I. Giới thiệu về hố lượng tử
Hố lượng tử (Quantum well) là một cấu trúc thuộc hệ điện tử chuẩn hai chiều, được tạo ra từ các chất bán dẫn có hằng số mạng tương tự nhau. Sự khác biệt giữa cực tiểu vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị tạo ra một giếng thế năng cho các điện tử, khiến chúng không thể xuyên qua mặt phân cách. Trong cấu trúc này, các hạt tải điện bị định xứ mạnh, dẫn đến sự lượng tử hóa phổ năng lượng. Đặc điểm này làm thay đổi mật độ trạng thái, từ đó ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của hệ. Các hố thế có thể được xây dựng bằng nhiều phương pháp như epytaxy chùm phân tử (MBE) hay kết tủa hơi kim loại hóa hữu cơ (MOCVD). Việc xây dựng cấu trúc hố thế chất lượng tốt là rất quan trọng để đảm bảo tính chất quang học của hệ. Sự gián đoạn của phổ năng lượng điện tử trong hố lượng tử là đặc trưng nhất, gây ra những khác biệt đáng kể so với các mẫu khối.
1.1. Khái niệm về hố lượng tử
Hố lượng tử là một cấu trúc hai chiều, nơi mà chuyển động của điện tử bị giới hạn theo một hướng nhất định. Điều này dẫn đến sự lượng tử hóa phổ năng lượng, với các giá trị năng lượng gián đoạn. Mật độ trạng thái trong hố lượng tử bắt đầu từ một giá trị khác 0 tại trạng thái có năng lượng thấp nhất, khác với mật độ trạng thái trong hệ ba chiều. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của điện tử trong hố lượng tử, như hàm phân bố và mật độ dòng.
1.2. Phổ năng lượng và hàm sóng của điện tử giam cầm trong hố lượng tử
Theo cơ học lượng tử, chuyển động của điện tử trong hố lượng tử bị giới hạn theo trục của hố lượng tử. Năng lượng của điện tử theo trục này sẽ bị lượng tử hóa và được đặc trưng bởi các số lượng tử. Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong hố lượng tử được xác định thông qua phương trình Schrödinger. Sự gián đoạn của phổ năng lượng điện tử là đặc trưng nhất của điện tử bị giam cầm trong các hệ thấp chiều, gây ra những khác biệt đáng kể trong tất cả các tính chất của điện tử trong hố lượng tử so với các mẫu khối.
II. Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử trong bán dẫn khối khi có mặt sóng điện từ mạnh Laser
Hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử trong bán dẫn khối khi có mặt sóng điện từ mạnh là một hiện tượng quan trọng trong vật lý bán dẫn. Khi có mặt của trường bức xạ laser, các điện tử giam cầm trong hố lượng tử sẽ tương tác với sóng điện từ, dẫn đến sự thay đổi trong hệ số hấp thụ. Phương trình động lượng tử cho điện tử trong bán dẫn khối được xây dựng dựa trên Hamilton của hệ điện tử - phonon. Việc tính toán mật độ dòng và hệ số hấp thụ là cần thiết để hiểu rõ hơn về sự tương tác này.
2.1. Xây dựng phương trình động lượng tử cho điện tử trong bán dẫn khối
Phương trình động lượng tử cho điện tử trong bán dẫn khối được xây dựng từ Hamilton của hệ điện tử - phonon. Các thành phần của Hamilton bao gồm năng lượng của điện tử, năng lượng của phonon và tương tác giữa chúng. Việc sử dụng các toán tử sinh và hủy cho điện tử và phonon giúp mô tả sự tương tác giữa chúng một cách chính xác. Phương trình này cho phép tính toán mật độ dòng và hệ số hấp thụ trong hệ thống, từ đó hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của trường bức xạ laser đến hấp thụ sóng điện từ.
2.2. Tính mật độ dòng và hệ số hấp thụ
Mật độ dòng trong hệ thống được tính toán dựa trên phương trình động lượng tử đã xây dựng. Hệ số hấp thụ phi tuyến sóng điện từ yếu bởi điện tử trong bán dẫn khối được xác định thông qua sự tương tác với trường bức xạ laser. Kết quả cho thấy hệ số hấp thụ phụ thuộc vào cường độ sóng điện từ và các tham số của hố lượng tử. Sự phụ thuộc này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ laser đến hấp thụ sóng điện từ trong các hệ bán dẫn thấp chiều.
