Nghiên Cứu Lý Thuyết Exciton và Biexciton Loại Hai Trong Hệ Hai Chấm Lượng Tử và Lớp Kép Graphene

• Tác giả: Võ Thị Hoa
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Văn Thanh
• Trường học: Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán
• Đề tài: Lý Thuyết Exciton và Biexciton Loại Hai Trong Hệ Hai Chấm Lượng Tử và Lớp Kép Graphene
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN
• 1.3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
• 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THẤP CHIỀU
• 2.1. KHÁI NIỆM HỆ THẤP CHIỀU
• 2.2. ĐIỆN TỬ TRONG HỆ THẤP CHIỀU
• 2.2.1. Hạt chuyển động trong hố thế vuông góc
• 2.2.2. Điện tử trong hệ hai chiều
• 2.2.3. Điện tử trong hệ một chiều
• 2.2.4. Điện tử trong hệ không chiều
• 2.3. ĐẠI CƯƠNG VỀ EXCITON VÀ BIEXCITON
• 2.3.1. Exciton – Exciton loại 1 – Exciton loại 2
• 3. EXCITON VÀ BIEXCITON LOẠI 1 TRONG CÁC HỆ THẤP CHIỀU
• 3.1. Phương trình Wannier
• 3.2. Trường hợp hệ hai chiều và ba chiều
• 3.3. Trường hợp hệ một chiều
• 3.4. Trường hợp hệ không chiều
• 4. BIEXCITON LOẠI 1 TRONG CÁC HỆ THẤP CHIỀU
• 4.1. Biexciton trong giếng lượng tử
• 4.2. Biexciton trong ống nanô
• 4.3. Biexciton trong chấm lượng tử
• 5. EXCITON VÀ BIEXCITON LOẠI 2 TRONG HỆ HAI CHẤM LƯỢNG TỬ
• 5.1. MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ
• 5.1.1. Mô hình máy tính lượng tử spin
• 5.1.2. Mô hình máy tính lượng tử quang
• 5.2. Biexciton trong bán dẫn khối
• 5.3. EXCITON LOẠI 2 TRONG HAI CHẤM LƯỢNG TỬ
• 5.3.1. Mô hình exciton loại 2 trong hai chấm lượng tử
• 5.3.2. Năng lượng liên kết của exciton loại 2 trong hai chấm lượng tử
• 5.4. BIEXCITON LOẠI 2 TRONG HAI CHẤM LƯỢNG TỬ CÙNG KÍCH THƯỚC
• 5.4.1. Mô hình biexciton loại 2 trong hai chấm lượng tử cùng kích thước
• 5.4.2. Năng lượng của biexciton loại 2 trong hai chấm lượng tử cùng kích thước khi chưa tính đến thế tương tác
• 5.4.3. Năng lượng liên kết của biexciton loại 2 trong hai chấm lượng tử cùng kích thước
• 5.5. BIEXCITON LOẠI 2 TRONG HAI CHẤM LƯỢNG TỬ CÓ KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU
• 5.5.1. Mô hình biexciton loại 2 trong hai chấm lượng tử có kích thước khác nhau
• 5.5.2. Năng lượng của biexciton loại 2 trong hai chấm lượng tử khác kích thước khi chưa tính đến thế tương tác
• 5.5.3. Thông số tương tác Förster (biểu thị qua năng lượng liên kết biexciton loại 2)
• 6. EXCITON VÀ BIEXCITON LOẠI 2 TRONG HỆ CÁC LỚP GRAPHENE
• 6.1. EXCITON LOẠI 2 TRONG LỚP KÉP GRAPHENE
• 6.1.1. Cấu trúc năng lượng trong lớp kép graphene
• 6.1.2. Exciton loại 2 trong lớp kép graphene
• 6.2. BIEXCITON TỪ TRONG HỆ LỚP TAM GRAPHENE
• 6.2.1. Mô hình biexciton trong hệ lớp tam graphene
• 6.2.2. Thế của hệ exciton từ trong hệ lớp tam graphene
• 6.2.3. Gần đúng thế Morse
• 6.2.4. Sự phụ thuộc của các mức năng lượng vào khoảng cách giữa các lớp graphene và từ trường
• DANH SÁCH CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về lý thuyết exciton

Lý thuyết excitons đã được phát triển từ những năm 1930, với khái niệm đầu tiên được đưa ra bởi Frenkel. Exciton là một trạng thái liên kết giữa một điện tử và một lỗ trống trong vật liệu bán dẫn. Khi ánh sáng chiếu vào, điện tử từ vùng hóa trị (VB) nhảy lên vùng dẫn (CB), tạo ra một lỗ trống. Tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trống dẫn đến sự hình thành của excitons. Có hai loại excitons: loại 1 và loại 2. Exciton loại 1 là trạng thái liên kết đơn giản giữa một điện tử và một lỗ trống, trong khi excitons loại 2 là sự kết hợp phức tạp hơn, có thể bao gồm nhiều điện tử và lỗ trống. Việc nghiên cứu excitons rất quan trọng trong việc hiểu các tính chất quang học của vật liệu, đặc biệt là trong các hệ thấp chiều như chấm lượng tử và lớp graphene.

1.1. Đặc điểm của exciton

Các excitons có thể tồn tại trong nhiều dạng khác nhau, tùy thuộc vào cấu trúc của vật liệu và điều kiện môi trường. Chúng có thể được phân loại theo không gian tọa độ và không gian pha. Exciton loại 1 thường có năng lượng liên kết cao hơn so với excitons loại 2, do sự tương tác mạnh mẽ hơn giữa điện tử và lỗ trống. Nghiên cứu về excitons không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng quang học mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ nano và máy tính lượng tử.

II. Biexciton và ứng dụng trong hệ hai chấm lượng tử

Biexciton là một trạng thái liên kết phức tạp hơn, bao gồm hai excitons tương tác với nhau. Trong hệ hai chấm lượng tử, biexciton có thể được hình thành khi hai excitons loại 1 tương tác. Sự hình thành của biexciton có thể dẫn đến các hiện tượng quang học đặc biệt, như phát quang và hấp thụ ánh sáng. Năng lượng liên kết của biexciton phụ thuộc vào khoảng cách giữa các chấm lượng tử và các yếu tố tương tác khác. Việc nghiên cứu biexciton trong hệ hai chấm lượng tử không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý cơ bản mà còn có thể ứng dụng trong phát triển các thiết bị quang điện tử nano.

2.1. Năng lượng liên kết của biexciton

Năng lượng liên kết của biexciton trong hệ hai chấm lượng tử có thể được tính toán thông qua các mô hình lý thuyết. Các nghiên cứu cho thấy rằng năng lượng liên kết của biexciton loại 2 có thể cao hơn so với biexciton loại 1, do sự tương tác phức tạp hơn giữa các excitons. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử, nơi mà việc kiểm soát năng lượng liên kết của biexciton có thể cải thiện hiệu suất hoạt động của thiết bị.

III. Lớp kép graphene và tính chất quang học

Lớp kép graphene là một trong những vật liệu tiềm năng trong nghiên cứu excitons và biexcitons. Cấu trúc của lớp kép graphene cho phép sự hình thành của excitons loại 2 và biexcitons, nhờ vào tính chất điện tử độc đáo của nó. Nghiên cứu cho thấy rằng excitons trong lớp kép graphene có thể có năng lượng liên kết cao, điều này có thể dẫn đến các ứng dụng trong công nghệ máy tính lượng tử và các thiết bị quang điện tử. Sự tương tác giữa các lớp graphene cũng ảnh hưởng đến các tính chất quang học của hệ thống, mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới.

3.1. Tính chất quang học của lớp kép graphene

Tính chất quang học của lớp kép graphene rất phong phú và đa dạng. Các nghiên cứu cho thấy rằng lớp kép graphene có thể tạo ra các excitons với năng lượng liên kết cao, nhờ vào cấu trúc mạng độc đáo của nó. Sự hình thành của biexcitons trong lớp kép graphene có thể dẫn đến các hiện tượng quang học mới, như phát quang và hấp thụ ánh sáng. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu cơ bản mà còn mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử nano, nơi mà việc kiểm soát các tính chất quang học là rất quan trọng.