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

Luận văn thạc sĩ vật lý phân tích vật lý khảo sát cấu hình nhám từ cường độ cao hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử gaasalgaas, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Lê Thị Huyền Trâm
• Người hướng dẫn: PGS. Đinh Như Thảo
• Trường học: Đại Học Sư Phạm
• Chuyên ngành: Vật Lý Lý Thuyết Và Vật Lý Toán
• Đề tài: Khảo Sát Cấu Hình Nhám Từ Cường Độ Hấp Thụ Tích Hợp Trong Giếng Lượng Tử GaAs/AlGaAs
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cấu hình nhám từ trong giếng lượng tử GaAs

Cấu hình nhám từ trong giếng lượng tử GaAs là một chủ đề quan trọng trong nghiên cứu vật lý bán dẫn. Cấu hình nhám từ ảnh hưởng đến các tính chất vật liệu, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghệ nano. Giếng lượng tử GaAs/AlGaAs được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và quang điện. Nghiên cứu này nhằm khảo sát cấu hình nhám từ và ảnh hưởng của nó đến cường độ hấp thụ trong giếng lượng tử. Các phương pháp nghiên cứu hiện đại như mô hình hóa lý thuyết và tính toán số được áp dụng để phân tích các đặc điểm của giếng lượng tử. Theo đó, việc xác định các thông số như độ nhám bề mặt và cường độ hấp thụ là rất cần thiết để hiểu rõ hơn về tính chất vật liệu.

1.1. Tổng quan về giếng lượng tử GaAs

Giếng lượng tử GaAs là một cấu trúc bán dẫn có khả năng giam giữ điện tử trong một không gian ba chiều. Giếng lượng tử này được hình thành từ các lớp vật liệu GaAs và AlGaAs, tạo ra một vùng năng lượng thấp hơn so với các vùng xung quanh. Điều này cho phép các điện tử bị giam giữ trong một không gian nhỏ, dẫn đến các tính chất điện tử đặc biệt. Nghiên cứu về tính chất vật liệu của giếng lượng tử GaAs không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của các thiết bị bán dẫn mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ nano. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cấu hình nhám từ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị này, do đó việc khảo sát là rất cần thiết.

II. Phương pháp nghiên cứu cấu hình nhám từ

Phương pháp nghiên cứu cấu hình nhám từ trong giếng lượng tử GaAs bao gồm các bước mô phỏng và tính toán. Sử dụng phần mềm Mathematica, các mô hình lý thuyết được xây dựng để mô phỏng các đặc điểm của cấu hình nhám từ. Các thông số như độ nhám bề mặt và cường độ hấp thụ được tính toán dựa trên các phương trình vật lý cơ bản. Việc áp dụng phương pháp phân tích phổ hấp thụ cho phép xác định các mức năng lượng và độ rộng của các vạch phổ. Điều này giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các điện tử và lưới tinh thể trong giếng lượng tử. Kết quả thu được từ các mô phỏng này sẽ được so sánh với các dữ liệu thực nghiệm để xác nhận tính chính xác của mô hình.

2.1. Mô hình hóa lý thuyết

Mô hình hóa lý thuyết là một phần quan trọng trong nghiên cứu cấu hình nhám từ. Các phương trình Schrodinger được sử dụng để mô tả hành vi của các điện tử trong giếng lượng tử. Mô hình này cho phép tính toán các mức năng lượng và hàm sóng của các điện tử. Bên cạnh đó, việc áp dụng các phương pháp số để giải các phương trình này giúp đạt được kết quả chính xác hơn. Các thông số như độ nhám bề mặt và cường độ hấp thụ được tính toán từ các mô hình lý thuyết, từ đó đưa ra các dự đoán về tính chất vật liệu. Kết quả từ mô hình hóa sẽ được sử dụng để so sánh với các kết quả thực nghiệm, nhằm xác định độ chính xác của mô hình.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng cấu hình nhám từ có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ hấp thụ trong giếng lượng tử GaAs. Các số liệu thu được từ mô phỏng cho thấy rằng độ nhám bề mặt càng cao thì cường độ hấp thụ càng giảm. Điều này có thể giải thích bởi sự gia tăng các mức năng lượng không mong muốn do sự hiện diện của các khiếm khuyết trên bề mặt. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tối ưu hóa cấu hình nhám từ có thể cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các thiết bị bán dẫn hiệu quả hơn.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về cấu hình nhám từ trong giếng lượng tử GaAs có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghệ nano và điện tử. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến cường độ hấp thụ giúp các nhà nghiên cứu thiết kế các thiết bị bán dẫn với hiệu suất cao hơn. Các ứng dụng bao gồm cảm biến quang, diode phát quang và các thiết bị điện tử khác. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu mới với tính chất tối ưu hơn. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong nghiên cứu này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ nano trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương nàu trình bày tổng quan tề các tính chất à thông số của vat liéu ban din GaAs/AlGaAs, mot số dặc điểm tà tính chất của khí điện tử hai chiều. Khảo sát một số loại giếng lượng tit dé fim hàm sóng tà năng lượng của hạt. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn GaAs/ AlGaAs 1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn GaAs Gallium arsenide (GaAs) là một chất bán dẫn hợp chất của gallium (Ga) va arsenide (As).

Ga là một nguyên tố hoá học thuộc nhóm TILA, là một kim loại yếu màu bạc ánh kim. Ga đạng nguyên tố không tồn tại trong tự nhiên và cũng không có khoáng chất nào có hàm lượng Ga đủ cao để có thể tách nó hay các hợp chất của nó. Tuy nhiên Ga có thể được. tách ra từ các quặng bôxít, than đá, điaspore, germanit và sphalerit với lượng rất nhỏ, khoảng dưới 1% theo trọng lượng.

Do đó Ga khá hiếm, có thể nói là hiếm hơn vàng. As là mot ng " tổ hoá học thuộc nhóm VA, là một á kim. As khong hiếm nhưng lại là một chất rất độc. GaAs Ia vat liêu hợp chất bán dẫn A!”“BY, Tinh thé GaAs có cầu trúc lập phương giả kẽm (lập phương zine blende) và đều thuộc loại cầu.

trúc tứ diện. “au trúc tứ diện là cầu trúc mà trong đó mỗi nguyên tử là tâm của một tứ diện được tạo thành từ bốn nguyên tử gần nhất xung. Cấu trúc tỉnh thể GaAs thuộc mạng lập phương tâm diện với gốc mạng là hai nguyên tử khác loại, do đó ta có thể xem cấu trúc tỉnh. thé GaAs gdm hai mạng lập phương tâm diện lồng vào nhau 1 Hình L1: Cầu trúc tính thể GaAs: các đỉnh tứ điện As va tam la Ga, Bing 11: Cée thong s6 ea GaAs thu được từ thực nghiệm mbit do 300 K “Thông số Giá trì "Khối lượng hiệu dụng của electron mz | 0663 mạ “Khối lượng hiệu dụng của lỗ trông mỹ | 051m Số nguyên tử trong Lem? n | 442105 Mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng đẫn | A.10"em= Mật độ trang thất hiệu dụng trong vùng hoá trị | N _ | 902m." Nhiệt độ Debye Tạ, 360K: Hãng số diện môi tĩnh 129 Hằng số điện mối tần số cao 1089 Ting 96 mang a_| 5.65325 A Nang lượng vùng cắm Ey | 1a "Năng lượng phonon quang he | 00854 “Trong đó, năng lượng vùng cấm của vật lieu ban din GaAs phy thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức (0) với E,(0) — 1.ð19 eV là năng lượng vùng cấm ở nhiệt độ T = 0 K.

Mật độ trang thái hiệu dụng trong vùng dẫn và trong vùng hóa trị phụ 1 thuộc vào nhiệt độ theo các biểu thức: m,kgT\Ỷ) ` No 2( ae (12) k; i 2m) (3) 1. Tổng quan về vật liệu ban din AlGaAs Alluminium galium arsenide (Al,Ga,_,As) lA mot vật liệu bán dẫn \g số mạng gần giống với GaAs, nhưng có năng lượng khe vùng Jon hon. Tinh thé AlGaAs có cấu trúc lấp phương gid kém (zine blende) và thuộc loại cầu trúc tứ điện. k2 Hình L2: Cấu trúc tỉnh thé AIGaAs, 1.

Các thông số của bán dẫn thấp chiều GaAs/AlGaAs Đặc điểm và tính chất của dị cầu trúc trong bán dẫn thấp chiều phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc tỉnh thể, thành phần hóa học, hằng số điện. môi, bề rộng khe vùng và các mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng, dẫn và vùng hóa trị của các bán dẫn thành phần GaAs/AIGaAs. Trong dị tiếp xúc của bán dẫn thấp chiều có rắt nhiều kiểu sắp xếp vùng. Sự phân loại được dựa trên thứ tự tương đối của các biên vùng năng lượng.

Bán dẫn thấp chiéu GaAs/Al,Ga;_,As sip xép theo kiéu "straddling" nhut hinh 1.3 [2] u Bing L2: Các thông số của Al,Ga,_„Äs thu được từ thực nghiệm ở nhiệt độ 300 KỆ "Thông số Ký hiện Giá trì Khối lượng hiệu dụng cia electron | mt (0063 + 0,083) mo Khối lượng hiệu dụng của lỗ trồng |_ mặ (01 + 025z) mẹ Số nguyên tử trong Lem? a (4,42 ~ 0,172) 10 Nhiệt độ Debye Tp 370 + 5z + 2272 K Hồng số điện môi tính 12,9 2,844 ng 95 dign moi tin s6eao | ex 10,89 ~ 3,73 Hồng số mạng 5.6583 + 0/0078 A Năng lượng vùng cấm E 12 + 1.252 WV "Năng lượng phonon quang eo - |36.+1,88r + 17,122 — 5,112” meV GaAs Al,Gai_,As 1421125 Hình L3: p xếp vùng năng lượng trong bán dẫn GaAs/Al,Gay_,As Do sự chênh lệch bề rộng năng lượng vùng cắm của hai vật liệu trên nên khi ghép hai vật liệu này lại để tạo nên dị cầu trúc GaAs/AIGaAs thì đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn của GaAs nằm trong khe vùng của AIGaAs. Độ chênh của khe vùng tại tại mặt tiếp xúc là AE, = 1,25z (eV). Thực nghiệm cho thấy độ chênh này phân phối khoảng 60% ở vùng, dẫn và 40% ở vùng hóa trị. vùng dẫn ts "vùng hóa trị AlGaAs GaAs AlGaAs Hình L4: Dấy của vùng dẫn và định của vùng hóa trị trong giếng lượng tử GaAs/AIGaAs Hằng số mạng của GaAs là 5,6533 Â và của Al,Gai „As là 5,6533 + 0/0078 A, do có sự sai khác về hằng số mạng của các vật liệu nên cần.

phải có kỹ thuật tốt trong việc nuôi cấy. Phương pháp Epitaxy chùm. phâ tit (MBE) dé dang nuôi cấy tỉnh thé Al s trên nền GaÁs, nhưng, quy trình ngược lại (nuôi cấy tỉnh thé GaAs trén nén AlGaAs) còn gặp nhiều khó khăn. Kỹ thuật nuôi cấy càng tốt thì độ nhám trên bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp vật liệu sẽ càng nhỏ.

Độ nhám là một trong những. nguyên nhân gây ảnh hưởng trực tiếp đến tính dẫn điện và một số đặc tính wu viet khác của vật liệu, bởi vì độ nhám bề mặt là một trong. những nguyên nhân gây ra tán xạ hạt tải, từ đó làm giảm độ linh động, của hạt tải trong lớp gần biên. Các cấu hình của giếng lượng tử “Trong giếng lượng tử các hạt mang điện chuyển động tự do theo hai chiều và bị giam giữ theo một chiều.

Ta giả sử chiều giam giữ là chiều lớn lên của tỉnh thể trong kỹ thuật epitaxy ứng với thế giam giữ V(z), 16 tự do là x và y, nghĩa là hạt chuyển đông tư do trong mặt phẳng, 6 ) [2]. Sau đây ta sẽ di khảo sát các loại giếng lượng tử ứng với các thể giam gi a thi 1. Giếng thế vuông góc có chiều cao vô hạn Xét trường hợp một hạt chuyển động tự do trong giếng thế một chiều có chiều cao vô hạn, bề rộng L, có dạng giải tích của thế năng là: 0, khi 0 € z < L; 00) (14) %, khi # < 0 và # > L. U=s U=% Hình L5: Sơ đồ thổ năng của giống thổ vuông góc có chiều cao vô hạn.

Vi thé giam giữ có chiều cao vo han nên hạt không tồn tại bên ngoài giếng thế, do đó khi z < 0 và z > L thi ham song bing không. Xét về mặt hình thức thì ta có thể xem hạt tương đương với một viên bỉ trượt không ma sát đọc theo một sợi day được căng giữa hai bức tường rấn sao cho và chạm cña viên bi với chúng là tuyệt đối đàn hồi (3|. Như vậy ta chỉ xét hạt chuyển dong trong giếng thế (0 < z < Ƒ). Khi này phương trinh Schrodinger cho hat trong giếng thế ở trạng thái dừng có dạng: Pu) =0.5) Dat k? = 2mB/H2, ta được phương trình.6) dự? Nghiệm của phương trình vi phan (1.6) có dạng (+) = Asin ke + D cos kế, (17) Tit diéu kien lien tục của hàm sóng tại các điểm biên (0) = (1) tà có: Asin0 + Bcos0 = ao > > L AsinkL + BooskL = 0 B=0 (18) Với k? = 2mE/h?, ta có biểu thức năng lượng của hạt trong giếng thế vuông góc có chiều cao võ hạn là: s2 WE, (19) —- trong đó Eụ = z2h2/2m12 là năng lượng của hạt ứng với n = 1 và được gọi là năng lượng ở trạng thái cơ bản.7) được viết lại như sau 0) = Asin “a, (110) Từ điều kiện chuẩn hóa hàm sóng, ta có.

IAI | sin? Fede =le ape =1>A Vi (1) L Vậy hàm sóng của hạt ở trang thái dừng có dạng, oe) T in Tz, (12) 18 12. lếng thế vuông góc có chiều cao hữu han Bây giờ ta xót trường hợp một hạt chuyển động tự do trong giếng. thế một chiều có chiều cao hữu hạn, bẻ rộng L có dạng gỉ tích của thế năng là.6: So đồ thé năng của giống thể vuông góc có chiêu cao hữu hạn. Vi thé giam giữ có chiều cao hữu hạn nên hạt có thể tồn tại ở bên trong hoặc bên ngoài giếng.

Dựa vào sơ đồ thế năng (hình 1.6), ta có thể thấy rằng khi năng lượng E > Uụ thì hạt tự do khong bi liên kết, năng lượng E là liên tục. Ngược lại, khi E < ụ hạt bị nhốt trong giếng, năng lượng của hạt bị lượng tử hóa ứng với các trạng thái liên kết |3]. Phương trình Sehrodinger cho hạt trong giếng thế ở trạng thái dừng có dạng: 1) Phương trình Schrodinger cho hạt ngoài giếng thể có dạng, Lyle), ete) 2m(E- Us) (1.15) 19 Đặt mE kaya , #*= thu được phương trình Schrodinger tương ứng cho từng, Miền (D): 0ị(z) — neh (x) = 0. Giải ba phương trình trên, ta thu được th(z) = Ce (eS -L/2); 1a(z) = Asin kz+ Beoskz (—L/2< z< L/3) (1) da(œ) = De™ (> 1/2).

“Từ điều kiện liên tục của hàm sóng tại các điểm biên z = +L/2, ta thu được: A=0,C =D = Betec 7 (1.18) Vậy ta đưa hàm sóng về theo cùng hệ số chuẩn hóa B: vi(z) = Boos e+") (x< -L/2); Ua(z) = Boos ke (-L/2<2< 1/2) (1.19) 1a(x) = Boose") (x > L/2), Ấp dụng điều kiện chuẩn hóa hàm sóng (0(z)|0(z)) = 1, hay: -a tạ eo / Vilar (x) + / 93(z)0a(z)dz + / 93(z)0a(z)dz ® J ip từ đó ta tính được hệ số ch hóa B có dang (121) 20 Nếu từ điều kiện liên tục, ta xét với B — |, ta thu được B=0,C (1.22) Vậy hàm sóng được đưa về cùng hệ số chuẩn hóa A: 0\Œ) = —Asin kEeF12) (y < —/9); 0a(z) = Asinke (-L/2<2<L/2); Ug(z) = Asin Le“) (x > 1/2), “Tương tự như trên, ta tính được hệ số chuẩn hoá A có dạng. (123) Vì giếng thể là đối xứng nên nghiệm ở miền II thuộc về lớp nghiệm chẵn. Từ đó ta được (1.25) tương ứng với lớp nghiệm lẻ. Đặt kL _ L [ĐmE 5 3V (1.26) với lưu ¥ tanfa + 7/2] = —cot a, biến đổi ta được: 2 tang = 4 , (27) 2 —eot£= (1.28) a Để xác định các giá trị của năng lượng, ta phải xác định các giá trị của € và &.