Luận án tiến sĩ vật lý học ảnh hưởng của sự lượng tử hóa do giảm kích thước lên hiệu ứng ettingshausen và hiệu ứng peltier trong siêu mạngvà hố lượng tử

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của sự lượng tử hóa do giảm kích thước lên hiệu ứng Ettingshausen và Peltier trong siêu mạng và hố lượng tử.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án

2023

132
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG ETTINGSHAUSEN VÀ HIỆU ỨNG PELTIER TRONG BÁN DẪN KHỐI

1.1. Hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier. Lí thuyết lượng tử về hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong bán dẫn khối. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa do giảm kích thước lên hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong hồ lượng tử với hố giam giữ parabol

1.2. Sự giam cầm của điện tử và phonon trong hồ lượng tử parabol. Sự giam cầm của điện tử. Sự giam cầm của phonon. Tương tác điện tử giam cầm - phonon giam cầm. Biểu thức giải tích của hệ số Ettingshausen và hệ số Peltier. Kết quả tính số và thảo luận. Kết luận chương

2. CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ LƯỢNG TỬ HOÁ DO GIẢM KÍCH THƯỚC LÊN HIỆU ỨNG ETTINGSHAUSEN VÀ HIỆU ỨNG PELTIER TRONG HỒ LƯỢNG TỬ VỚI HỐ THẾ PARABOL

3. CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ LƯỢNG TỬ HOÁ DO GIẢM KÍCH THƯỚC LÊN HIỆU ỨNG ETTINGSHAUSEN VÀ HIỆU ỨNG PELTIER TRONG SIÊU MẠNG PHA TẠP

3.1. Sự giam cầm của điện tử và phonon trong siêu mạng pha tạp. Sự giam cầm của điện tử. Sự giam cầm của phonon. Tương tác điện tử giam cầm - phonon giam cầm. Biểu thức giải tích của hệ số Ettingshausen và hệ số Peltier. Kết quả tính số và thảo luận. Kết luận chương

4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ LƯỢNG TỬ HOÁ DO GIẢM KÍCH THƯỚC LÊN HIỆU ỨNG ETTINGSHAUSEN VÀ HIỆU ỨNG PELTIER TRONG SIÊU MẠNG HỢP PHẦN

4.1. Sự giam cầm của điện tử và phonon trong siêu mạng hợp phần. Sự giam cầm của điện tử. Sự giam cầm của phonon. Tương tác điện tử giam cầm - phonon giam cầm. Biểu thức giải tích của hệ số Ettingshausen và hệ số Peltier. Kết quả tính số và thảo luận. Kết luận chương

KẾT LUẬN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier

Hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier là hai hiện tượng quan trọng trong vật lý bán dẫn, đặc biệt trong các hệ bán dẫn thấp chiều. Hiệu ứng Ettingshausen được phát hiện bởi Albert von Ettingshausen, cho thấy sự xuất hiện của gradient nhiệt độ khi có sự kết hợp giữa từ trường và điện trường. Cơ chế của hiệu ứng này liên quan đến sự chuyển động của các điện tích trong vật liệu, dẫn đến sự tăng nhiệt độ ở một phía của mẫu. Hiệu ứng Peltier, được đặt theo tên Jean Charles Athanase Peltier, mô tả sự xuất hiện của nhiệt khi dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp giữa hai bán dẫn khác loại. Cả hai hiệu ứng này đều có ứng dụng thực tiễn trong công nghệ làm lạnh và các thiết bị điện tử. Việc nghiên cứu sâu về các hiệu ứng này trong bối cảnh lượng tử hóa kích thước là cần thiết để hiểu rõ hơn về các tính chất vật lý của vật liệu nano.

1.1. Hiệu ứng Ettingshausen

Hiệu ứng Ettingshausen xảy ra khi một mẫu bán dẫn được đặt trong một từ trường và một điện trường. Sự chuyển động của các điện tích tạo ra một gradient nhiệt độ, dẫn đến sự phân bố nhiệt không đồng đều trong vật liệu. Hiệu ứng này có thể được mô tả bằng các biểu thức toán học liên quan đến mật độ dòng điện và gradient nhiệt độ. Các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu ứng này có thể được ứng dụng trong việc làm mát các thiết bị điện tử, đặc biệt trong các hệ thống cần kiểm soát nhiệt độ chính xác.

1.2. Hiệu ứng Peltier

Hiệu ứng Peltier mô tả sự phát sinh nhiệt khi dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp giữa hai loại bán dẫn khác nhau. Hiệu ứng này phụ thuộc vào hướng của dòng điện và có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị làm lạnh nhỏ gọn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu ứng Peltier có thể được tối ưu hóa trong các hệ bán dẫn nano, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong công nghệ điện lạnh và y tế.

II. Ảnh hưởng của lượng tử hóa kích thước đến hiệu ứng Ettingshausen và Peltier

Sự lượng tử hóa kích thước trong các hệ bán dẫn thấp chiều có ảnh hưởng đáng kể đến các hiệu ứng Ettingshausen và Peltier. Khi kích thước của vật liệu giảm xuống đến mức nano, các hạt tải bị giới hạn trong các vùng có kích thước tương đương với bước sóng de Broglie. Điều này dẫn đến sự thay đổi trong phổ năng lượng và các tính chất vật lý của vật liệu. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự giam cầm của điện tử và phonon trong các hệ này có thể làm tăng cường hiệu ứng Ettingshausen và Peltier, tạo ra các ứng dụng mới trong công nghệ nano. Việc hiểu rõ về các cơ chế này sẽ giúp tối ưu hóa các thiết bị điện tử và năng lượng nhiệt.

2.1. Sự giam cầm của điện tử

Sự giam cầm của điện tử trong các hố lượng tử và siêu mạng có ảnh hưởng lớn đến hiệu ứng Ettingshausen và Peltier. Khi điện tử bị giam cầm, chúng có thể tạo ra các trạng thái năng lượng mới, dẫn đến sự thay đổi trong các tính chất điện và nhiệt của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự giam cầm này có thể làm tăng cường hiệu ứng nhiệt điện, mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị năng lượng hiệu suất cao.

2.2. Sự giam cầm của phonon

Phonon cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các hiệu ứng Ettingshausen và Peltier. Sự giam cầm của phonon trong các cấu trúc nano có thể làm thay đổi cách mà nhiệt được truyền trong vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng sự tương tác giữa điện tử và phonon giam cầm có thể tạo ra các hiệu ứng nhiệt điện mạnh mẽ, có thể được ứng dụng trong các thiết bị làm lạnh và chuyển đổi năng lượng.

III. Ứng dụng thực tiễn của hiệu ứng Ettingshausen và Peltier trong công nghệ

Hiệu ứng Ettingshausen và Peltier có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghệ hiện đại. Ứng dụng trong công nghệ lạnh là một trong những lĩnh vực nổi bật, nơi hiệu ứng Peltier được sử dụng để chế tạo các thiết bị làm lạnh không cần chất lỏng tuần hoàn. Điều này giúp giảm thiểu kích thước và trọng lượng của thiết bị, đồng thời tăng độ tin cậy và tuổi thọ. Ngoài ra, hiệu ứng Ettingshausen cũng được ứng dụng trong các hệ thống làm mát cho các thiết bị điện tử, giúp duy trì hiệu suất hoạt động của chúng. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này trong bối cảnh lượng tử hóa kích thước sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho công nghệ nano.

3.1. Công nghệ lạnh

Công nghệ lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier để tạo ra các thiết bị làm lạnh nhỏ gọn, không cần bảo trì. Các thiết bị này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến điện tử tiêu dùng. Việc tối ưu hóa hiệu ứng Peltier trong các hệ nano có thể dẫn đến sự phát triển của các thiết bị lạnh hiệu suất cao hơn.

3.2. Thiết bị điện tử

Hiệu ứng Ettingshausen được ứng dụng trong các thiết bị điện tử để kiểm soát nhiệt độ. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các cấu trúc nano có thể cải thiện hiệu suất làm mát, giúp các thiết bị hoạt động ổn định hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao về nhiệt độ.

07/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG ETTINGSHAUSEN VÀ HIỆU UNG PELTIER TRONG BAN DẪN KHOI 1. Hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier Hiệu ứng Ettingshausen được phát hiện bởi Albert von Ettingshausen (1850- 1932) - một nhà vật lí học người Áo - và học trò của ông là Walther Hermann Nernst (1864-1941) khi nghiên cứu về hiệu ứng Hall trong Bismuth. Khi đặt hệ vào một từ trường B chạy dọc theo trục z và một điện trường không đổi với mật độ dòng j chạy dọc theo trục x thì sẽ xuất hiện một gradient nhiệt độ V7 chạy dọc theo trục y. Cơ chế của hiệu ứng này được giải thích như sau: dưới tác dụng của từ trường, các điện tích bị buộc chuyển động theo hướng vuông góc với điện trường ban đầu và tập trung về 13 một phía của mẫu; khi đó, sự va chạm giữa các điện tích tăng và gây ra sự nóng lên của vật liệu.

Trong bán dẫn, EE chủ yếu xảy ra do sự hình thành các cặp điện tử - lỗ trống ở một phía và sự tái tổ hợp của chúng ở phía bên kia [54]. Hiệu ứng này được đặc trưng bởi EC (P) [45]: VT P=—-—_.1 4nBj (11) Hướng truyền nhiệt Hình 1.2: Hiệu ứng Peltier Hiệu ứng Peltier được đặt theo tên của một nhà vật lí học người Pháp là Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845). Năm 1834, Peltier đã phát hiện sự xuất hiện của nhiệt khi cho dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp giữa Đồng và Bismuth. Hiệu ứng này phụ thuộc vào hướng của dòng điện và xảy ra một cách mạnh mẽ tại lớp chuyển tiếp giữa hai bán dẫn khác loại.

Hiệu ứng Peltier được đặc trưng bởi PC (IT) là tỉ số giữa mật độ thông lượng nhiệt a) với mật độ dòng điện H được xác định bởi [26, 67]: on || qo = (1. Lí thuyêt lượng tử về hiệu ứng Ettingshausen va hiệu ứng Peltier trong bán dần khôi Đặt mẫu bán dẫn khối trong một điện trường không đổi E, từ trường không đổi B và một sóng điện từ mạnh biến thiên điều hòa theo thời gian Ep (t) = Ep sin wt với Ep là biên độ và là tần số. Bài toán xác định các đại lượng đặc trưng cho EE va PE trong bán dẫn khối được giải bằng phương pháp phương trình động lượng tử lần lượt được tiến hành theo các bước: * Thiết lập phương trình động lượng tử cho hàm phân bố của điện tử từ Halminto- nian của hệ điện tử - phonon. « Giải phương trình động lượng tử, tìm biểu thức của mật độ dòng toàn phan và mật độ thông lượng nhiệt.

« Tính toán biểu thức giải tích của EC va PC. Kết quả thu được như sau: * Thiết lập phương trình động lượng tử cho hàm phân bồ điện tử Hamiltonian của hệ điện tử - phonon trong bán dẫn khối có dạng: H= be (k-= — “Alt(1) ae a; + Y habs bạ ï “Sc (o;+6*;) + Le @az, aj (1.3) ikg i với € là năng lượng của điện tử; ae va a; (by và bạ) lần lượt là toán tử sinh và toán tử hủy điện tử (phonon) trong đó k và đ) lần lượt là véc tơ sóng của điện tử ở. và véc tơ sóng của phonon; Ø(đ) = (2zi)° (cE + Œ l. i) ago 4q) là thé vô hướng B xg x.

VỚI We = c là tan sô cyclotron của điện tử (m, và e lần lượt là khôi lượng hiệu Hạc 15 dung và điện tích hiệu dung của điện tử, c là tốc độ ánh sáng trong chân không) ` B ` ⁄ : ⁄ 2 ` ` 3 ` A cv. 2 ~ vah= 5 là véc tơ đơn vi theo hướng của từ trường; A (rt) là thê véc tơ, thỏa man 1 0A(t =~ €-€ rar oe ae a —— at ) = (cz —— r vr) sin Wt với €r là nang lượng Fermi của điện tu và T là c nhiệt độ của hệ. Trong công thức (1.3), Cj là hằng số tương tác điện tử - phonon, phụ thuộc vào cơ chế tán xạ của điện tử với từng loại phonon [1, 3]. Cụ thể: + Tán xạ điện tử - phonon âm: 2 hẹ?47 Ics (14) " 2pv;Vo với ¢ là hằng số thé biến dạng, p là mật độ khối lượng, v, là vận tốc truyền sóng âm và Vọ là thể tích chuẩn hoá.

+ Tán xạ điện tử - phonon quang: Ci °— 8m (11) as O E0Voq \Xo Xo) , với œụ là tần số của phonon quang không giam cầm, £ọ là hằng số điện, +. là độ điện thẩm cao tần và Yo là độ điện thẩm tĩnh. Trong các biểu thức (1.5), các ký tự "A" và "O" được dùng như các chỉ số trên, đại diện cho phonon âm và phonon quang. Cách ký hiệu này được áp dụng cho các đại lượng liên quan tới từng loại phonon được trình bày trong các phần tiếp theo của luận án.

Phương trình động lượng tử cho hàm phân bồ điện tử n; (/) = (az a) có dang: t HPA = (ba), 49 Sử dung Hamiltonian (1.3) và áp dụng các hệ thức giao hoán tử cho toán tử sinh - hủy điện tử (phonon): 16 {az,a; } = axa + aj ag = O15 {d¿, ar} = {ag a; } =0, [be bi] = bby’ — bib = 6.4; [bbị] á = [bf bf] =0: chúng tôi thu được: On; (t MO. (cf ¬ bo, P3) =1\ On; (f Ot au Ok (1.7) Dalltaka + egg — Feeaa ggg trong đó F,hg _= %1 ag, bg va Fe ban = a7. 5,0;+ - Dé tim Fe.ba chúng tôi thiết lập phương trình động lượng tử: OF;~ „(f) noe= (ae. 4ebo-4], os) kiko với H được xác định bằng biểu thức (1.

Thực hiện các phép biến đổi đại số toán tử, chúng tôi thu được: F agby cứ gấu ưa - “he (É— Sâu )) (aj: ag, baa, ay — a,ue A bị ) q9) ={e (6= =A) -e(# -—A(1)) baz ae dị Đặ II F— ® ti a mặc (Ki)A 0) Fa a ac bị 3 h@azbS ba | = Y hogar. ag, (bbbạ — bibgby)= hark gg + + _ q # (1.10) 17 _ » Ca+ dd+ Ay, (b; + b* + ,) bạ.11), chúng tôi chỉ xét các số hạng là trung bình số hạt điện tử nz (f) = (a*a;) và trung bình số hat phonon Nj (7) = (bị) và lưu ý: ky — kị = —G. Thực f f hiện một số bước biến đổi, chúng tôi thu được: aecap, Đạ: »1 C7 be wat a.) fhe cpt — táal (1.12) = Cai, 4k (1 — ae¿áp ) bab — ab5 —C1%, de, (1 — ae ay, ) bạ + Bi bạ.8), chúng tôi thu được: _ 3 sa (Ñ ka) A(t) - hoy) Fe z3 e - => ih ~<a (ao) Cosas),] ot, (in), (22) (1.13) Phương trình (1.13) là phương trình vi phân tuyến tính cấp một không thuần nhất có dạng: OF WRAL at t Xét phương trình thuần nhất tương ứng: OF? =M,F° © F° = D. t t —oco HỆ 18 Nghiệm của phương trình (1.13) là: Fe gq) =f di'Cy¢ (¿áp ) (1 (aga4g,),) —Â 4g), ẤT Caan )„) (27a), f 19 x exp{i [| li &, nu (6 6) A(t) - ha] an}.

eEo Ap dụng công thức exp(tiasin@) = YJ, (a@)exp(+iu6) va đặt đ = chúng u me’ tôi thu được: Fg)= == f atcg{ (agg), (1= Gian) ) (6564) — (446) (1= (046),2M) „}* xÁI Gq) J (aq) capi ( ~ &p — hay — hla) (1-1) bexp {i(¢—s) ort}.15) Tương tự, chúng tôi thu được biểu thức của lễ 3_(t) như sau: 1542; Fig) = if.16), chúng tôi tính toán và thu được các biểu thức tương ứng 40): epg <q Hạ ga) Fệ sa „ 0): Thay các kết quả tìm được vào phương trình (1.7), chúng tôi thu được phương trình động lượng tử cho hàm phân bố điện tử trong bán dẫn khối khi có mặt trường điện từ không đổi và sóng điện từ mạnh có cường độ biến thiên theo thời gian như 19 sau: ene) =-¡}IKil AG Jo (Gq) exp |¡( —s) 0) Ƒ_ dt" "ì x exp Ũ (s:. » Tính toán biểu thức của mật độ dòng toàn phan và mật độ thông lượng nhiệt Chúng tôi sử dụng phương pháp gần đúng lặp, thay nj (t') = fiz và Nq(t') = Nà va thuc hién phép tinh tich phan t get Jo [i (€¢ Ep tha; neo +i8) (1 t')|dr : LG — +hœ, — hilo +18" ! re i (1.18) đồng thời, chỉ xét trường hợp ý = s. Khi đó, phương trình (1.17) trở thành: On; + + ¬ On; set (cE + ha, kh] T= /ESPE00) & oh hao; : heo+id | F | EU tpg) Nam egg (L— ñy) (Na+ 1) q £ k+q k q ' 20 _ñrẤt=p 2) (Na+ 1) Ag (1) Na & 2 — & tha; — h(@ + id +4 l—n; _;I=50 Ng — ñy (L— ñy_ ca)¡) Nz+1 (+1) aus) &— Đụ hog —hla + id Tyg (1—ñ) (M + 1) —ñạ:ũ — Tg i) Nj & — &j_g + hag —hlo+ io Thực hiện phép đổi chỉ số: ÿ > —đ đối với số hạng thứ hai và thứ tư và £ + —/ đối với số hạng thứ ba và thứ tư của (1. Sau đó, thực hiện nhóm số hạng thứ nhất và số hạng thứ tư, số hạng thứ hai và số hạng thứ ba; đồng thời, lưu ý rằng II và J? (Gq) là các hàm chan đối với đ va 2, chúng tôi thu được: Ot ok _.21) 21 Xét trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm.

Thực hiện việc đổi chỉ số Gg > —đ ở số hạng thứ hai của phương trình (1.21), chúng tôi thu được: x37; (aq) (ii, — ii) 5 (E44 —fr— he). Khi đó, phương trình động lượng tử cho hàm phân bố điện tử trong bán dẫn khối thu được như sau: OM+(e + na, [ih]) ME = (1.23) Trong phép xấp xi tuyến tính qua cường độ của trường ngoài, chúng tôi chi xét 2 các quá trình trao đổi không quá một photon, tức là ý = 0,+1. Khi đó, JZ (x) = l— 5 x2 và J7¡ (x) = T Nhân hai về của phương trình động lượng tử (1.23) với Kd (£— &) rồi lấy tổng theo k, chúng tôi thu được: : ete lñ. (124) Trong biểu thức (1.25) " Pe)=-2yi(F, 7h) 5 (e— sọ): On; (1.27) * Giải phương trình (1.24) Nhân trái, có hướng hai về của (1.24) với œ„7 (€) h, chúng tôi thu được: 0, la.

(128) trong đó 7 (£) là thời gian phục hồi năng lượng của điện tử ở trang thái có năng lượng e. Biến đổi: la, |ñ. — 29) Nhân trái, vô hướng hai về của (1.24) với z(£) A, sau đó lại nhân với h: h (ñ.28), chúng tôi thu được: 0 Iñ.31) Trừ về với về của (1.31), chúng tôi thu được: Ẩ()_ 2 3 8 rey Wet) {ht (ñ,P(e) + B(e)) ———— h,P(€)+D R —Ñ()) = " 23 - T(E) ¬ F R(e) == {Ple) + Ble) 1+ @27? (€) (1.35) Sử dụng hàm phân bố không cân bằng của điện tử m= fo (z„;) kx (z„;) fo! (s„;) (1.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết với tiêu đề "Ảnh hưởng của lượng tử hóa kích thước đến hiệu ứng Ettingshausen và Peltier trong siêu mạng và hố lượng tử" khám phá những tác động của lượng tử hóa kích thước đến hai hiệu ứng quan trọng trong vật lý chất rắn. Tác giả phân tích cách mà sự thay đổi kích thước của các hạt trong siêu mạng và hố lượng tử có thể ảnh hưởng đến hiệu ứng Ettingshausen và Peltier, từ đó mở ra những ứng dụng tiềm năng trong công nghệ năng lượng và điện tử. Bài viết không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng vật lý mà còn gợi ý những hướng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học và kỹ sư.

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về các vật liệu và ứng dụng trong lĩnh vực này, hãy tham khảo các tài liệu như Luận văn thạc sĩ hóa học nghiên cứu tổng hợp vật liệu mcm41 biến tính bằng wolfram và ứng dụng làm xúc tác chuyển hóa lưu huỳnh trong nhiên liệu, nơi bạn có thể tìm hiểu về các vật liệu xúc tác và ứng dụng của chúng. Ngoài ra, bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật vật liệu ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm crom và chế độ nhiệt luyện đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép austenite mangan cao sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu. Cuối cùng, bài viết Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học tổng hợp hydroxyapatit từ vỏ sò dùng làm chất hấp phụ asen cung cấp cái nhìn về các ứng dụng của vật liệu hấp phụ trong xử lý ô nhiễm. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và khám phá sâu hơn về các chủ đề liên quan.