MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo cấu trúc nanô và kỹ thuật epitaxy, các vật liệu dựa trên cơ sở cấu trúc trong đó khí electron là thấp chiều ngày càng trở nên phổ biến. Trong các cấu trúc trên, chuyển động của electron theo một số phương nào đó bị giới hạn do hiệu ứng giảm kích thước, nên electron chỉ chuyển động tự do theo các phương còn lại. Tùy thuộc số chiều theo đó electron chuyển động tự do mà ta gọi khí electron là chuẩn hai chiều (Q2D), chuẩn một chiều (Q1D) hoặc chuẩn không chiều (Q0D).
Bán dẫn dựa trên cấu trúc trong đó khí electron là chuẩn một chiều được gọi tắt là bán dẫn dây lượng tử. Việc chuyển từ hệ electron 3 chiều sang hệ electron chuẩn thấp chiều đã làm thay đổi đáng kể cả về mặt định tính cũng như định lượng nhiều tính chất vật lý của vật liệu, đặc biệt là phản ứng của hệ electron đối với trường ngoài. Các vật liệu bán dẫn dựa trên cấu trúc thấp chiều đã tạo ra các linh kiện, thiết bị hoạt động dựa trên những nguyên tắc hoàn toàn mới, tạo nên công nghệ hiện đại có tính cách mạng trong khoa học, kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực quang điện tử nói riêng. Đó là lý do tại sao các vật liệu dựa trên cấu trúc thấp chiều được nhiều nhà vật lý quan tâm nghiên cứu.
Trong các vật liệu dựa trên cấu trúc thấp chiều, các tính chất vật lý của hệ phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, thành phần vật liệu, môi trường vật liệu bao quanh,., và tuân theo các quy luật của vật lý lượng tử. Nguồn gốc sâu xa của các tính chất này cũng như các hiệu ứng được tạo ra là sự lượng tử hóa phổ năng lượng của hạt tải (electron, lỗ trống,.) và các chuẩn hạt (phonon, polaron,.) trong vật rắn do hiệu ứng giảm kích thước hoặc khi có mặt điện trường, từ trường. Hiệu ứng giảm kích thước được nói đến ở đây là nguyên nhân dẫn đến sự giam cầm của cả electron và phonon. Vì vậy, đối với các hệ thấp chiều khác nhau, sự lượng tử hóa nói trên là khác nhau bởi vậy tính chất vật lý của 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com các hệ thấp chiều khác nhau là khác nhau và khác biệt so với vật liệu khối.
Cũng chính vì vậy, đối với các bán dẫn thấp chiều, đồng thời với việc tìm kiếm các hiệu ứng vật lý mới thì việc tìm kiếm các đặc tính mới trong các hiệu ứng vật lý quen thuộc có vai trò không kém phần quan trọng. Trong số các hiệu ứng này, chúng tôi đặc biệt quan tâm đến các hiệu ứng liên quan đến tương tác electron-phonon khi có mặt của điện trường, từ trường, đó là: hiệu ứng tạo ra phonon (phonon generation) do hấp thụ năng lượng của điện trường ngoài; hiệu ứng cộng hưởng tham số (parametric resonance) của hai loại phonon âm và phonon quang dưới tác dụng của trường laser; hiệu ứng cộng hưởng electron-phonon khi có mặt trường laser và cộng hưởng cyclotron khi có mặt cả điện trường và từ trường. Trong số các hiệu ứng trên, hiệu ứng tạo ra phonon và hiệu ứng cộng hưởng tham số là các hiệu ứng quen thuộc nhưng những đặc tính mới là những đặc tính sinh ra do sự giam giữ của cả electron và phonon. Trong khi đó, hiệu ứng cộng hưởng electron-phonon và cộng hưởng cyclotron là những hiệu ứng chỉ sinh ra trong các hệ có phổ năng lượng của electron bị lượng tử hóa do hiệu ứng giảm kích thước hoặc trường ngoài.
Hiệu ứng tạo ra phonon là hiệu ứng trong đó khí electron hấp thụ năng lượng của trường laser để kích thích các dao động mạng, nhờ đó mà các phonon được sinh ra. Hiệu ứng này có nhiều ứng dụng như: biến điệu tín hiệu quang học, biến điệu dòng điện, điều khiển dịch chuyển electron nhờ các phonon,. Hiệu ứng tạo ra phonon đã được nghiên cứu trong bán dẫn khối [82, 88]; trong một số loại bán dẫn thấp chiều như giếng lượng tử [46, 47, 74, 75, 100], siêu mạng [24], dây lượng tử [63]. Tuy các tác giả đã nghiên cứu nhiều đặc trưng khác nhau, nhưng chưa xét đến tính giam giữ phonon do hiệu ứng giảm kích thước.
Vì vậy, việc nghiên cứu một cách có hệ thống với một số vấn đề chưa nghiên cứu được thực hiện trong luận án. Hiệu ứng cộng hưởng tham số của hai loại phonon cho thấy cơ chế về sự chuyển hóa năng lượng giữa hai kích thích cùng loại dưới tác dụng của điện trường ngoài [14, 59, 69, 71, 91, 97]. Tương tác tham số và biến đổi tham số như thế dẫn đến sự suy giảm của loại phonon này và gia tăng của một loại phonon khác khi điều kiện gia tăng tham số được 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hiệu ứng cộng hưởng tham số của phonon âm và phonon quang khi có mặt điện trường đã được nghiên cứu trong bán dẫn khối [6, 11, 52], trong hố lượng tử [65] và ảnh hưởng của sự giam cầm của phonon do hiệu ứng giảm kích thước lên hiệu ứng cộng hưởng tham số mới chỉ được nghiên cứu ở hệ chuẩn hai chiều, còn đối với hệ chuẩn một chiều thì theo chúng tôi biết chưa có một nghiên cứu nào.
Hiệu ứng cộng hưởng electron-phonon xảy ra khi hiệu năng lượng giữa hai mức của electron trong vật liệu bằng năng lượng của phonon quang. Nghiên cứu cộng hưởng electron-phonon cho các thông tin về cấu trúc, xác suất tán xạ electron-phonon trong vật liệu, cho phép xác định được khối lượng hiệu dụng của electron, phổ năng lượng, xác định khoảng cách giữa các mức năng lượng của electron,. Hiệu ứng cộng hưởng electron- phonon đã được quan tâm nghiên cứu cả lí thuyết [37, 39] và thực nghiệm [95, 96] đối với bán dẫn chuẩn hai chiều [51], chuẩn một chiều [50, 53]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của sự giam cầm phonon do hiệu ứng giảm kích thước lên hiệu ứng cộng hưởng electron-phonon vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu.
Ngoài ra, các công trình nghiên cứu về cộng hưởng electron-phonon chủ yếu là tính toán giải tích chỉ ra cơ chế cộng hưởng, kết quả tính toán số và xác định độ rộng vạch phổ của đỉnh cộng hưởng mới chỉ thu được đối với bán dẫn khối và giếng lượng tử. Vì vậy, trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của sự giam giữ phonon do hiệu ứng giảm kích thước lên độ rộng vạch phổ dò tìm cộng hưởng electron-phonon trong dây lượng tử khi có mặt sóng điện từ. Hiệu ứng cộng hưởng cyclotron xảy ra khi năng lượng của photon bằng năng lượng cyclotron. Nghiên cứu hiệu ứng cộng hưởng cyclotron cho ta các thông tin về cấu trúc, xác suất tán xạ electron-phonon trong vật liệu, xác định được khối lượng hiệu dụng của electron,.
Hiệu ứng này đã được nghiên cứu trong bán dẫn khối [16, 17], hệ chuẩn hai chiều [72, 76, 81, 87] và hệ chuẩn một chiều [68], tuy nhiên vẫn dựa trên giả thiết phonon là phonon khối. Ngoài ra, cho đến nay theo chúng tôi được biết chưa có công trình nghiên cứu lý thuyết nào xác định được độ rộng vạch phổ cộng hưởng electron-phonon, cũng như cộng hưởng cyclotron. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tóm lại, các hiệu ứng nói trên xảy ra trong các bán dẫn thấp chiều trong đó có dây lượng tử đang được quan tâm nghiên cứu. Hơn nữa, bên cạnh sự giam giữ electron thì sự giam giữ phonon do hiệu ứng giảm kích thước cũng đóng vai trò quan trọng trong bài toán tương tác electron-phonon.
Sự giam giữ phonon làm tăng tốc độ tán xạ electron-phonon và sự phi tuyến trong quan hệ tán sắc của phonon âm và làm thay đổi mật độ trạng thái phonon [85]. Các trạng thái polaron bị ảnh hưởng bởi các thay đổi trong Hamiltonian Frohlich gây ra bởi sự giam giữ phonon. Do vậy, sự giam giữ phonon cần phải được đưa vào tính toán để mô hình vật lý gần với thực tế. Đó là lý do chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của hiệu ứng giảm kích thước lên một số tính chất vật lý của hệ điện tử chuẩn một chiều dưới tác dụng của trường sóng điện từ” với các vấn đề còn bỏ ngỏ nói trên.
Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của sự giam giữ phonon do hiệu ứng giảm kích thước lên các tính chất của hiệu ứng tạo ra phonon, cộng hưởng tham số giữa hai loại phonon, cộng hưởng electron-phonon và cộng hưởng cyclotron dưới tác dụng của trường laser, từ trường. Nội dung nghiên cứu Các nội dung cụ thể cần nghiên cứu bao gồm: Thứ nhất, nghiên cứu ảnh hưởng của sự giam giữ phonon do hiệu ứng giảm kích thước lên điều kiện và tốc độ tạo ra phonon. Cụ thể là, thiết lập phương trình động lượng tử cho phonon bị giam giữ, tìm biểu thức giải tích cho điều kiện và tốc độ tạo ra phonon giam giữ; tính số và vẽ đồ thị sự phụ thuộc của tốc độ tạo ra phonon vào các tham số của hệ và tham số của trường sóng laser cho cả hai trường hợp phonon bị giam giữ và phonon khối, so sánh kết quả thu được của hai trường hợp để tìm ra ảnh hưởng của sự giam giữ của phonon. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thứ hai, nghiên cứu hiệu ứng cộng hưởng tham số giữa hai loại phonon âm giam cầm và phonon quang giam cầm để tìm ra ảnh hưởng của sự giam cầm phonon do hiệu ứng giảm kích thước.
Cụ thể, thiết lập hệ phương trình động lượng tử cho hai loại phonon giam cầm, tìm biểu thức giải tích cho trường ngưỡng để có sự gia tăng tham số của phonon âm giam cầm, hệ số biến đổi tham số giữa phonon quang giam cầm thành phonon âm giam cầm, tính số và vẽ đồ thị sự phụ thuộc của các đại lượng này vào số sóng của phonon, các tham số của dây trong cả hai trường hợp phonon bị giam cầm và phonon khối, so sánh kết quả thu được của hai trường hợp. Thứ ba, nghiên cứu ảnh hưởng của sự giam cầm phonon do hiệu ứng giảm kích thước lên điều kiện và độ rộng vạch phổ dò tìm cộng hưởng electron-phonon và cộng hưởng cyclotron. Cụ thể, thiết lập biểu thức giải tích tường minh cho công suất hấp thụ trong đó phonon bị giam giữ khi có mặt điện trường, khảo sát sự phụ thuộc của công suất hấp thụ vào năng lượng photon, xác định vị trí các đỉnh cộng hưởng, khảo sát độ rộng vạch phổ của các đỉnh cộng hưởng trong cả hai trường hợp phonon giam cầm và phonon khối.