bằng
phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa [ ]. Với phương pháp đó, nhiều tác
giả cũng đã nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng hình
thành từ các vật liệu khác nhau. Năm 2015, tác giả Lê Văn Út nghiên
cứu trên vật liệu InAs/AlAs [10], tác giả Trần Thị Mai Trâm nghiên cứu
trên vật liệu InAs/GaAs. Năm 2016, tác giả Ngô Thị Anh nghiên cứu
hiệu ứng này trên vật liệu GaN/AlN [1]. Đến năm 2017, nhóm tác giả
Đinh Như Thảo công bố bài báo nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học
trong chấm lượng tử InGaAs/InAlAs [13].
Cho đến thời điểm này, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu hiệu ứng
Stark quang học trong cấu trúc thấp chiều khác nhau, nhưng việc nghiên
cứu hiệu ứng này đối với cấu trúc vật liệu InN/GaN vẫn chưa được thực

8


hiện. Từ những lí do trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên
cứu hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN”
làm Luận văn Thạc sĩ.

2. Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học trong
chấm lượng tử InN/GaN với thế giam giữ đối xứng cầu cao vô hạn; xét
bài toán có hai sóng laser biến đổi theo thời gian, khảo sát sự thay đổi
của phổ hấp thụ của exiton dưới tác dụng của sóng bơm.

3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về chấm lượng tử bán dẫn, exiton trong
chấm lượng tử bán dẫn;
- Nghiên cứu về cấu trúc vật liệu InN/GaN, chấm lượng tử InN/GaN;
Demo
Select.Pdf
SDK học trong chấm lượng tử
- Nghiên
cứuVersion
về hiệu- ứng
Stark quang
InN/GaN.

4. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi chỉ nghiên cứu hiệu ứng Stark
quang học trong chấm lượng tử InN/GaN với thế giam giữ đối xứng cầu
cao vô hạn.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên lý thuyết cơ học lượng tử;
- Sử dụng ngôn ngữ lập trình Mathematica để tính số và vẽ đồ thị.

9


6. Bố cục luận văn
Ngoài Mục lục, Phụ lục và Tài liệu tham khảo, Luận văn được chia
làm ba phần.
Phần Mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu,

phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục của luận văn.
Phần Nội dung: Bao gồm ba chương
- Chương 1: Cơ sở lý thuyết;
- Chương 2: Hiệu ứng Stark quang học trong chấm lượng tử InN/GaN;
- Chương 3: Kết quả tính số và thảo luận.
Phần Kết luận: Trình bày kết quả đạt được của Luận văn và đề
xuất hướng mở rộng của đề tài.

Demo Version - Select.Pdf SDK

10