I. Tổng quan Hiệu ứng Ettingshausen Peltier Bán dẫn 1D
Sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ nano đã thúc đẩy nghiên cứu về các cấu trúc bán dẫn thấp chiều. Trong các cấu trúc này, chuyển động của các hạt tải điện bị giới hạn, tạo ra hiệu ứng kích thước. Các cấu trúc bán dẫn nano, còn được gọi là bán dẫn thấp chiều, có thể được điều chỉnh tính chất bằng cách thay đổi các thông số cấu trúc và thành phần. Việc nghiên cứu các loại vật liệu mới này đã cho ra đời nhiều công nghệ hiện đại có tính chất cách mạng trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật như các điốt huỳnh quang điện, pin mặt trời, các loại vi mạch,... Đặc biệt, trong các hệ bán dẫn thấp chiều, hai hiệu ứng điển hình là hiệu ứng Ettingshausen (EE) và hiệu ứng Peltier (PE), được xác định bằng hệ số Ettingshausen (EC) và hệ số Peltier (PC), thu hút sự chú ý lớn. Các bài toán lý thuyết thường được đặt ra đối với các hệ bán dẫn thấp chiều là xét cấu trúc điện tử (các vùng năng lượng: vùng dẫn, vùng hoá trị, các tiểu vùng do tương tác các hạt, chuẩn hạt khác, hoặc do từ trường), các tính chất quang, tính chất từ, sự tương tác của hạt tải (điện tử, lỗ trống, exiton, plasmon, …); các hiệu ứng động (hiệu ứng Hall, hiệu ứng âm - điện từ, hiệu ứng radio - điện, …).
1.1. Bán dẫn thấp chiều Giới thiệu về cấu trúc và tính chất
Bán dẫn thấp chiều là vật liệu mà trong đó, các hạt tải điện bị giam cầm trong một hoặc nhiều chiều không gian. Điều này dẫn đến sự lượng tử hóa năng lượng của các hạt tải, làm thay đổi đáng kể các tính chất điện, quang và nhiệt của vật liệu so với bán dẫn khối. Các cấu trúc bán dẫn thấp chiều bao gồm giếng lượng tử, dây lượng tử và chấm lượng tử. Việc kiểm soát kích thước và hình dạng của các cấu trúc này cho phép điều chỉnh các tính chất của vật liệu một cách chính xác, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong điện tử và quang điện tử.
1.2. Hiệu ứng Ettingshausen và Peltier Cơ sở vật lý và ứng dụng
Hiệu ứng Ettingshausen là hiện tượng tạo ra gradient nhiệt độ trong một vật liệu dẫn điện khi có dòng điện chạy qua và đặt trong từ trường. Ngược lại, hiệu ứng Peltier là hiện tượng tạo ra sự hấp thụ hoặc tỏa nhiệt tại mối nối giữa hai vật liệu dẫn điện khác nhau khi có dòng điện chạy qua. Cả hai hiệu ứng này đều có liên quan đến sự tương tác giữa điện tử và phonon trong vật liệu. Ứng dụng của các hiệu ứng này bao gồm các thiết bị làm lạnh nhiệt điện, cảm biến nhiệt và các thiết bị thu năng lượng.
II. Thách thức Nghiên cứu Hiệu ứng Nhiệt Điện trong Nano Bán dẫn
Nghiên cứu hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong các hệ bán dẫn một chiều đặt ra nhiều thách thức. Theo quan điểm cổ điển, phương pháp phương trình động cổ điển Boltzmann thường được dùng để giải quyết bài toán liên quan đến hai hiệu ứng này. Tuy nhiên, kết quả thu được bị giới hạn trong vùng nhiệt độ cao. Chính vì vậy, phương pháp phương trình động lượng tử đã được sử dụng như một giải pháp hiệu quả để vượt qua giới hạn cổ điển này và cho kết quả đúng trên toàn dải nhiệt độ. Trong hệ hai chiều (2D) hai hiệu ứng này đã được nghiên cứu rộng rãi và có đề cập đến sự giam cầm của phonon với hai cơ chế tán xạ điện tử giam cầm - phonon quang giam cầm (COP), tán xạ điện tử giam cầm - phonon âm giam cầm (CAP). Trong hệ 1D, lí thuyết về hai hiệu ứng này đã bước đầu được nghiên cứu nhưng các tác giả mới chỉ quan tâm đến sự giam cầm của điện tử và việc quan tâm đến sự giam cầm của phonon còn chưa được đề cập đến.
2.1. Giới hạn của Phương pháp Cổ điển Nhiệt độ và Độ chính xác
Phương pháp cổ điển, dựa trên phương trình Boltzmann, thường gặp hạn chế khi áp dụng cho các hệ bán dẫn nano ở nhiệt độ thấp. Các hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng hơn ở kích thước nano, và phương pháp cổ điển không thể mô tả chính xác các hiệu ứng này. Do đó, cần phải sử dụng các phương pháp lượng tử để nghiên cứu hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong các hệ này.
2.2. Thiếu hụt Nghiên cứu về Phonon giam cầm trong Bán dẫn 1D
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong các hệ bán dẫn hai chiều, nhưng nghiên cứu về các hiệu ứng này trong bán dẫn một chiều vẫn còn hạn chế, đặc biệt là về vai trò của phonon giam cầm. Sự giam cầm của phonon có thể ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất nhiệt điện của vật liệu, và cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng để hiểu rõ hơn về các hiệu ứng này.
III. Phương pháp Nghiên cứu Lượng tử hóa Kích thước trong 1D
Để nghiên cứu ảnh hưởng của lượng tử hóa kích thước lên hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong hệ bán dẫn một chiều, luận án này sử dụng phương pháp phương trình động lượng tử [20, 21, 23] (sử dụng phương trình chuyển động Heisenberg và Hamiltonian cho hệ điện tử - phonon trong hình thức luận lượng tử hóa lần thứ hai). Kết hợp với phương pháp tính số bằng phần mềm tính số Matlab. Đây là phương pháp ưu việt, phạm vi ứng dụng rộng, cho kết quả tổng quát hơn, có ý nghĩa khoa học nhất định trong dây lượng tử được đánh giá và thảo luận cả về định tính lẫn định lượng.
3.1. Xây dựng Phương trình Động lượng tử cho Bán dẫn Nano
Phương trình động lượng tử là một công cụ mạnh mẽ để mô tả động học của các hạt trong môi trường tương tác. Việc xây dựng phương trình này cho bán dẫn một chiều, có kể đến sự giam cầm của điện tử và phonon, là bước quan trọng để nghiên cứu hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier. Phương trình này sẽ cho phép tính toán hàm phân bố của điện tử và phonon, từ đó xác định các hệ số nhiệt điện.
3.2. Tính toán Mật độ dòng và Ten xơ Độ dẫn trong Dây Lượng tử
Từ hàm phân bố không cân bằng của điện tử, có thể tính toán mật độ dòng điện và ten-xơ độ dẫn trong dây lượng tử. Các đại lượng này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số Ettingshausen và hệ số Peltier. Việc tính toán chính xác các đại lượng này đòi hỏi phải xem xét đến các hiệu ứng lượng tử và sự tương tác giữa điện tử và phonon.
3.3. Thực hiện tính số và so sánh kết quả
Luận án tập trung xét: Các quá trình tán xạ hoặc hấp thụ không quá một photon. Tương tác điện tử giam cầm - phonon giam cầm là trội. Hai cơ chế tán xạ là: tán xạ điện tử giam cầm - phonon âm giam cầm (CAP) và tán xạ điện tử giam cầm - phonon quang giam cầm (COP). Kết quả tính số cho các mẫu bán dẫn thấp chiều cụ thể và so sánh kết quả cho trường hợp phonon không giam cầm và hệ hai chiều có xét đến sự giam cầm của phonon.
IV. Ảnh hưởng Lượng tử hóa Đến Hiệu ứng Ettingshausen và Peltier
Luận án nghiên cứu ảnh hưởng sự giam cầm của phonon lên hai hiệu ứng từ - nhiệt - điện điển hình là hiệu ứng EE và PE trong hệ bán dẫn một chiều trong các loại dây lượng tử (dây lượng tử hình chữ nhật hố thế cao vô hạn, dây lượng tử hình trụ hố thế cao vô hạn). Kết quả nghiên cứu bao gồm: biểu thức giải tích của các ten-xơ độ dẫn, EC và PC trong hệ bán dẫn một chiều dưới ảnh hưởng của phonon giam cầm.
4.1. Dây Lượng tử hình Trụ Ảnh hưởng của Kích thước và Trường ngoài
Nghiên cứu sự phụ thuộc của hệ số Ettingshausen và hệ số Peltier vào các thông số của hệ, bao gồm kích thước của dây lượng tử hình trụ, nhiệt độ, từ trường và tần số sóng điện từ. So sánh kết quả cho trường hợp phonon giam cầm và phonon không giam cầm để làm rõ vai trò của sự giam cầm phonon.
4.2. Dây Lượng tử Hình Chữ Nhật Từ trường và Hướng Chuyển động
Phân tích ảnh hưởng của từ trường (hướng song song và vuông góc với phương chuyển động tự do của điện tử) đến hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong dây lượng tử hình chữ nhật. Nghiên cứu sự phụ thuộc của các hệ số nhiệt điện vào kích thước của dây và các thông số vật liệu.
V. Ứng dụng Thực tiễn Tiềm năng Vật liệu Nhiệt Điện Nano
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước lên EE và PE trong các hệ bán dẫn một chiều làm hoàn chỉnh hơn các kết quả nghiên cứu lý thuyết về tính chất của bán dẫn thấp chiều. Cho phép thu nhận được nhiều thông tin về các tính chất mới của vật liệu, đặc biệt là về các thông số đặc trưng cho cấu trúc vật liệu một chiều. Về ý nghĩa thực tiễn: sự phụ thuộc của EC và PC vào các tham số đặc trưng cho cấu trúc dây lượng tử có thể được sử dụng làm thước đo, làm tiêu chuẩn hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu cấu trúc nano ứng dụng trong các thiết bị điện tử siêu...
5.1. Thiết kế Vật liệu Nhiệt Điện Hiệu suất cao Hướng dẫn
Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế các vật liệu nhiệt điện có hiệu suất cao, dựa trên hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier. Việc tối ưu hóa kích thước và hình dạng của dây lượng tử, cũng như lựa chọn vật liệu phù hợp, có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của các thiết bị nhiệt điện.
5.2. Cảm biến Nhiệt Nano và Các Thiết bị Thu Năng lượng Mới
Các hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier có thể được ứng dụng trong các cảm biến nhiệt kích thước nano và các thiết bị thu năng lượng mới. Các thiết bị này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến nhiệt độ chính xác cao, thu năng lượng từ môi trường và các thiết bị điện tử di động.
VI. Kết luận Hướng nghiên cứu Vật liệu Nhiệt điện Một chiều
Luận án này đã nghiên cứu một cách chi tiết ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước lên hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong hệ bán dẫn một chiều. Các kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ vai trò của phonon giam cầm và các yếu tố khác ảnh hưởng đến các hiệu ứng này. Hy vọng rằng, những phát hiện này sẽ góp phần vào việc phát triển các vật liệu nhiệt điện hiệu suất cao và các ứng dụng mới trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử.
6.1. Tổng kết Kết quả và Đóng góp của Nghiên cứu
Luận án đã thành công trong việc xây dựng mô hình lý thuyết và thực hiện tính toán số để nghiên cứu hiệu ứng Ettingshausen và hiệu ứng Peltier trong dây lượng tử. Các kết quả nghiên cứu đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về các hiệu ứng này và mở ra những hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu nhiệt điện.
6.2. Triển vọng Nghiên cứu và Phát triển Vật liệu trong tương lai
Trong tương lai, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc nghiên cứu các vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị nhiệt điện, cũng như phát triển các phương pháp chế tạo dây lượng tử với kích thước và hình dạng được kiểm soát chính xác. Ngoài ra, cần phải nghiên cứu sâu hơn về vai trò của các tương tác đa hạt và các hiệu ứng phi tuyến trong các hệ bán dẫn nano.
