Nghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn chấm lượng tử (Khóa luận tốt nghiệp)

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong xu thế phát triển về khoa học kỹ thuật và công nghệ, con người không
ngừng tìm kiếm, chế tạo ra những vật liệu mới. Nhằm giúp con người đáp ứng
được nhu cầu phát triển không ngừng trong lĩnh vực này. Vật liệu nano chính là
một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần
đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, các ứng dụng của
công nghệ nano trong đời sống hiện nay. Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt
nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé – kích thước nanomet. Đối với vật
liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu.
Nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt
đầu từ nguyên nhân này.
Việc phát hiện hay sự ra đời của chấm lượng tử chính là một bước tiến quan
trọng trong việc phát triển lĩnh vực vật liệu cấu trúc nano (vật liệu bán dẫn thấp
chiều). Alexey Ekimov lần đầu tiên phát hiện ra chấm lượng tử vào năm
1981 trong một ma trận thủy tinh. Sau đó Louis E. Brus quan sát thấy chúng
trong dung dịch dạng keo vào năm 1985. Thuật ngữ "chấm lượng tử" được ra
đời vào năm 1988 đặt ra bởi Mark Reed [7]. Người ta đã nghiên cứu chấm lượng
tử này và phát hiện rằng có tính năng ưu việt, mở ra được nhiều tiềm năng ứng
dụng phát triển kỹ thuật và công nghệ mới đầy sáng tạo. Do đó, việc nghiên cứu
và chế tạo chấm lượng tử đang là một lĩnh vực rất nóng, mà các nhà khoa học
trong nước và ngoài nước quan tâm. Nhằm đưa ra những ứng dụng hữu ích nâng
cao giá trị cuộc sống của chúng ta. Chấm lượng tử được xem là vật liệu đặc biệt
được chế tạo từ vật liệu bán dẫn, kim loại hoặc polymer. Bán dẫn chấm lượng tử
chính là một trong những vật liệu có tầm ảnh hưởng quan trọng sự phát triển của
vật liệu bán dẫn.
Là một sinh viên ngành Vật lí, với mong muốn tìm hiễu rõ bán dẫn chấm
lượng tử có những tính năng ưu việt gì, dẫn đến những tiềm năng ứng dụng
trong khoa học, công nghệ hiện nay.
Với lí do trên, tôi chọn đề tài:
1

“Nghiên cứu cấu trúc, phân loại và một số tính chất quang của bán dẫn
chấm lượng tử”
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về bán dẫn chấm lượng tử và
tính hệ số hấp thụ photon trong mô hình bán dẫn chấm lượng tử.
3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu trên, những nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:
- Nghiên cứu tìm hiểu về các vật liệu thấp chiều.
- Tìm hiểu cấu trúc chấm lượng tử.
- Phân loại chấm lượng tử.
- Biểu thức hàm sóng và năng lượng của chấm lượng tử trong từ trường
ngoài.
- Tính hệ số hấp thụ photon trong mô hình bán dẫn chấm lượng tử.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu những vấn đề tổng quan về bán dẫn chấm lượng tử. Chỉ xét
quá trình hấp thụ một photon.
6. BỐ CỤC CỦA KHÓA LUẬN
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung của khóa
luận gồm 2 chương:
Chương 1. Giới thiệu tổng quan về bán dẫn chấm lượng tử.
Chương 2. Trình bày phương pháp tính hệ số hấp thụ quang-từ trong mô hình
bán dẫn chấm lượng tính toán.

2

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN CHẤM LƯỢNG TỬ
1.1. Các hệ lượng tử
Vật liệu và linh kiện nano, loại vật liệu chỉ có kích cỡ chỉ vào khoảng 1nm
- 100 nm. Loại vật liệu này đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của rất
nhiều nhà khoa học ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới. Sở dĩ như vậy là do
những tiềm năng ứng dụng trong công nghệ và đời sống. Những vật liệu này thể
hiện những tính chất vật lí và hoá học rất mới lạ. Các tính chất đó không hề có
trong các nguyên tử riêng biệt hay trong vật liệu khối có cùng thành phần hóa
học. Những vật liệu nano đó có thể được định nghĩa là những hệ trong đó có ít
nhất một chiều có kích cỡ nanomet. Ta biết rằng không gian thực gồm ba chiều,
vậy khi giảm đi một, hai hoặc ba chiều của vật liệu khối xuống kích thước cỡ
nanomet. Ta sẽ thu được các cấu trúc tương ứng gọi là giếng lượng tử - hệ hai
chiều (2D), dây lượng tử - hệ một chiều (1D) và chấm lượng tử - hệ không chiều
(0D) [9].
1.1.1. Hệ hai chiều – giếng lượng tử
Khi kích thước của vật rắn theo một phương nào đó bị giảm xuống chỉ
còn cỡ nanomet, các điện tử chỉ có thể chuyển động tự do theo hai phương có
kích thước thông thường. Theo phương bị giảm kích thước cỡ nanomet thì điện
tử không thể di chuyển tự do, tức ở phương này có hiệu ứng giam giữ lượng tử,
năng lượng bị lượng tử hóa thành các mức gián đoạn theo chiều bị giới hạn này.
Như vậy, trong trường hợp này, chuyển động của điện tử bị giới hạn trong
một chiều và tự do trong hai chiều. Vì vậy, người ta gọi vật liệu này là vật liệu
hai chiều, hệ hai chiều, giếng lượng tử hay là hố lượng tử.
Hình 1 biểu diễn mô hình hố lượng tử đơn giản nhất có thể nuôi cấy được.
Đây là trường hợp một cấu trúc GaAs/AlGaAs (Gallium arsenide/Aluminium
gallium arsenide) được lớn lên trên đế GaAs. Cấu trúc này gồm một lớp bán dẫn
GaAs có chiều dày d (chỉ cỡ 10nm), được đặt xen kẽ giữa hai lớp bán dẫn
AlGaAs có bề dày lớn hơn. Độ dày d được chọn sao cho chuyển động của điện
tử trong lớp GaAs bị lượng tử hóa. Hệ tọa độ được đặt sao cho phương z trùng

3


với phương lớn lên của tinh thể, còn các trục x và y nằm trong mặt phẳng đế.
Theo cách này, chuyển động của hạt theo phương z bị lượng tử hóa, còn theo
phương x, y hạt chuyển động tự do.

Hình 1. Mô hình giếng lượng tử đơn
Nửa dưới của hình 1 mô tả sự thay đổi theo không gian của vùng dẫn và
vùng hóa trị dọc theo phương z. Độ rộng vùng cấm của AlGaAs lớn hơn so với
của GaAs, khi đó các đường biên tương ứng với trạng thái thấp nhất trong vùng
dẫn và cao nhất trong vùng hóa trị của GaAs nằm giữa khe vùng cấm của
AlGaAs. Như vậy, đã có hàng rào thế được sinh ra tại biên tiếp xúc giữa các lớp
bán dẫn, do sự không liên tục của vùng dẫn và vùng hóa trị, hình thành nên một
giếng thế ở lớp GaAs, trong trường hợp này gọi là giếng lượng tử. Các điện tử
trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị bị bẫy và bị giam nhốt trong các
giếng thế này. Theo đó, chuyển động của chúng theo phương z bị lượng tử hóa,
nhưng theo mặt phẳng (x,y) vẫn là tự do.
1.1.2. Hệ một chiều - dây lượng tử
Khi kích thước của vật rắn giảm xuống cỡ nanomet theo hai chiều, còn
chiều còn lại có kích thước thông thường. Khi đó, điện tử bị giới hạn theo hai
chiều, nó chuyển động tự do dọc theo chiều dài của dây. Phổ năng lượng gián
đoạn theo hai chiều trong không gian. Hệ này còn gọi là hệ một chiều hay dây
lượng tử.

4


1.1.3. Hệ không chiều - chấm lượng tử
Khi kích thước của vật rắn giảm xuống cỡ nanomet theo cả ba chiều

không gian, các điện tử bị giới hạn theo cả ba chiều và hoàn toàn không thể
chuyển động tự do. Phổ năng lượng bị gián đoạn theo cả ba chiều trong không
gian. Hệ này còn gọi là hệ không chiều hay là chấm lượng tử.
1.2. Khái niệm bán dẫn chấm lượng tử
Bán dẫn chấm lượng tử là một tinh thể bán dẫn cỡ một vài nanomet, trong
đó các điện tử đều bị giam giữ trong cả ba chiều không gian.
Hoạt động của điện tử trong một chấm như vậy là rất khác thường, vì điện
tử xem như bị nhốt trong một không gian khá chật hẹp. Các mức năng lượng của
nó bị tách ra thành các mức riêng biệt như các mức năng lượng của nguyên tử.
Vì vậy mà người ta gọi là chấm lượng tử hay tạm gọi là nguyên tử nhân tạo [4].
Năm 1988, giáo sư vật lý Mark A. Reed (Đại học Yale) mới đặt tên cho
những tinh thể bé xíu này là chấm lượng tử [7]. Bởi kích thước quá nhỏ khiến
chúng chịu ảnh hưởng của định luật lượng tử. Nghĩa là, mỗi chấm lượng tử ở
kích thước và cấu trúc nhất định sẽ mang đặc tính cụ thể. Việc thêm hoặc bớt dù
chỉ một nguyên tử trong cấu trúc cũng làm thay đổi tính chất của chấm. Như
vậy, tính chất và kích thước của chấm lượng tử liên quan chặt chẽ với nhau. Đây
cũng là chìa khóa mở ra những ứng dụng tuyệt vời cho loại vật liệu nano này.
Hình 1 minh họa một bán dẫn chấm lượng tử được làm từ CdSe/ZnS.
Gồm lõi là từ vật liệu CdSe, vỏ là vật liệu ZnS.

Hình 2. Bán dẫn chấm lượng tử làm từ chất bán dẫn
5


Thường cấu trúc của chấm lượng tử là cấu trúc lõi – vỏ (core – shell). Lớp
vật liệu dùng làm vỏ được lựa chọn thường phải có cấu trúc tinh thể tương tự
với vật liệu lõi, nhưng có năng lượng vùng cấm lớn hơn của chấm lượng tử lõi.
Hạt tải trong chấm lượng tử lõi sẽ chịu sự giam giữ lượng tử của lớp vỏ. Ngoài
ra lớp vỏ bọc còn có tác dụng thụ động hoá các liên kết hở tại bề mặt của lõi và
tạo thành một hàng rào thế năng giam giữ các hạt tải điện của lõi. Ví dụ như trên

đã chọn ZnS làm vỏ bọc cho chấm lượng tử CdSe.
1.3. Hoạt động của bán dẫn chấm lượng tử
Năng lượng bị gián đoạn theo cả ba chiều không gian nên ta có các mức
năng lượng khác nhau. Tuy nhiên, mức năng lượng được điều chỉnh bởi kích
thước của chấm lượng tử chứ không phải là chất của vật liệu đó.

Hình 3. Hoạt động của bán dẫn chấm lượng tử
Chúng ta biết rằng, nếu cung cấp năng lượng nguyên tử chính là năng
lượng của photon. Ta có thể tăng một điện tử bên trong nó lên một mức năng
lượng cao hơn, quá trình này chính là quá trình hấp thụ. Khi ở các mức kích
thích, mức năng lượng càng cao thì thời gian sống của điện tử càng ngắn. Nên
sau khi hết thời gian sống điện tử có xu hướng trở lại mức thấp hơn, nguyên tử
phát ra một photon ánh sáng với cùng năng lượng mà nguyên tử ban đầu hấp
thụ, quá trình này chính là quá trình phát xạ.
Các chấm lượng tử được tạo ra từ cùng một chất liệu sẽ phát
ra các màu khác nhau tùy thuộc vào độ lớn (kích thước) của chúng.

6


Hình 4. Mô tả bán dẫn chấm lượng tử cùng một chất liệu nhưng kích thước khác
nhau
Các chấm lượng tử lớn nhất tạo ra các bước sóng dài nhất (và tần số thấp
nhất), trong khi các chấm nhỏ nhất tạo ra các bước sóng ngắn hơn (và tần số cao
hơn). Trong thực tế, điều đó có nghĩa là các chấm lớn tạo ra ánh sáng đỏ và các
chấm nhỏ tạo thành màu xanh dương, với các chấm có kích thước trung bình tạo
ra ánh sáng xanh (và phổ màu quen thuộc của các màu khác nữa). Đối với một
dấu chấm nhỏ, nó sẽ có một vùng cấm lớn hơn. Vì vậy cần nhiều năng lượng
hơn để kích thích nó. Bởi vì tần số của ánh sáng phát ra tỉ lệ thuận với năng
lượng, các chấm nhỏ hơn với năng lượng cao hơn tạo ra tần số cao hơn (và các

bước sóng ngắn hơn). Các chấm lớn hơn, chúng phát ra các tần số thấp hơn (và
các bước sóng dài hơn) [3][5].
1.4. Hiệu ứng giam giữ lượng tử
Khi kích thước của hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr của exciton thì
có thể xảy ra hiệu ứng kích thước lượng tử hay còn gọi là hiệu ứng giam giữ
lượng tử. Trong đó các trạng thái của điện tử bị lượng tử hóa.
Nếu kích thước của khối bán dẫn giảm xuống cỡ nanomet, thì các hạt tải
điện bị giam giữ sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong một
giếng thế. Nghiệm của phương trình Schrodinger trong trường hợp này là các
sóng dừng (sóng đứng) bị giam trong giếng thế và năng lượng bị gián đoạn [9].
Sự giam giữ lượng tử thường tạo ra sự mở rộng vùng cấm với sự giảm về
mặt kích thước của chấm lượng tử. Vùng cấm trong một vật liệu là năng lượng
7


để tạo ra một điện tử và lỗ trống tại trạng thái nghỉ ở một khoảng cách đủ xa
tránh khỏi sự tương tác Coulomb của chúng. Nếu một hạt tải đến gần một hạt
khác, chúng có thể hình thành một cặp điện tử – lỗ trống, nghĩa là một exciton,
có năng lượng khoảng vài eV thấp hơn vùng cấm. Người ta có thể coi exciton
như nguyên tử Hydro nhưng sự khác nhau về khối lượng hiệu dụng của điện tử
và lỗ trống trong bán dẫn không lớn bằng sự khác nhau giữa khối lượng của điện
tử và proton trong nguyên tử Hydro [8]. Khoảng cách giữa điện tử và lỗ trống
được gọi là bán kính Bohr (rB ). Nếu me và mh là khối lượng của điện tử và lỗ
trống, thì bán kính rB sẽ được xác định bằng công thức:
rB =

hɛ 1
e

(

2

me

+

1
mh

),

(1.1)

trong đó, h là hằng số planck, ɛ là hằng số điện môi, e là điện tích nguyên tố.
Nếu bán kính R của chấm lượng tử xấp xỉ rB, hoặc nhỏ hơn rB thì chuyển
động của điện tử và lỗ trống sẽ bị giới hạn bởi kích thước của chấm lượng tử nó
tạo ra sự phát quang và sự tăng năng lượng chuyển tiếp exciton và có dịch
chuyển xanh trong vùng cấm của chấm lượng tử. Bán kính Bohr exciton là giá
trị ngưỡng, và hiệu ứng giam giữ trở nên quan trọng khi bán kính của chấm
lượng tử nhỏ hơn. Đối với chấm lượng tử nhỏ, năng lượng liên kết exciton lớn
hơn nhiều trong vật liệu khối. Đối với vật liệu có ε tương đối cao hoặc me và mh
nhỏ thì rB lớn hơn [10][11].
Có ba chế độ giam giữ lượng tử đã được nghiên cứu, tùy thuộc vào kích
thước của chấm lượng tử: R >> rB , R ≈ rB, R << rB, trong đó R là bán kính của
chấm lượng tử. Các chế độ này được gọi tương ứng là chế độ giam giữ lượng tử
yếu, chế độ giam giữ lượng tử trung gian và chế độ giam giữ lượng tử mạnh.
 Chế độ giam giữ lượng tử yếu
Trong trường hợp bán kính của hạt rất lớn so với bán kính Bohr exciton của
vật liệu (R >> rB), năng lượng liên kết của một exciton Eex , là lớn hơn năng
lượng lượng tử của cả điện tử và lỗ trống và phổ quang học của chấm lượng tử

được xác định bởi sự giam giữ lượng tử của khối tâm exciton. Năng lượng
chuyển dời quang học thấp nhất được cho bởi biểu thức:
8


Khóa luận đủ ở file: Khóa luận full