Luận văn thạc sĩ về khảo sát cấu hình nhám trong giếng lượng tử znomgzno

Tài liệu chuyên sâu Khảo sát cấu hình nhám trong giếng lượng tử qua tỉ số độ ..., phân tích đa chiều, cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc cho

• Tác giả: Nguyễn Thị Ánh Xuân
• Người hướng dẫn: PGS. Đinh Như Thảo
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Khảo Sát Cấu Hình Nhám Trong Giếng Lượng Tử Qua Tỉ Số Độ Rộng Phổ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thừa Thiên Huế

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Danh mục các bảng biểu
• Danh mục các từ viết tắt và kí hiệu
• Danh sách các hình vẽ
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn ZnO/MgZnO
• 1.1.1. Đặc trưng của vật liệu bán dẫn ZnO
• 1.1.2. Đặc trưng của vật liệu bán dẫn MgZnO
• 1.1.3. Đặc trưng của bán dẫn thấp chiều ZnO/MgZnO
• 1.1.4. Đặc điểm của khí điện tử hai chiều
• 1.2. Khảo sát các loại giếng lượng tử
• 1.2.1. Giếng lượng tử vuông góc sâu vô hạn
• 1.2.2. Giếng lượng tử vuông góc sâu hữu hạn
• 1.2.3. Giếng lượng tử thế Parabol
• 1.2.4. Giếng lượng tử thế tam giác
• 1.3. Các phương pháp nghiên cứu
• 1.3.1. Phương pháp giải tích
• 1.3.2. Gần đúng bằng phương pháp biến phân
• 1.4. Các cơ chế tán xạ của khí điện tử hai chiều
• 1.4.1. Tán xạ bởi các tạp chất ion hóa (II)
• 1.4.2. Tán xạ trên phonon (LO phonon và LA phonon)
• 1.4.3. Tán xạ mất trật tự hợp kim bán dẫn (AD)
• 1.4.4. Tán xạ nhám bề mặt (SR)
• 2. Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám bề mặt trong giếng lượng tử ZnO/MgZnO
• 2.1. Mô hình giếng lượng tử hình thành trong dị cấu trúc bán dẫn ZnO/MgZnO
• 2.1.1. Giếng lượng tử hình thành trong chuyển tiếp dị chất đơn ZnO/MgZnO
• 2.1.2. Giếng lượng tử hình thành trong chuyển tiếp dị chất kép MgZnO/ZnO/MgZnO
• 2.2. Các đại lượng đặc trưng của cấu hình nhám
• 2.3. Ảnh hưởng của tán xạ nhám bề mặt lên độ rộng vạch phổ
• 2.3.1. Độ rộng vạch phổ vùng con chuyển tiếp
• 2.3.2. Ảnh hưởng của tán xạ nhám bề mặt lên độ rộng vạch phổ
• 3. Chương 3: Kết quả tính toán và thảo luận
• 3.1. Xác định giá trị của chiều dài tương quan Λ
• 3.2. Xác định giá trị của biên độ nhám Δ
• 3.3. So sánh cấu hình nhám của vật liệu ZnO/MgZnO khi thay đổi các tham số giếng lượng tử
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mở đầu

Bài viết này khảo sát cấu hình nhám trong giếng lượng tử ZnO/MgZnO thông qua tỉ số độ rộng phổ. Khảo sát cấu hình nhám là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn, đặc biệt là trong các ứng dụng quang học và điện tử. Việc hiểu rõ về cấu hình nhám có thể giúp tối ưu hóa các tính chất điện tử và quang học của vật liệu. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc của giếng lượng tử mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ nano.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày tổng quan về vật liệu bán dẫn ZnO và MgZnO, cùng với các đặc trưng của chúng. ZnO là một bán dẫn có nhiều ứng dụng trong quang học nhờ vào vùng cấm rộng và khả năng phát sáng. MgZnO là một hợp kim có thể điều chỉnh vùng cấm, cho phép tạo ra các giếng lượng tử với các tính chất quang học khác nhau. Việc nghiên cứu các đặc trưng này là cần thiết để hiểu rõ hơn về cách mà cấu hình nhám ảnh hưởng đến độ rộng phổ. Các phương pháp nghiên cứu như phương pháp phân tích tần số và phương pháp hấp thụ cũng được đề cập.

III. Khảo sát cấu hình nhám

Chương này tập trung vào việc khảo sát cấu hình nhám của bề mặt trong giếng lượng tử ZnO/MgZnO. Cấu hình nhám được xác định thông qua các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Các yếu tố như độ nhám và hình dạng bề mặt có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính điện tử và quang học. Nghiên cứu cho thấy rằng độ nhám bề mặt có thể làm thay đổi đáng kể độ rộng vạch phổ, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị quang điện. Các kết quả thu được từ mô hình hóa cho thấy sự tương quan giữa độ nhám và độ rộng phổ, mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tối ưu hóa các vật liệu bán dẫn.

IV. Kết quả tính toán và thảo luận

Chương này trình bày các kết quả tính toán về độ nhám và độ rộng phổ của giếng lượng tử ZnO/MgZnO. Các số liệu thực nghiệm cho thấy rằng độ nhám bề mặt có thể ảnh hưởng đến độ rộng vạch phổ, từ đó ảnh hưởng đến khả năng phát quang của vật liệu. Độ rộng phổ được xác định thông qua các phương pháp phân tích tần số, cho thấy sự phụ thuộc vào các tham số như độ nhám và thành phần hóa học. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu hình nhám có thể cải thiện đáng kể hiệu suất quang của vật liệu, mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong công nghệ quang điện.

V. Kết luận

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng cấu hình nhám trong giếng lượng tử ZnO/MgZnO có ảnh hưởng lớn đến độ rộng phổ và các đặc tính quang học của vật liệu. Khảo sát cấu hình nhám không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các cơ chế vật lý mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ nano. Các kết quả thu được có thể được áp dụng trong việc phát triển các thiết bị quang điện hiệu suất cao, đồng thời khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng của các yếu tố khác đến cấu hình nhám.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng đóng vai trò cốt lõi trong cuộc cách mạng công nghệ chế tạo linh kiện điện tử và quang điện tử thế hệ mới. Trong số các vật liệu tiên tiến, kẽm oxit (ZnO) nổi bật với năng lượng vùng cấm trực tiếp đạt 3,37 eV tại nhiệt độ phòng 300 K cùng năng lượng liên kết exciton vượt trội lên tới 60 meV. Khi kết hợp cùng hợp kim kẽm magie oxit (MgZnO) để hình thành dị cấu trúc giếng lượng tử, hệ vật liệu này cho phép tạo ra các kênh dẫn khí điện tử hai chiều (2DEG) có mật độ hạt tải cao mà không nhất thiết phải pha tạp nhân tạo, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe về công suất cao và khả năng vận hành ổn định tại mức nhiệt nóng chảy tới 1975 °C.

Tuy nhiên, hiệu năng của các linh kiện quang điện tử nano phụ thuộc chặt chẽ vào độ linh động của khí điện tử hai chiều. Trong quá trình nuôi cấy màng mỏng dị chất, sự sai lệch hằng số mạng giữa ZnO (khoảng 3,25 Å) và MgZnO cùng sự sắp xếp ngẫu nhiên của các nguyên tử nút mạng đã hình thành độ nhám bề mặt tại mặt tiếp xúc. Hiện tượng tán xạ nhám bề mặt (SR) trở thành cơ chế cản trở chính, làm suy giảm độ linh động và gây mở rộng vạch phổ chuyển dời giữa các vùng con trong giếng lượng tử có kích thước dưới 100 Å.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Sư phạm - Đại học Huế vào năm 2017 là xác định tường minh hai tham số đặc trưng của cấu hình nhám bề mặt, bao gồm chiều dài tương quan (kí hiệu là Lambda) và biên độ nhám (kí hiệu là Delta), trong dị cấu trúc giếng lượng tử ZnO/MgZnO. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích lý thuyết lượng tử kết hợp tính toán số giải tích cho giếng lượng tử vuông góc đối xứng có độ sâu hữu hạn. Kết quả nghiên cứu cung cấp một phương pháp giải tích tối ưu nhằm tách biệt các tham số hình học nhám, tạo cơ sở định lượng để kiểm soát chất lượng màng mỏng và nâng cao phẩm chất linh kiện quang điện tử tử ngoại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng Cơ học lượng tử và vật lý bán dẫn thấp chiều, tập trung mô tả trạng thái của khí điện tử hai chiều bị giam giữ trong giếng lượng tử thế vuông góc có độ sâu hữu hạn hình thành từ dị cấu trúc kép MgZnO/ZnO/MgZnO. Bốn khái niệm then chốt chi phối toàn bộ mô hình bao gồm:

• Khí điện tử hai chiều (2DEG): Hệ hạt tải chuyển động tự do trên mặt phẳng hai chiều song song với mặt phân cách và bị lượng tử hóa gián đoạn theo phương nuôi màng.
• Thế giam giữ hữu hạn: Độ sâu rào thế được xác định theo hàm lượng magie y trong hợp kim với biểu thức độ cao rào thế xấp xỉ 1,9y eV (đạt khoảng 0,57 eV khi y = 0,3).
• Cấu hình nhám bề mặt: Được mô hình hóa qua hai kích thước hình học gồm biên độ nhám Delta (chiều cao gồ ghề trung bình) và chiều dài tương quan Lambda (khoảng cách không gian mà tại đó độ mấp mô còn ảnh hưởng tương quan lẫn nhau), tuân theo hàm phân bố Gauss trong không gian vectơ sóng hai chiều.
• Độ rộng vạch phổ chuyển dời nội vùng và liên vùng: Độ mở rộng năng lượng tại nửa cực đại của vạch hấp thụ quang học, chịu ảnh hưởng từ tổng các cơ chế tán xạ: tạp chất ion hóa, hợp kim mất trật tự, phonon âm, phonon quang và tán xạ nhám bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa lý thuyết giải tích và tính toán mô phỏng số thông qua phần mềm chuyên dụng Wolfram Mathematica:

• Nguồn dữ liệu và tham số đầu vào: Cỡ mẫu tính toán sử dụng bộ tham số thực nghiệm tại 300 K của dị cấu trúc ZnO/Mg0.3Zn0.7O với khối lượng hiệu dụng của electron trong ZnO là 0,24 lần khối lượng electron tự do, trong lớp rào MgZnO là 0,28 lần khối lượng electron tự do. Bề rộng giếng lượng tử được chọn khảo sát ở các giá trị chuẩn L = 75 Å, 85 Å và 95 Å; mật độ điện tử hai chiều tương ứng đạt từ 5,2 x 10^11 cm^-2 đến 5,7 x 10^11 cm^-2.
• Phương pháp giải và tính toán: Phương trình Schrödinger một chiều được giải chính xác bằng phương pháp giải tích kết hợp phương pháp biến phân nhằm xác định hàm sóng chẵn, hàm sóng lẻ và các mức năng lượng gián đoạn E0, E1.
• Thuật toán khử tham số hai bước: Để giải quyết bài toán phi tuyến phức tạp khi cả Delta và Lambda cùng xuất hiện trong tích phân tán xạ, nghiên cứu áp dụng kỹ thuật lấy tỉ số độ rộng phổ giữa hai cấu hình giếng lượng tử có độ rộng và mật độ hạt tải khác nhau. Vì biên độ nhám Delta đóng vai trò thừa số tỉ lệ bậc hai nên sẽ tự triệt tiêu khi lập tỉ số, cho phép xác định đơn trị chiều dài tương quan Lambda trước, sau đó thế ngược lại vào biểu thức độ rộng phổ thành phần để suy ra biên độ nhám Delta.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã định lượng thành công cấu hình nhám bề mặt trong các giếng lượng tử ZnO/Mg0.3Zn0.7O, đem lại 3 phát hiện vật lý quan trọng:

• Xác định chính xác cấu hình nhám chuẩn: Với cấu hình giếng có độ rộng L = 75 Å (mật độ điện tử 5,2 x 10^11 cm^-2) và cấu hình đối chứng L' = 95 Å (mật độ điện tử 5,7 x 10^11 cm^-2), nghiệm đơn trị của chiều dài tương quan đạt giá trị Lambda = 76,5 Å. Từ giá trị Lambda này, biên độ nhám bề mặt được xác định chính xác là Delta = 4,3 Å.
• Quy luật biến thiên khi thay đổi độ rộng giếng: Khi tăng bề rộng giếng lượng tử thêm 13,33% (từ L = 75 Å lên L = 85 Å), các tham số nhám bề mặt ghi nhận sự thay đổi rõ rệt. Chiều dài tương quan Lambda tăng 28,76% đạt mức 98,5 Å, trong khi biên độ nhám Delta tăng nhẹ 6,98% lên mức 4,6 Å.
• Sự phụ thuộc của cấu hình nhám vào thông số giếng: Kết quả chứng minh rằng các kích thước đặc trưng của nhám không phải là hằng số cố định tuyệt đối mà có mối liên hệ mật thiết với kích thước giam giữ lượng tử và mật độ hạt tải trong lớp tiếp xúc dị chất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý của sự xuất hiện độ nhám bề mặt bắt nguồn từ sự không tương thích hằng số mạng giữa lớp nền ZnO và lớp phủ MgZnO, cùng sự phân bố ngẫu nhiên của các nguyên tử kẽm và magie tại các vị trí nút mạng tinh thể Wurtzite.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua hai nhóm đồ thị 2D trên hệ tọa độ Descartes:

• Đồ thị thứ nhất mô tả đường cong lý thuyết tỉ số độ rộng phổ theo chiều dài tương quan (đường đứt nét) giao cắt với đường thực nghiệm nằm ngang (đường liền nét), điểm giao nhau được đánh dấu bằng mũi tên chỉ thị trực tiếp nghiệm duy nhất của Lambda.
• Đồ thị thứ hai biểu diễn hàm độ rộng vạch phổ tán xạ theo biên độ nhám Delta tại giá trị Lambda đã tìm được, qua đó xác định trực tiếp giá trị Delta tương ứng trên trục hoành.

Khi so sánh với các hệ vật liệu truyền thống như AlGaAs/GaAs hay InAs/GaAs, hệ giếng lượng tử ZnO/MgZnO cho thấy độ rộng vạch phổ tán xạ nhám chiếm tỉ trọng vượt trội ở nhiệt độ thấp và kích thước giếng hẹp, khẳng định hiệu ứng phân cực bề mặt và năng lượng liên kết exciton lớn (60 meV) làm tăng cường độ nhạy của hàm sóng đối với các dao động mấp mô tại biên tiếp xúc.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện định lượng từ mô hình lý thuyết, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và định hướng ứng dụng thực tiễn:

• Tối ưu hóa quy trình nuôi màng MBE: Các cơ sở chế tạo bán dẫn cần điều chỉnh nhiệt độ đế và tốc độ chùm phân tử trong công nghệ epitaxy chùm phân tử nhằm khống chế biên độ nhám Delta dưới ngưỡng 4,0 Å và mở rộng chiều dài tương quan Lambda vượt trên 100 Å, giảm thiểu tán xạ hạt tải trong lộ trình 6 đến 12 tháng.
• Chuẩn hóa quy trình kiểm tra quang phổ nội vùng: Các phòng thí nghiệm vật lý màng mỏng nên áp dụng phương pháp đo tỉ số độ rộng phổ hấp thụ quang học hồng ngoại để đánh giá không phá hủy chất lượng mặt phân cách dị chất, hướng tới mục tiêu giảm sai số đo đạc xuống dưới 5% trong vòng 1 năm.
• Tích hợp thuật toán giải tích vào phần mềm mô phỏng: Đội ngũ kỹ sư thiết kế vi mạch cần tích hợp thuật toán khử tham số nhám hai bước vào các công cụ mô phỏng linh kiện số (như Mathematica hoặc Python QWW) nhằm tự động hóa việc trích xuất thông số giao diện màng mỏng trong vòng 18 tháng tới.
• Mở rộng nghiên cứu đa thông số giếng lượng tử: Nhóm nghiên cứu học thuật cần tiếp tục triển khai các khảo sát mở rộng trên các hệ giếng thế parabol và giếng thế tam giác với dải nồng độ magie thay đổi từ 10% đến 40% (x = 0,1 đến 0,4) trong kế hoạch nghiên cứu 24 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vật lý lý thuyết, Vật lý chất rắn: Nắm bắt phương pháp giải gần đúng phương trình Schrödinger bằng giải tích và biến phân, cùng kỹ thuật xử lý bài toán tán xạ hạt tải trong cấu trúc nano.
• Kỹ sư thiết kế linh kiện bán dẫn và quang điện tử: Ứng dụng mô hình tính toán để tối ưu hóa cấu trúc giếng lượng tử cho các linh kiện phát quang tử ngoại (UV LED), diode laser và tranzito độ linh động điện tử cao (HEMT).
• Nhà khoa học vật liệu và chuyên gia công nghệ màng mỏng: Sử dụng dữ liệu biên độ nhám và chiều dài tương quan để hiệu chỉnh thông số lắng đọng màng mỏng trong các hệ thiết bị MBE và MOCVD.
• Giảng viên các trường đại học khối ngành khoa học tự nhiên và kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên đề chuyên sâu cho các học phần Cơ học lượng tử ứng dụng, Vật lý bán dẫn thấp chiều và Vật lý tính toán.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao vật liệu bán dẫn ZnO/MgZnO lại được ưu tiên nghiên cứu hơn các vật liệu truyền thống như GaAs? ZnO sở hữu năng lượng vùng cấm trực tiếp rộng 3,37 eV và năng lượng liên kết exciton lên tới 60 meV, cao hơn nhiều so với mức 4 meV của GaAs. Điều này cho phép các thiết bị quang điện tử hoạt động cực kỳ bền vững ở nhiệt độ phòng và môi trường nhiệt độ cao mà không bị phân hủy exciton.

Tán xạ nhám bề mặt ảnh hưởng như thế nào đến phẩm chất của linh kiện bán dẫn hai chiều? Độ nhám mấp mô tại mặt phân cách làm thay đổi ngẫu nhiên điều kiện biên của rào thế giam giữ, tạo ra thế tán xạ làm lệch quỹ đạo chuyển động của electron. Hiện tượng này làm suy giảm nghiêm trọng độ linh động của khí điện tử hai chiều và làm nhòe vạch phổ phát xạ của linh kiện.

Tại sao phương pháp tỉ số độ rộng phổ lại tối ưu hơn việc đo độ rộng phổ đơn lẻ? Trong biểu thức tán xạ nhám, cả chiều dài tương quan Lambda và biên độ nhám Delta đều xuất hiện đồng thời dưới dạng tích phân phức tạp. Phương pháp lập tỉ số giúp triệt tiêu hoàn toàn hệ số bậc hai của Delta, cho phép xác định đơn trị và chính xác tham số Lambda trước khi tính Delta.

Sự thay đổi độ rộng giếng lượng tử từ 75 Å lên 85 Å tác động như thế nào đến các thông số nhám? Khi độ rộng giếng tăng thêm 10 Å, chiều dài tương quan Lambda tăng đáng kể từ 76,5 Å lên 98,5 Å (tăng 28,76%), trong khi biên độ nhám Delta tăng nhẹ từ 4,3 Å lên 4,6 Å (tăng 6,98%), cho thấy kích thước giếng chi phối trực tiếp phân bố không gian của các mấp mô giao diện.

Mô hình toán học trong luận văn có thể áp dụng cho các cấu trúc dị chất khác không? Hoàn toàn có thể áp dụng. Thuật toán giải tích và phương pháp tỉ số độ rộng phổ được xây dựng trên nền tảng tổng quát của cơ học lượng tử, có thể mở rộng áp dụng hiệu quả cho các hệ dị cấu trúc khác như InAs/GaAs, AlGaN/GaN hoặc Si/SiGe.

Kết luận

• Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về khí điện tử hai chiều và các cơ chế tán xạ trong giếng lượng tử dị cấu trúc bán dẫn ZnO/MgZnO.
• Xây dựng thành công thuật toán hai bước sử dụng tỉ số độ rộng phổ để giải quyết triệt để sự phụ thuộc chéo giữa chiều dài tương quan và biên độ nhám bề mặt.
• Xác định chính xác bộ tham số cấu hình nhám tiêu chuẩn cho dị cấu trúc ZnO/Mg0.3Zn0.7O với Lambda = 76,5 Å và Delta = 4,3 Å tại độ rộng giếng L = 75 Å.
• Làm sáng tỏ quy luật biến thiên hình học nhám khi thay đổi độ rộng giếng lên L = 85 Å, ghi nhận giá trị Lambda = 98,5 Å và Delta = 4,6 Å.
• Đóng góp phương pháp luận tính toán số chuẩn xác, mở ra hướng ứng dụng thiết thực trong việc kiểm soát chất lượng chế tạo màng mỏng quang điện tử thế hệ mới.

Để tiếp tục phát triển công trình này, các nhà nghiên cứu có thể mở rộng mô hình tính toán cho các cấu trúc đa giếng lượng tử và giếng thế phân cực phức tạp trong giai đoạn 2026-2028. Quý độc giả và các nhà khoa học quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn tại thư viện Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế để tham khảo chi tiết các thuật toán giải tích và hệ thống mã nguồn mô phỏng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương nàu chúng tôi trình bày tổng quan về các tham số tà đặc trưng của vật liệu bán dẫn ZnO/MgZnO, một số đặc điểm và tính chất của khí điện tử hai chiều. Khảo sát các loại giếng lượng tử khác nhau để tìm hàm sóng, năng lượng tà vẽ đồ thị hàm sóng của hạt. Tổng quan về vật liệu bán dẫn ZnO/MgZnO Độ linh động e a khí điện tử hai chiều (2DEG) tồn tại trong các cấu trúc dị chất chịu sự chỉ phối bởi nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố đó là cầu hình tạp của chúng.

Cầu hình tạp không những chỉ phối sự phân bố khí điện tử trong giếng lượng tử của cầu trúc dị chất mà nó còn ảnh hưởng đến độ linh động của khí điện tử. Để có hệ hạt tải hai chiều tồn tai trong cấu trúc dị chất có nồng độ cao người ta thường pha tạp cho hệ. Tuy nhiên, với hệ vật liệu MgZnO/ZnO không cần pha tạp, hệ n tử tồn tại trong hệ vẫn có nồng độ cao do đặc tính phân cực của chúng, CỊ 4 tôi đánh giá ảnh hưởng của các cầu hình tạp khác nhau (đồng đều, điều biến và dạng delta) lên sự phân bố khí điện tử và độ linh động điện tử tồn tại trong các giếng lượng tử tạo bởi các cấu trúc di chất MgZnO/ZnO khác nhau [10] u 1. Dac trumg ciia vat ligu ban din ZnO Zinc oxide (ZnO) la hgp chất bán dẫn thuộc nhóm ABPT và có.

nhiều tính chất nổi bat như là độ rộng vùng cắm lớn (cỡ 3.37 eV ở nhiệt độ phòng), đô bền vững, độ rấn và nhiệt độ nóng chảy cao [1Ì. Hình 1: Câu trúc Wurtzite của vật liệu Z0. Vật liệu ZnO có 2 dạng cấu trúc cơ bản là: cầu trúc lập phương giả kẽm (Zine blend) và cầu trúc lục giác (Wurtzite). Cầu trúc Wurtzite của ZmO là cấu trúc ổn định, bền vững ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển.

Mỗi nguyên tử kẽm (Zn) lien kết với 4 nguyên tit Oxi (O) nằm ở 4 đỉnh của tứ diện. Các thông số vật lý của vật liệu ZnO được trình bày. trên bảng 1L 1 Bảng 1.1: Cée thông số vật lý của vật liệu ZnO, Thông số. Kíhieu| Gia tri Khối lượng hiệu dụng của điện tử m; [2,18 x 10 kg Khối lượng hiệu d lỗ trồng, mj, [5,37 x 10 kg Khối lượng riêng p 5,61 g/cm’ Hằng số điện môi £ 866 Năng lượng vùng cắm E, 3/37 eV Hằng số mạng, a 3/25 Ả Hằng số mạng.26 A Nhiét d6 néng chiy Tn 1975 °C Các cầu trúc thấp chiều thiết kế trên ZnO có thể ở dang chấm lượng tử, dây lượng tử hay giống lượng tử với các công nghệ nuôi cấy tỉnh thể hiện đại.

Khi cấu trúc mới được hình thành, các tính chất vật lý của chúng cũng cần được khảo sát. Với cầu trúc giống lượng tử, một trong những tính chất vật lý quan trọng được xem là đặc trưng cho phẩm chất lình kiện là độ linh động hệ điện tử hình thành trong giếng. Do linh động. của hệ điện tử càng cao thì linh kiện hoạt động dưa trên hệ điện tử này có phẩm chất càng tốt.

Độ linh động của hệ điện tử hình thành trong hệ chịu sự chỉ phối bởi nhiều yếu tố cầu thành hộ. Mot trong những yếu tố đó là cầu hình tạp. Hệ có các cầu hình tạp khác nhau sẽ làm cho sit phân bố điện tử và sự tán xạ điện tử trong hệ là khác nhau, nó có ảnh hưởng khác nhau đến độ linh động điện tử [10] 1. Đặc trưng của vật liệu bán dẫn MgZnO.

C6 thể thấy ring có ba đỉnh chính cho lớp đơn Magnesium zine oxide (MgZnO) với nồng độ Mg khác nhau. Ngoài ra, vật liệu bán dẫn 1 MgZnO có đô rộng vàng cắm lớn hơn so với vật liệu bán dẫn ZnO. Trong, trường hợp ZnO nguyên sơ, đỉnh đầu tiên ở 4 eV nên chủ yếu là do sự chuyển tiếp giữa các trạng thai O 2p trong dải dẫn có giá trị ö nhất và trạng thái Zn 4s ở dai dẫn thấp nhất có liên quan đến cấu trúc vùng, năng lượng trực tiếp. Đỉnh thứ hai ở 8 eV có thể là do quá trình chuy đổi giữa trạng thái Zn 3d và O 2p.

Đỉnh yếu ở 14 eV chủ yếu là bắt nguồn từ quá trình chuyển đổi giữa trạng thái Zn 3d va O 2p. Hiệu quả chính của doping Mg phụ thuộc vào mức đỉnh đầu tiên do sự chuyển đổi quang học giữa các trạng thái Zn 4s và O ?p rõ ràng chuyển sang phía. năng lượng cao với nồng độ Mg tăng lên, cho thấy khoảng trống băng từ đang tăng lên. Các thông số của vật liệu MgZnO được trình bảng 1.

Bang L2: Các thông số vật lý của vật liệu MgZO. Thong s6 Kihieu] Giátri Khối lượng hiệu dụng của điện tử my |2,55 x 1075! kg Khói lượng hiệu dụng của lỗ trồng mỹ |T,09 x10 5kg Hằng số điện môi ce | 884+ 8,89y Năng lượng vùng cấm: E, 361eV 1. Đặc trưng của bán dẫn thấp chiều ZnO/MgZnO Đặc điểm và h chất của dị cầu trúc bán dẫn ZnO/MgZnO phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc tỉnh thể, thành phần hóa học, khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trồng, hằng số điện môi, bề rộng khe vùng, mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn và vùng hóa trị của các bán dẫn thành phần ZnO và MgZnO. Ngoài ra, chính do sự chẽnh lệch giữa đáy hai vùng dẫn với một bên.

là ZnO và một bên là MgZnO cộng với sự tương tác hút của các donor và thế hút của các điện tích bề mặt dị chất bởi hiệu ứng phân cực đã u tạo ra thế (hay ái lực) hút các điện tử lại gần bề mặt, nghĩa là đã hình thành giếng lượng tử gần bề mặt. Bên cạnh đó, sự tương tác giữa các điện tử cũng có ảnh hưởng đến thế năng này. Khí điện tử nằm trong giếng thế này nó bị ảnh hưởng bởi dạng của giếng thé |9]. Xác định dang giếng thế thì sẽ xác định được trạng thái của hệ khí điện tit nay.

Trang thái của hệ hí điện tử bị lượng tử được xác di bởi hàm sóng. Tà xác định trạng thái của hệ điện tử là xác định hàm sóng, Sự sai khác hằng số mạng của hai vật liệu cần thiết phải có kĩ thuật tốt trong việc nuôi cấy ZnO trên nền MaZnO nhằm làm giảm độ nhám. trên bề mặt tiếp giáp giữa hai vật liệu. Bởi vì độ nhám bẻ mặt là một trong những nguồn gây ra tán xạ hạt tải, làm giảm độ linh động của hạt tải trong lớp gẵn phần biên (bị nhốt trong giếng thé) va do đó, đặc tính dẫn điện va tính ưu việt của vật liệu cũng bị giảm xuống [6].

Ngày nay, vat liệu bán dẫn thấp chiểu được chế tạo bằng một số công nghệ như phương pháp epitaxy chùm phân tử, phương pháp lắng đọng hóa hữu cơ kim loại [1] đã góp phần tạo ra các vật liệu có độ nhám bề mặt thấp. Đặc điểm của khí điện tử hai chiều 'Khí điện tử hai chiều (2DEG) là một hệ các điện tử chuyển động tự do trong hai chiều và bị giới hạn ở chiều thứ ba trong không gian. Trong, các dị cầu trúc bán dẫn, sự chuyển động đó được gọi là sự chuyển dong trong giếng lượng tử (lớp lượng tử) hình thành trong cấu trúc của lớp. Nghiên cứu sự vận tải của hệ 2DE là rất quan trọng bởi vì nó liên quan đến độ dẫn điền, dẫn nhiệt và các tính chất quang của vat liệu bán dẫn thấp chiều.

Hàm sóng và năng lượng của điện tử chỉ động trong tinh thi bán dẫn khối va trong bán dẫn t chiều là khác. Dể khảo sát sự khác nhau đó ta chọn hệ tọa độ Descartes gồm. mặt phẳng (,) trùng với mặt tiếp xúc của hai lớp bán dẫn và trục z đọc theo hướng nuôi. “Trong tỉnh thể bán dẫn khối, điện tử không bị giới hạn chiều el động nhưng chịu tác dụng của thế năng tuần hoàn của mạng tỉnh thể V () nên xung lượng và các vector sóng Ê có giá trị thay đi , hình thành.

cấu trúc vùng năng lượng của điện tử gồm vùng hóa trị, vùng cắm và vùng dẫn. Hàm sóng của điện tử là sự chồng chất của nhiều sóng phẳng với các vector sóng È khác nhau, nghĩa là uz) ƒc(#” (a) ï trong đó C (®) là hệ số khai triển. Biểu thức năng lượng của điện tử trong bán dẫn khối có dang Ep = rig omy (1.2) trong đó m, và ơn, lần lượt là khối lượng hiệu dụng của điện tử trong, mặt phẳng (z,) và theo phương =. “Trong tỉnh thể bán dẫn thấp chiều với cầu trúc giếng lượng tử, điện tử chuyển động tự do theo hai chiều 2, y và bị giam giữ một chiều theo phương 2.

Trong mặt phẳng (z,g) điện tử không chỉ chịu tác dụng của. thé năng tuần hoàn của mạng tỉnh thé V (Z) theo chiều giam giữ z mà còn chịu tác dụng của thế giam gitt V(z) sinh ra do swt chênh lộch vùng dẫn của hai lớp bán dẫn khác nhau khi ghép chúng lại với nhau. Giá trị của (2) chính là độ cao rào thế của giếng lượng tử. Phương trình Schrodinger cho hạt chuy động trong giếng lượng tử với thế giam giữ V(z) có dạng re [ane Re +V()|()= E0(9.- 2m, 0z? (13) Giải phương trình này ta tìm được hàm sóng và năng lượng của điện tử 16 lần lượt là (14) Eqx ast met En (15) trong đó ú(z) và E, lần lượt là hàm sóng và năng lượng của điện tử theo phương z và chỉ được xác định khi biết được dạng cu thể của thế giam giữ V(z Nang lượng ZZ„ nhận các giá tri gién doan Ep, Er, E: nghĩa là năng lượng của hạt bị lượng tử hóa.

Khảo sát các loại giếng lượng tử Sự giam cằm lượng tử lên các hạt tải điện bởi thế một chiều (làm cho các hạt tải điện có đặc tính giả hai chiều) hình thành trong các lớp bán dẫn mỏng (cỡ nanomet - cấu trúc nano) là đối tượng vật lý được soi là giếng lượng tử. Do sự giam cảm lượng tử lên các hạt tai điện tồn tại trong giống làm các mức năng lượng bị lượng tử hóa dọc theo hướng, muôi tinh thể trong các mẫu nuôi dẫn đến sự chuyển đời quang giữa các mức năng lượng này là có thể. Sự chuyển dời từ các mức năng lượng. trong vùng hóa trị đến các mức năng lượng trong vùng dẫn được gọi là sự chuyển dời ngoài vùng, trái lại sự chuyển đồi giữa các mức năng, lượng bị tách ra do hiệu ứng lượng tử vừa đề cập trong cùng một vùng được gọi là chuyển dời giữa các vùng con.