MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay trong xu thế phát triển về khoa học, kỹ thuật và công nghệ thì khoa học na-nô là lĩnh vực đang được quan tâm nghiên cứu với đối tượng nghiên cứu là bán dẫn có cấu trúc na-nô-mét [2, 4, 8, 10]. Cấu trúc na-nô bán dẫn là cấu trúc bán dẫn mà kích cỡ mỗi chiều của nó vào cỡ na-nô-mét. Cấu trúc này có rất nhiều tính chất khác biệt so với bán dẫn thông thường.
Các tính chất của cấu trúc này có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hình dạng và kích thước cỡ na-nô-mét của chúng. Nhờ những tính chất ưu việt nên cấu trúc na-nô bán dẫn được ứng dụng để làm linh kiện cho các thiết bị quang điện tử, làm tăng tốc độ của các linh kiện và tạo ra các linh kiện bán dẫn có hiệu năng cao [48]. Ngoài ra cấu trúc na-nô bán dẫn còn có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, môi trường và nhiều lĩnh vực khác [54, 55]. Các cấu trúc na-nô bán dẫn kết hợp với những công nghệ hiện có trong nhiều lĩnh vực sẽ là động lực để công nghệ phát triển mạnh mẽ, góp phần thúc đẩy việc sản xuất, ứng dụng các thiết bị dân dụng và công nghệ hiện đại vào cuộc sống.
Trong số các cấu trúc na-nô bán dẫn thì các cấu trúc thấp chiều là một trong những đối tượng nghiên cứu mang tính thời sự, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm [1, 16, 18, 19, 21, 22]. Cấu trúc thấp chiều được hình thành khi ta giảm kích thước của 1 cấu trúc na-nô xuống xấp xỉ quãng đường chuyển động tự do trung bình của hạt vi mô hay cỡ bước sóng de Broglie của nó. Khi kích thước của vật rắn giảm xuống một cách đáng kể theo một chiều, hai chiều hoặc ba chiều thì các tính chất vật lý như tính chất cơ, nhiệt, điện, từ và quang có thể thay đổi một cách đột ngột [7]. Các cấu trúc thấp chiều bao gồm hệ hai chiều-giếng lượng tử, hệ một chiều-dây lượng tử và hệ không chiều-chấm lượng tử.
Việc nghiên cứu tính chất của các cấu trúc thấp chiều đã và đang được tiến hành từ hàng chục năm trước đây và đã thu được các kết quả vượt trội, ứng dụng vào mọi mặt của đời sống. Thực tế đó đã và đang mở ra những tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn trong khoa học, quân sự và đời sống [28, 40]. Một trong những cấu trúc thấp chiều đang nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu hiện nay đó là chấm lượng tử [22, 30, 77, 81]. Chấm lượng tử là cấu trúc giam giữ hạt vi mô trong cả ba chiều không gian.
Khi kích thước của chấm lượng tử thay đổi sẽ kéo theo cấu trúc vùng năng lượng thay đổi và khoảng cách giữa các mức năng lượng cũng thay đổi tương ứng. Do năng lượng vùng cấm quyết định bước sóng phát xạ photon vì vậy ta có thể kiểm soát bước sóng phát xạ qua kích thước của chấm lượng tử [26]. Chấm lượng tử được ứng dụng để chế tạo các linh kiện điện tử và quang điện tử. Ngoài ra chấm lượng tử còn được ứng dụng trong đánh dấu sinh học, chế tạo công tắc quang học và máy tính lượng tử [13].
Bài toán động lực học của hạt tải là một bài toán quan trọng liên quan đến tính chất của linh kiện [65, 67, 72, 73, 74]. Động lực học của hạt tải chỉ ra chuyển động của hạt tải và ảnh hưởng của các nhân tố bên ngoài như điện trường, độ pha tạp lên quá trình đó. Chuyển động 2 của hạt tải gắn liền với độ linh động của hạt tải và quyết định tốc độ hoạt động của các linh kiện. Việc chế tạo và nghiên cứu thực nghiệm các linh kiện bán dẫn cần các máy móc hiện đại và chi phí nghiên cứu rất tốn kém.
Vì vậy, việc nghiên cứu về mặt lý thuyết các tính chất của các linh kiện bán dẫn sẽ cung cấp các thông tin cần thiết, góp phần làm giảm đáng kể chi phí cũng như thời gian, công sức đầu tư vào việc chế tạo các linh kiện bán dẫn có hiệu năng cao. Bên cạnh đó, sự phát triển của khoa học và công nghệ dẫn đến yêu cầu tìm kiếm các vật liệu và các linh kiện mới có độ đáp ứng nhanh tức là có tốc độ hoạt động cao. Đây là một yêu cầu bức thiết do các linh kiện điện tử dựa trên vật liệu Silic đang ngày tiến đến giới hạn hoạt động tối đa nên cần tìm các loại vật liệu mới và linh kiện mới thay thế [48]. Nghiên cứu cho thấy rằng các linh kiện điện tử và quang điện tử chế tạo dựa trên các cấu trúc na-nô bán dẫn như GaAs, InAs và ZnO có nhiều tiềm năng và cần được nghiên cứu, khai thác.
Việc nghiên cứu này vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa ứng dụng, đáp ứng yêu cầu thực tế, có tính thời sự. Trong những năm gần đây với sự phát triển của các hệ thống máy tính có tốc độ cực nhanh, việc nghiên cứu tính chất của các linh kiện bán dẫn có kích thước na-nô bằng các phương pháp mô phỏng đã được thực hiện nhiều [2, 4, 8, 9, 10, 11, 14, 58]. Gần đây nhóm tác giả Leitenstorfer và cộng sự đã xuất bản các công trình liên quan đến việc đo quá trình động lực học hạt tải siêu nhanh trong các đi-ốt có cấu trúc p-i-n chế tạo bằng vật liệu GaAs và InP [48]. Có một vài nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết quá trình vận tải không cân bằng của các hạt tải [14, 65, 67] và một số tính chất quang của vật liệu [63, 64] bằng phương pháp Monte Carlo.
Việc nghiên cứu này chỉ tập trung vào một 3 số linh kiện dưới một số điều kiện bên ngoài cụ thể. Ngoài ra để đơn giản hóa bài toán người ta thường sử dụng các gần đúng, hệ quả là kết quả thu được thường có sai khác với thực nghiệm. Nếu muốn sử dụng những phương pháp có độ chính xác cao thì lại cần phải sử dụng các hệ thống máy tính lớn và mạnh. Đồng thời các chương trình tương ứng của nó lại thường rất tốn thời gian thực hiện.
Điều đó dẫn tới nhu cầu cần xây dựng các chương trình mô phỏng có khả năng tính toán chính xác nhưng cũng vừa có tốc độ thực hiện nhanh hơn. Bên cạnh việc nghiên cứu động lực học hạt tải, các dao động trong các cấu trúc na-nô bán dẫn là những nhân tố có thể làm ảnh hưởng đến chuyển động của hạt, có thể làm tăng hoặc giảm tốc độ chuyển động của hạt và thay đổi hướng hạt chuyển động [28]. Vì vậy để khảo sát đầy đủ chuyển động của hạt tải cần nghiên cứu về vai trò của các dao động do chúng là nhân tố quyết định các tính chất điện và quang của các linh kiện điện tử tương ứng [40]. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về các dao động tồn tại trong một số cấu trúc na-nô bán dẫn thông qua việc nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học và hiện tượng phách lượng tử, chẳng hạn như các công trình [15, 18, 19, 22, 27, 29, 30, 36, 37, 42, 61].
Hiệu ứng Stark quang học trong các cấu trúc thấp chiều đã được quan tâm nghiên cứu cả về thực nghiệm lẫn lý thuyết từ năm 1986 cho đến nay [29, 47, 58]. Trong các công trình nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng các phương pháp khác nhau như lý thuyết về độ cảm phi tuyến bậc ba hay hình thức luận hàm sóng tái chuẩn hóa để tính toán xác suất hấp thụ của exciton khi có sóng bơm cộng hưởng và đã nhận thấy rằng có sự thay đổi đáng kể trong phổ hấp thụ một photon của sóng dò [29, 47, 58]. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về hiệu ứng này vẫn 4 còn tồn tại nhiều vấn đề chưa được giải quyết. Đó là các tác giả chưa giải thích rõ cơ chế tách vạch quang phổ trong phổ hấp thụ của exciton, chưa khảo sát chi tiết ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước lên phổ hấp thụ của exciton [29, 47, 58, 19, 62].
Điều đó dẫn tới nhu cầu cần phải nghiên cứu, khảo sát chi tiết hiệu ứng Stark quang học cũng như hiện tượng phách lượng tử của exciton trong các cấu trúc thấp chiều. Tóm lại, nghiên cứu động lực học của hạt tải và các dao động trong một số cấu trúc na-nô bán dẫn đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên vẫn còn một lớp các bài toán liên quan đến các loại linh kiện và các dao động khác nhau cũng như tương tác giữa chúng chưa được khảo sát chi tiết. Vì vậy chúng tôi chọn hướng nghiên cứu cho luận án là: “Nghiên cứu động lực học của hạt tải và các dao động trong một số bán dẫn có cấu trúc nano”.
Với đề tài này chúng tôi hy vọng rằng sẽ đóng góp vào sự phát triển chung của lĩnh vực nghiên cứu này cùng với cộng đồng khoa học thế giới. Trong luận án này chúng tôi tập trung nghiên cứu vào hai vấn đề chính sau đây. Thứ nhất, chúng tôi nghiên cứu động lực học của hạt tải, đặc biệt động lực học siêu nhanh của hạt tải bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo tập hợp tự hợp trong các đi-ốt phát quang. Từ đó, chúng tôi tìm sự phụ thuộc vào thời gian của vận tốc và sự phân bố điện thế trong linh kiện ứng với các giá trị điện trường ngoài khác nhau.
Thứ hai, chúng tôi nghiên cứu các dao động của exciton trong các cấu trúc bán dẫn thấp chiều thông qua việc nghiên cứu hiệu ứng Stark quang học và hiện tượng phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử bán dẫn bằng phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu động lực học siêu nhanh của các hạt tải quang và khảo sát được một vài dao động trong một số bán dẫn có cấu trúc na-nô. Mục tiêu này được triển khai thành các mục tiêu cụ thể như sau: - Nghiên cứu được động lực học siêu nhanh của hạt tải quang trong một số bán dẫn có cấu trúc na-nô dưới tác dụng của điện trường ngoài trong khoảng thời gian cực ngắn bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo tập hợp tự hợp; Từ đó tìm sự phụ thuộc vào thời gian của vận tốc và sự phân bố điện thế trong linh kiện ứng với các giá trị điện trường ngoài khác nhau.