MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Những tiến bộ của vật lý chất rắn trong hai thập kỷ cuối thế kỷ XX được đặc trưng bởi sự chuyển hướng đối tượng nghiên cứu từ tinh thể khối sang các màng mỏng và các cấu trúc nhiều lớp [15]. Trong các đối tượng nói trên, hầu hết các tính chất của electron đều bị thay đổi một cách đáng kể, đặc biệt một số tính chất mới khác biệt so với vật liệu khối (gọi là hiệu ứng giảm kích thước) xuất hiện [19, 37, 43]. Trong các hệ có cấu trúc nanô và thấp chiều, các quy luật lượng tử bắt đầu có hiệu lực, trước hết thông qua việc biến đổi đặc trưng phổ năng lượng.
Phổ năng lượng của electron trở thành gián đoạn dọc theo hướng tọa độ bị giới hạn, do đó đặc trưng của hạt dẫn trong các cấu trúc này tương tự như khí electron thấp chiều. Với sự phát triển cao của kỹ thuật trong nuôi cấy tinh thể như epitaxy chùm phân tử (MBE) [21] và kết tủa hơi kim loại hữu cơ (MOCV), người ta tạo ra rất nhiều hệ các cấu trúc nanô. Ngày nay đã có thể tạo ra những cấu trúc nanô phẳng hai chiều như siêu mạng (superlattic) và giếng lượng tử (quantum well), cấu trúc một chiều như dây lượng tử (quantum wire) và cấu trúc không chiều như chấm lượng tử (quantum dots). Việc nghiên cứu các cấu trúc với khí electron thấp chiều ngày càng trở thành một mũi nhọn trong vật lý, có liên hệ chặt chẽ với sự phát triển mạnh mẽ và sâu rộng của các lĩnh vực công nghệ khác.
Các công nghệ này cho phép tạo ra các cấu trúc với thành phần tùy ý và với độ chính xác cao cho từng lớp đơn phân tử riêng lẻ. Các cấu trúc đó ngày càng được ứng dụng phổ biến trong các loại linh kiện bán dẫn, đặc biệt để đáp ứng các nhu cầu trong lĩnh vực quang điện tử [70, 89]. Trong luận án này, tác giả 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tập trung nghiên cứu về bán dẫn siêu mạng với hai loại điển hình là bán dẫn siêu mạng pha tạp và bán dẫn siêu mạng thành phần. Trong bán dẫn siêu mạng, khí electron là chuẩn hai chiều như trong hố lượng tử, nhưng có nhiều điểm khác biệt do tồn tại thế phụ tuần hoàn của siêu mạng.
Ngoài ra, bán dẫn siêu mạng có nhiều điểm ưu việt là do có thể dễ dàng điều chỉnh các tham số, vì vậy có thể tạo ra các bán dẫn siêu mạng có đặc trưng cấu trúc và các hiệu ứng đáp ứng nhiều mục đích ứng dụng khác nhau. Với sự ra đời của các nguồn bức xạ cao tần, trong đó có laser CO2 đã mở ra hướng nghiên cứu cả lý thuyết lẫn thực nghiệm các hiệu ứng cao tần gây bởi tương tác của các trường sóng điện từ cao tần này lên vật liệu nói chung và bán dẫn siêu mạng nói riêng. Khi sóng điện từ cao tần (Ωτ À 1, Ω là tần số sóng điện từ, τ là thời gian hồi phục xung lượng của electron) tương tác với vật liệu thì định luật bảo toàn năng xung lượng sẽ bị thay đổi do có sự tham gia của photon (năng lượng photon) vào quá trình hấp thụ, phát xạ phonon (trong đối số của hàm delta-dirac mô tả các định luật bảo toàn thì khi Ωτ À 1, ngoài năng lượng của electron, của phonon còn chứa cả đại lượng liên quan đến năng lượng của photon ±lΩ, với l là số nguyên). Kết quả là xuất hiện hàng loạt các hiệu ứng mới - hiệu ứng cao tần, trong đó electron có thể tương tác với phonon và làm xuất hiện các hiệu ứng có bản chất mới khác hoàn toàn so với trường hợp không có sóng điện từ cao tần (không có sự tham gia của đại lượng ±lΩ vào đối số của hàm delta-dirac).
Công nghệ laser cho phép chúng ta nghiên cứu một số hiệu ứng mới trong các hệ cấu trúc thấp chiều, trong đó tương tác của chùm laser với các electron là phi tuyến, chẳng hạn trong hiệu ứng tạo ra phonon, hiệu ứng cộng hưởng tham số, các kích thích của các dao động cao tần,. 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các hiệu ứng này đã trở thành các nguyên lý cơ bản của nhiều ứng dụng của vật lý và kỹ thuật hiện đại, đặc biệt là ứng dụng chế tạo các vật liệu mới dùng trong kỹ thuật. Vấn đề đầu tiên được quan tâm nghiên cứu là các hàm dạng phổ. Nghiên cứu hiệu ứng này cho phép chúng ta thu được các thông tin hữu ích về cấu trúc và tương tác electron-phonon trong vật liệu.
Các hàm độ rộng vạch phổ và dịch chuyển vạch phổ trong các bán dẫn siêu mạng có thể được tính toán và so sánh với thực nghiệm. Hiệu ứng kích thích và tạo ra phonon trong bán dẫn dưới ảnh hưởng của trường bức xạ laser là chủ đề thứ hai được quan tâm nghiên cứu. Trong các bán dẫn khối, hiệu ứng này đã được nghiên cứu [7, 8, 18, 29, 36], cả trường hợp khí electron không suy biến và suy biến, cả các quá trình hấp thụ một photon và hấp thụ nhiều photon. Ảnh hưởng của từ trường lên quá trình tạo phonon cũng đã được đề cập.
Peiji Zhao [66] đã sử dụng qui tắc vàng của Fermi để nghiên cứu sự gia tăng phonon trong các hố lượng tử của các vật liệu có cực GaAs. Tất cả những công trình trên đều chỉ ra rằng trong những điều kiện thích hợp, các phonon trong một số vùng của vectơ sóng ~q được kích thích và có thể được tạo ra. Điều này có nghĩa là mật độ phonon trong vật liệu tăng theo thời gian. Như vậy tương tác electron-phonon dẫn đến sự tái chuẩn hóa phổ phonon và tạo ra cơ chế bẩy bắt phonon thông qua thay đổi phổ và trạng thái của electron.
Các công trình nghiên cứu vấn đề này trong bán dẫn khối [26, 44, 63], dị cấu trúc bán dẫn [39], hố lượng tử [75, 76] đã rút ra kết luận rằng do tương tác giữa trường laser với bán dẫn, thông qua tương tác electron-phonon đã gây ra hiệu ứng tạo ra phonon. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chúng ta đều biết, khi có mặt của trường sóng điện từ ngoài, khí electron trong bán dẫn nói chung và trong các hệ thấp chiều nói riêng sẽ trở nên không dừng [60, 62]. Khi điều kiện cộng hưởng tham số được thỏa mãn sẽ xuất hiện các khả năng tương tác và biến đổi tham số của một loại kích thích cùng loại (phonon-phonon, plasmon-plasmon,. ) hoặc của các loại kích thích khác loại (phonon-plasmon,.
), nghĩa là có sự biến đổi năng lượng giữa các loại kích thích [2, 27, 34, 41, 88]. Tương tác và biến đổi tham số dẫn đến sự tắt dần của loại kích thích này và tăng lên của loại kích thích khác. Trong luận án chúng tôi nghiên cứu cộng hưởng tham số của phonon âm và phonon quang trong các bán dẫn siêu mạng. Đây là chủ đề nghiên cứu thứ ba của luận án.
Trong các bán dẫn siêu mạng, các vấn đề này chỉ mới được nghiên cứu một phần, chưa đầy đủ và hệ thống. Đối với chủ đề thứ nhất, nghiên cứu bằng kỹ thuật chiếu toán tử nhóm của J. Tuy nhiên độ dẫn chỉ dừng lại ở tính số hạng tuyến tính. Ashikawa [86] dựa trên kỹ thuật toán tử K của Fujita và Lodder [58] đã tìm được biểu thức của độ dẫn tuyến tính và phi tuyến bậc một nhưng không thể hiện được quá trình chuyển mức năng lượng của electron.
Một số công trình của nhóm H. Lee [53, 57] đã đưa ra được hình thức luận của độ dẫn tuyến tính và phi tuyến bậc một, nhưng chỉ dừng lại ở mức tính toán lý thuyết hoặc nêu lên tính toán số cho hệ electron trong hố lượng tử trong trường 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hợp tuyến tính. Trong luận án này, tác giả dựa vào lý thuyết chuyển tải lượng tử, thông qua tenxơ độ dẫn tuyến tính và phi tuyến nghiên cứu độ rộng vạch phổ của độ dẫn tuyến tính và phi tuyến là một nội dung hoàn toàn mới mẻ, chưa được tác giả nào đề cập tới. Các kết quả tính toán về độ rộng vạch phổ trong bán dẫn khối cho thấy: độ rộng vạch phổ tăng khi nhiệt độ tăng.
Chủ đề này muốn tính toán và khảo sát độ rộng vạch phổ phụ thuộc vào nhiệt độ, tần số phôtôn hấp thụ và các tham số của bán dẫn siêu mạng. Về chủ đề thứ hai, nghiên cứu sự gia tăng phonon trong bán dẫn siêu mạng, các công trình nghiên cứu của các tác giả khác trước đây chủ yếu chỉ nghiên cứu sự phụ thuộc của phổ vào và nhiệt độ hoặc tần số trường laser [29, 31, 45, 46, 66, 70, 80]. Trong luận án này tác giả đặc biệt chú trọng nghiên cứu sự phụ thuộc của phổ phonon vào các tham số của bán dẫn siêu mạng để từ đó so sánh các hiệu ứng này trong hai loại bán dẫn siêu mạng điển hình là bán dẫn siêu mạng pha tạp và bán dẫn siêu mạng thành phần. Về chủ đề thứ ba, nghiên cứu cộng hưởng tham số giữa phonon âm và phonon quang, áp dụng phương trình tán sắc tổng quát cho bán dẫn siêu mạng để từ phương trình này có thể nghiên cứu ảnh hưởng của tham số siêu mạng cũng như trường cao tần đặt vào siêu mạng lên phổ phonon.
Nhờ đó tìm được trường ngưỡng và điều kiện gia tăng phonon trong các loại bán dẫn siêu mạng. Với những lý do vừa trình bày, tác giả lựa chọn đề tài "Một số hiệu ứng cao tần trong bán dẫn siêu mạng" nhằm giải quyết các vấn đề còn bỏ ngỏ nói trên trong bán dẫn siêu mạng pha tạp và bán dẫn siêu mạng thành phần. 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mục tiêu, nội dung và phạm vi nghiên cứu của luận án Mục tiêu cơ bản của luận án là nghiên cứu một số hiệu ứng cao tần do tương tác electron-phonon trong bán dẫn siêu mạng khi có mặt trường laser.
Tìm ra các điều kiện xẩy ra hiệu ứng, các đặc trưng của hiệu ứng, sự phụ thuộc của các đại lượng đặc trưng cho hiệu ứng vào các tham số đặc trưng của bán dẫn siêu mạng, trường ngoài và điều kiện vật lý.