o ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỖ MẠNH HÙNG …… NHIÊN MỘT SỐ HIỆU ỨNG ĐỘNG TRONG CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Hà nội-2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỖ MẠNH HÙNG …… NHIÊN MỘT SỐ HIỆU ỨNG ĐỘNG TRONG CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. HƯỚNG DẪN CHÍNH: GS.TS. NGUYỄN QUANG BÁUGS.Ts.áu 2. HƯỚNG DẪN PHỤ: GS.TS. BẠCH THÀNH CÔNG N Hà nội-2011 MUC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN THẤP CHIỀU VÀ HIỆU ỨNG ĐỘNG TRONG BÁN DẪN KHỐI 10 1.1. Hệ thấp chiều 10 1.1.1. Hệ hai chiều 10 1.1.2. Hệ một chiều 18 1.1.3. Hệ không chiều 21 1.2. Hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ mạnh trong bán dẫn khối 22 1.2.1. Sự hấp thụ sóng điện từ trong bán dẫn khối 22 1.2.2. Phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử trong bán dẫn khối 25 1.2.3. Biểu thức hệ số hấp thụ sóng điện từ trong bán dẫn khối 27 1.3. Cộng hƣởng tham số và biến đổi tham số giữa phonon âm và phonon quang trong bán dẫn khối 32 1.3.1.Hệ phƣơng trình động lƣợng tử cho phonon âm và phonon quang trong bán dẫn khối 32 1.3.2. Biểu thức giải tích của biên độ trƣờng ngƣỡng 34 1.3.3. Hệ số biến đổi tham số giữa phonon âm và phonon quang trong bán dẫn khối. 36 CHƯƠNG 2: HỆ SỐ HẤP THỤ PHI TUYẾN SÓNG ĐIỆN TỪ MẠNH BỞI ĐIỆN TỬ GIAM CẦM TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN 37 2.1. Hamiltonian của hệ điện tử-phonon trong siêu mạng hợp phần 37 2.1.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 37 2.1.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 38 2.2. Phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử trong siêu mạng hợp phần 39 2.2.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 39 2.2.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 42 2.3. Hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ mạnh bởi điện tử giam cầm trong siêu mạng hợp phần 45 2.3.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài, tán xạ điện tử-phonon quang 45 2.3.2.Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài, tán xạ điện tử-phonon õm 48 2.3.3. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài …….50 2.4. Tính toán số vẽ đồ thị và thảo luận kết quả 52 2.4.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 52 2.4.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 54 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 55 CHƯƠNG 3: HỆ SỐ HẤP THỤ PHI TUYẾN SÓNG ĐIỆN TỪ MẠNH BỞI ĐIỆN TỬ GIAM CẦM TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP 56 3.1. Hamiltonian của hệ điện tử-phonon trong siêu mạng pha tạp 56 3.1.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 56 3.1.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 57 3.2. Phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử trong siêu mạng pha tạp 58 3.2.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 58 3.2.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 60 3.3. Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ mạnh trong siêu mạng pha tạp 64 3.3.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 64 3.3.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài .67 3.4.Tính toán số vẽ đồ thị và thảo luận kết quả 70 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 73 CHƯƠNG 4: HỆ SỐ HẤP THỤ PHI TUYẾN SÓNG ĐIỆN TỪ MẠNH BỞI ĐIỆN TỬ GIAM CẦM TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ 74 4.1. Hamiltonian của hệ điện tử-phonon trong giếng lƣợng tử 74 4.1.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 74 4.1.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 75 4.2. Phƣơng trình động lƣợng tử cho điện tử trong giếng lƣợng tử 76 4.2.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 76 4.2.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 78 4.3. Biểu thức giải tích hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ mạnh trong giếng lƣợng tử 81 4.3.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài, tán xạ điện tử-phonon quang 81 4.3.2. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài, tán xạ điện tử-phonon õm……………………… 83 4.3.3. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 84 4.4. Tính toán số vẽ đồ thị và thảo luận kết quả 85 4.4.1. Trƣờng hợp vắng mặt từ trƣờng ngoài 85 4.4.2. Trƣờng hợp có mặt từ trƣờng ngoài 87 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 89 CHƯƠNG 5. CỘNG HƯỞNG THAM SỐ VÀ BIẾN ĐỔI THAM SỐ GIỮA PHONON ÂM GIAM CẦM VÀ PHONON QUANG GIAM CẦM TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ ……………….…… ………………………………….90 5.1. Cơ chế cộng hƣởng tham số và biến đổi tham số giữa phonon âm giam cầm và phonon quang giam cầm trong giếng lƣợng tử……………………90 5.2. Hệ phƣơng trình động lƣợng tử mô tả tƣơng tác tham số giữa phonon âm giam cầm và phonon quang giam cầm trong giếng lƣợng tử 91 5.2.1. Hamiltonian của hệ điện tử-phonon âm giam cầm và phonon quang giam cầm trong giếng lƣợng tử 91 5.2.2. Hệ phƣơng trình động lƣợng tử cho phonon âm giam cầm và phonon quang giam cầm trong giếng lƣợng tử ……… …93 5.3. Cộng hƣởng tham số giữa phonon âm giam cầm và phonon quang giam cầm trong giếng lƣợng tử …………………………………………… ….95 5.3.1. Phƣơng trình tán sắc của phonon âm giam cầm và phonon quang giam cầm trong giếng lƣợng tử ……… 95 5.3.2. Biểu thức giải tích của biên độ trƣờng ngƣỡng ………98 5.4. Biến đổi tham số giữa phonon âm giam cầm và phonon quang giam cầm trong giếng lƣợng tử 104 5.5. Tính toán số và thảo luận kết quả 106 KẾT LUẬN CHƢƠNG 5 108 KẾT LUẬN 110 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 122 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1. Sự phụ thuộc của vào (tán xạ điện tử-phonon quang) 52 Hình 2.2. Sự phụ thuộc của vào E 0 , (tán xạ điện tử -phonon âm) 52 Hình 2.3. Sự phụ thuộc của vào T, (tán xạ điện tử-phonon quang) 53 Hình 2.4 Sự phụ thuộc của vào T, (tán xạ điện tử -phonon âm) 53 Hình 2.5. Sự phụ thuộc của vào , (tán xạ điện tử-phonon quang) 53 Hình 2.6. Sự phụ thuộc của vào , (tán xạ điện tử-phonon quang) 53 Hình 3.1. Sự phụ thuộc của vào E 0 . (không có từ trƣờng) 70 Hình 3.2. Sự phụ thuộc của vào E 0 . (có từ trƣờng) 70 Hình 3.3. Sự phụ thuộc của vào và T. (không có từ trƣờng) 71 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của vào và T. (có từ trƣờng) 71 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của vào . (không có từ trƣờng) 72 Hình 3.6. Sự phụ thuộc của vào . (có từ trƣờng) 72 Hình 4.1. Sự phụ thuộc của vào . Hấp thụ gần ngƣỡng, tƣơng tác điện tử-phonon quang 85 Hình 4.2. Sự phụ thuộc của vào T. Hấp thụ gần ngƣỡng, tƣơng tác điện tử-phonon âm 85 Hình 4.3. Sự phụ thuộc của vào . Hấp thụ gần ngƣỡng, tƣơng tác điện tử-phonon quang 86 Hình 4.4. Sự phụ thuộc của vào . Hấp thụ gần ngƣỡng, tƣơng tác điện tử-phonon âm 86 Hình 4.5. Sự phụ thuộc của vào L. (không có từ từ trƣờng) 87 Hình 4.6. Sự phụ thuộc của vào và và L (có từ trƣờng) 87 Hình 4.7. Sự phụ thuộc của vào 87 Hình 4.8. Sự phụ thuộc của vào 87 Hình 5.1: Sự phụ thuộc của biên độ trƣờng ngƣỡng E th (Vcm -1 ) theo độ lớn của vector sóng q(m -1 ) 106 Hình 5.2: Sự phụ thuộc của biên độ trƣờng ngƣỡng E th (Vcm -1 ) theo nhiệt độ T 106 Hình 5.3: Sự phụ thuộc của biên độ trƣờng ngƣỡng K 1 vào T (phonon giam cầm) 107 Hình 5.4: Sự phụ thuộc của K 1 vào T (phonon khụng giam cầm 107  0 E       B     D n  D n      0 E            B  CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN T Nhiệt độ tuyệt đối của hệ vật liệu k B Hằng số Boltzmann N * Chiết suất của mẫu. e Điện tích của điện tử. m * Khối lƣợng hiệu dụng của điện tử. c Vận tốc ánh sáng. Vận tốc sóng âm. Vector sóng của điện tử. Vector xung lƣợng của điện tử. Vector sóng của phonon. Vector xung lƣợng của phonon Hằng số thế biến dạng. Hằng số điện môi Toán tử sinh điện tử ở trạng thái Toán tử sinh điện tử ở trạng thái Toán tử sinh phonon ở trạng thái Toán tử hủy phonon ở trạng thái Tần số của phonon âm Tần số của phonon quang. Hệ số điện thẩm cao tần Hệ số điện thẩm tĩnh V 0 Thể tích chuẩn hóa s  k  k   q  q    0  ,nk a   ,nk  ,nk a  ,nk  q b   q  q b  q  q   0 q      0  Thế vector của trƣờng laser A  1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài     bán . , các bán   (             …);    (          …); (hình  hình ).    …)           [1-16, 18].                    - -…  2 ,                     quang- [38, 41, 44, 49, 50] , chính   các                       … các    . M thành    nhà v       -Nga) và Herbert Kroemer    - kim  . C :  ; các  các            [...]... mật độ trạng thái trong cấu trúc giếng l-ợng tử có đóng góp quan trọng trong các laser bán dẫn giếng l-ợng tử Với các cặp bán dẫn nh- Ge/GaAs, AlAs/GaAs, InAs/GaSb [53, 55, 56, 59, 66, 67, 71] cấu trúc giếng l-ợng tử đ-ợc coi là có chất l-ợng tốt Theo c hc lng t, chuyn ng ca in t trong ging th b lng t húa; nng lng ca in t c c trng bi mt s lng t n no ú n (n =1,2,) Chuyn ng ca in t trong mt phng xy l... Physical Society 01 bi bỏo ng trong Journal of the Advances in natural sciences 01 bi bỏo ng trong Journal of the USA Physical Progress In Electromagnetic Research L 01 bi bỏo ng trong Journal of the USA Physical Progress In Electromagnetics Research B 04 bi bỏo ng trong VNU Journal of Science, Mathematics-Physics 01 bi bỏo ng trong Proceedings: HNVLLT Ton Quc ln th 35 02 bi bỏo ng trong Proceedings: HNVLCR... HNVLCR & KHVL Ton Quc ln th 6 01 bi bỏo ng trong Proceedings: APCTP-ASEAN Workshop on Advances Materials Science and Nanotechnology, 2008 9 CHNG 1: TNG QUAN V BN DN THP CHIU V HIU NG NG TRONG BN DN KHI 1.1 H bỏn dn thp chiu H vt liu, ú chuyn ng ca in t trong h b gii hn theo mt s chiu xỏc nh trong khụng gian v chuyn ng t do theo cỏc chiu cũn li trong mng tinh th in t trong h bỏn dn thp chiu (h hai chiu v... ti Mt s hiu ng ng trong cỏc h bỏn dn thp chiu, b cc nh sau: lun ỏn gm 5 chng, 24 mc Trong ú cú 24 th v 82 ti liu tham kho, tng cng cú 134 trang Chng 1: Gii thiu tng quan v bỏn dn thp chiu v hiu ng ng trong bỏn dn khi cng nh nhng vn hp th phi tuyn c cp trong lun ỏn Mc 1.1, trỡnh by v h thp chiu, ph nng lng v thng kờ ht dn 6 trong siờu mng hp phn, siờu mng pha tp v ging lng t Cng trong mc 1.1, chỳng... bc nht ca tensor dn cao tn) Trong trng hp súng in t cú cng mnh cao tn, úng gúp ca s hng bc cao vo tensor dn cao tn l ỏng k v phi c tớnh n Khi ú xut hin s ph thuc phi tuyn ca tensor dn cao tn vo cng in trng E ca súng in t.Vỡ 0 vy, h s hp th phi tuyn súng in t l i lng ph thuc phi tuyn vo cng in trng E 0 1.2.2 Ph-ơng trình động l-ợng tử cho điện tử trong bán dẫn khối Trong phn ny, chỳng tụi gii... (h th nng) Cỏc ht ti nm trong mi lp cht bỏn dn ny khụng th xuyờn qua mt phõn cỏch i n cỏc lp bỏn dn bờn cnh (khụng cú hiu ng ng hm) Do vy, trong cu trỳc ging lng t, ht ti b nh x mnh, chỳng b cỏch li ln nhau bi cỏc ging th lng t hai chiu m thc cht l trong cỏc lp mng ca bỏn dn vựng cm hp Cỏc in t trong cỏc ging th khỏc nhau khụng th tng tỏc c vi nhau c im chung ca cỏc h in t trong cu trỳc ging lng t... Kubo-Mori Tuy nhiờn, trong cỏc cụng trỡnh ny cỏc tỏc gi mi ch xem xột n nh hng ca in t giam cm trong cỏc h thp chiu khi h t trong trng ngoi cú cng súng in t yu m cha xột n trng hp súng in t mnh; ch nghiờn cu cỏc hiu ng ng tuyn tớnh v b qua cỏc hiu ng ng phi tuyn lờn h s hp th súng in t Loi bi toỏn v cng hng tham s v bin i tham s gia phonon õm v phonon quang trong bỏn dn khi ó c kho sỏt [77] Trong h hai chiu... ng ca h in t trong h bỏn dn thp chiu Mt trong nhng hiu ng ng c cỏc nh vt lý lý thuyt cng nh thc nghim quan tõm nghiờn cu ú l, dn cao tn ca bỏn dn v s hp th súng in t trong cỏc h vt liu bỏn dn Ngay t nhng thp niờn cui ca th k trc, trờn quan im c in, da vo phng trỡnh ng hc Bolzmann, dn cao tn ó c quan tõm nghiờn cu rng rói [18, 19, 57-59] Trong cỏc cụng trỡnh ú, bi toỏn vt lý c gii hn trong min tn... mc 1.1, chỳng tụi gii thiu s lc v c im, tớnh cht v ph nng lng ca in t trong h bỏn dn cú cu trỳc mt chiu v khụng chiu, mụ t hm súng v ph nng lng ca in t trong cỏc h ny Trong mc 1.2, chỳng tụi trỡnh by v Hamiltonian ca h in t-phonon trong bỏn dn khi, phng trỡnh ng lng t v biu thc gii tớch tng quỏt h s hp th phi tuyn súng in t mnh trong bỏn dn khi T biu thc tng quỏt h s hp th súng in t, chỳng tụi trỡnh... liờn quan n cng hng tham s, bin i tham s gia phonon õm v phonon quang trong h bỏn dn thp chiu núi chung v ging lng t núi riờng, Vi nhng phõn tớch trờn, chỳng tụi chn ti nghiờn cu: Mt s hiu ng ng trong cỏc h bỏn dn thp chiu gii quyt cỏc vn cũn b ng trờn 2 Mc tiờu nghiờn cu Trong lun ỏn ny, chỳng tụi tp trung nghiờn cu cỏc hiu ng ng trong h bỏn dn hai chiu di tỏc dng ca trng laser (trng súng in t mnh) . ỨNG ĐỘNG TRONG BÁN DẪN KHỐI 10 1.1. Hệ thấp chiều 10 1.1.1. Hệ hai chiều 10 1.1.2. Hệ một chiều 18 1.1.3. Hệ không chiều 21 1.2. Hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ mạnh trong bán dẫn khối. Nanotechnology, 2008. 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN THẤP CHIỀU VÀ HIỆU ỨNG ĐỘNG TRONG BÁN DẪN KHỐI 1.1. Hệ bán dẫn thấp chiều ,    . …… NHIÊN MỘT SỐ HIỆU ỨNG ĐỘNG TRONG CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: