Luận án tiến sĩ: Tính chất truyền dẫn quang và nhiệt của bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp

• Tác giả: Trần Ngọc Bích
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Vĩnh Phúc
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
• Đề tài: Tính Chất Truyền Dẫn Quang-Từ Và Tính Chất Nhiệt Của Các Bán Dẫn Họ Dichalcogenides Kim Loại Chuyển Tiếp
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Huế

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp
• 1.2. Giới thiệu về các vật liệu bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp
• 1.3. Hàm sóng và phổ năng lượng của electron trong các bán dẫn TMDC đơn lớp
• 1.4. Biểu thức Hamiltonian tương tác electron-phonon trong các bán dẫn TMDC đơn lớp
• 1.5. Phonon trong các bán dẫn TMDC đơn lớp
• 1.6. Tổng quan về các tính chất truyền dẫn quang-từ
• 1.6.1. Hệ số hấp thụ quang-từ dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon
• 1.6.2. Độ rộng phổ hấp thụ. Phương pháp profile
• 1.6.3. Hệ số hấp thụ quang-từ và độ thay đổi chiết suất tuyến tính và phi tuyến
• 1.7. Tổng quan về các tính chất nhiệt
• 1.7.1. Tốc độ mất mát năng lượng của electron
• 1.7.2. Công suất nhiệt-từ gây bởi hiệu ứng phonon-kéo
• 1.8. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐƠN LỚP DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ELECTRON-PHONON
• 2.1. Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang-từ dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon quang
• 2.2. Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang-từ dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon âm
• 2.3. Kết quả tính số và thảo luận
• 2.3.1. Phương pháp tính số
• 2.3.2. Khảo sát hệ số hấp thụ quang-từ
• 2.3.3. Khảo sát độ rộng phổ hấp thụ
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ TUYẾN TÍNH VÀ PHI TUYẾN CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐƠN LỚP
• 3.1. Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang-từ tuyến tính và phi tuyến
• 3.2. Biểu thức giải tích của độ thay đổi chiết suất tuyến tính và phi tuyến
• 3.3. Kết quả tính số và thảo luận
• 3.3.1. Hấp thụ quang-từ nội vùng
• 3.3.2. Hấp thụ quang-từ liên vùng
• 3.4. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA CÁC BÁN DẪN HỌ DICHALCOGENIDES KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐƠN LỚP
• 4.1. Tốc độ mất mát năng lượng của electron dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon
• 4.1.1. Biểu thức giải tích của tốc độ mất mát năng lượng của electron
• 4.1.2. Kết quả tính số và thảo luận
• 4.2. Công suất nhiệt-từ gây ra bởi hiệu ứng phonon-kéo
• 4.2.1. Biểu thức giải tích của công suất nhiệt-từ
• 4.2.2. Kết quả tính số và thảo luận
• 4.3. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC P1

Tóm tắt

I. Tổng quan về bán dẫn dichalcogenides kim loại chuyển tiếp

Bán dẫn dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (TMDC) là nhóm vật liệu hai chiều (2D) có công thức hóa học MX2, với M là kim loại chuyển tiếp (Mo, W) và X là chalcogen (S, Se). Những vật liệu này nổi bật với cấu trúc vùng năng lượng có vùng cấm thẳng, phù hợp cho các ứng dụng quang điện tử. Tính chất vật lý của TMDC bao gồm tương tác spin-quỹ đạo mạnh và sự phụ thuộc của cấu trúc vùng năng lượng vào số lớp. Các ứng dụng của TMDC bao gồm bộ tách sóng quang, pin mặt trời và diodes phát quang. Nghiên cứu này tập trung vào tính chất truyền dẫn quang và tính chất nhiệt của các vật liệu này.

1.1. Cấu trúc và tính chất điện tử

Cấu trúc vùng năng lượng của TMDC đơn lớp có một cặp thung lũng không đối xứng tại các điểm K và K', với vùng cấm thẳng nằm trong khoảng từ hồng ngoại gần đến khả kiến. Độ rộng vùng cấm của MoS2, WS2, MoSe2 và WSe2 lần lượt là 1.8 eV, 2.1 eV, 1.5 eV và 1.6 eV. Tương tác spin-quỹ đạo mạnh trong TMDC thể hiện qua độ dịch chuyển năng lượng ở vùng hóa trị và vùng dẫn. Đặc điểm này làm cho TMDC trở thành vật liệu tiềm năng cho các thiết bị quang điện tử và spintronics.

1.2. Ứng dụng trong quang điện tử

TMDC được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện tử như bộ tách sóng quang, pin mặt trời và diodes phát quang. MoS2 đơn lớp đặc biệt nổi bật với độ linh động của hạt tải ổn định ở nhiệt độ cao, phù hợp với công nghệ bán dẫn tiêu chuẩn. Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra khả năng phát quang của MoS2 trong vùng bước sóng khả kiến, mở ra tiềm năng cho các ứng dụng nano-photonic.

II. Tính chất truyền dẫn quang của TMDC

Tính chất truyền dẫn quang của TMDC được nghiên cứu thông qua hệ số hấp thụ quang-từ (MOAC) và độ rộng phổ hấp thụ. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm tương tác electron-phonon, từ trường và nhiệt độ. Truyền dẫn quang học trong TMDC đơn lớp thể hiện sự phụ thuộc mạnh vào cấu trúc vùng năng lượng và các trường Zeeman. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng quang học trong vật liệu 2D.

2.1. Hệ số hấp thụ quang từ

Hệ số hấp thụ quang-từ (MOAC) được tính toán dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon âm và quang. Kết quả cho thấy MOAC phụ thuộc vào năng lượng photon và từ trường. Tương tác electron-phonon đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ rộng phổ hấp thụ. Các nghiên cứu số học chỉ ra rằng MOAC đạt giá trị cực đại tại các mức năng lượng cụ thể, phù hợp với các dịch chuyển nội vùng và liên vùng.

2.2. Độ rộng phổ hấp thụ

Độ rộng phổ hấp thụ được khảo sát thông qua phương pháp profile. Kết quả cho thấy độ rộng phổ phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường. Tán xạ phonon là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ rộng phổ, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về sự phân bố năng lượng trong các quá trình hấp thụ quang-từ.

III. Tính chất nhiệt của TMDC

Tính chất nhiệt của TMDC được nghiên cứu thông qua tốc độ mất mát năng lượng của electron và công suất nhiệt-từ. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm tương tác electron-phonon, từ trường và nhiệt độ. Truyền dẫn nhiệt học trong TMDC đơn lớp thể hiện sự phụ thuộc mạnh vào cấu trúc vùng năng lượng và các trường Zeeman. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng nhiệt học trong vật liệu 2D.

3.1. Tốc độ mất mát năng lượng của electron

Tốc độ mất mát năng lượng của electron (ELR) được tính toán dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon âm và quang. Kết quả cho thấy ELR phụ thuộc vào từ trường và nhiệt độ. Tương tác electron-phonon đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ mất mát năng lượng. Các nghiên cứu số học chỉ ra rằng ELR đạt giá trị cực đại tại các mức năng lượng cụ thể, phù hợp với các dịch chuyển nội vùng và liên vùng.

3.2. Công suất nhiệt từ

Công suất nhiệt-từ được khảo sát thông qua hiệu ứng phonon-kéo. Kết quả cho thấy công suất nhiệt-từ phụ thuộc vào từ trường và nhiệt độ. Tán xạ phonon là yếu tố chính ảnh hưởng đến công suất nhiệt-từ, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về sự phân bố năng lượng trong các quá trình nhiệt-từ.