TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TỪ VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN KIM LOẠI TOPO

Tóm tắt nghiên cứu tính chất truyền dẫn từ và hấp thụ quang từ của vật liệu bán kim loại topo. Phân tích ứng dụng trong điện tử học spin và công nghệ tương lai.

• Tác giả: Lê Thị Hóa
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Vĩnh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế
• Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
• Đề tài: Tính chất truyền dẫn từ và tính chất hấp thụ quang-từ của một số vật liệu bán kim loại topo
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Huế

Mục lục chi tiết

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về bán kim loại Weyl và bán kim loại Dirac
• 1.2. Hàm sóng và phổ năng lượng của electron trong các bán kim loại topo
• 1.3. Tổng quan về các tính chất truyền dẫn từ
• 1.4. Độ dẫn dọc và độ dẫn Hall
• 1.5. Tổng quan về các tính chất hấp thụ quang-từ
• 1.6. Hệ số hấp thụ quang-từ và độ thay đổi chiết suất khi không xét ảnh hưởng của tương tác electron-phonon
• 1.7. Hệ số hấp thụ quang-từ dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon
• 1.8. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TỪ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN KIM LOẠI TOPO
• 2.1. Độ cảm dọc và độ cảm Hall trong bán kim loại Weyl
• 2.2. Biểu thức giải tích của độ cảm dọc và độ cảm Hall
• 2.3. Kết quả tính số và thảo luận
• 2.3.1. Hệ không pha tạp
• 2.3.2. Hệ pha tạp
• 2.4. Độ dẫn Hall và độ dẫn dọc trong bán kim loại Dirac
• 2.5. Biểu thức giải tích của độ dẫn Hall và độ dẫn dọc
• 2.6. Kết quả tính số và thảo luận
• 2.7. Kết luận chương 2

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Bán Kim Loại Topo Nghiên Cứu Ứng Dụng

Vật liệu bán kim loại topo (BKL Topo) đang thu hút sự quan tâm lớn trong giới khoa học vật liệu. Đây là một lớp vật liệu đặc biệt với các tính chất điện tử độc đáo được bảo vệ bởi các tính chất topo của cấu trúc vùng năng lượng. Khác với các vật liệu thông thường, tính chất của BKL Topo không bị ảnh hưởng nhiều bởi các tạp chất hoặc khuyết tật. Nghiên cứu về tính chất truyền dẫn từ và hấp thụ quang-từ của BKL Topo mở ra những tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như điện tử học spin, quang điện tử và cảm biến. Cụ thể, các hiện tượng như hiệu ứng Kerr từ, hiệu ứng Faraday và sự tồn tại của các điểm Weyl và Dirac đang được khai thác để phát triển các thiết bị tiên tiến. Tài liệu gốc nhấn mạnh sự kỳ lạ của BKL Topo, đặc biệt là sự xuất hiện của các điểm Weyl độc đáo trong cấu trúc vùng điện tử, mỗi điểm Weyl hoạt động như một nguồn và phần chìm của độ cong Berry cùng với tính chiral dị thường, góp phần tăng cường hiệu ứng từ-quang Kerr.

1.1. Giới Thiệu Chung về Bán Kim Loại Weyl và Dirac

Bán kim loại topo gồm ba loại chính: bán kim loại Weyl (WSM), bán kim loại Dirac (DSM), và bán kim loại nút dòng. Trong đó, WSM có các điểm Weyl độc đáo, luôn xuất hiện theo cặp có tính chiral đối ngược nhau. DSM lại có các giao điểm vùng gọi là các điểm Dirac, được xem là sự chồng chất của hai điểm Weyl có tính chiral đối ngược, dẫn đến tổng chiral bằng không. Sự khác biệt này tạo nên những đặc tính khác nhau trong tính chất điện tử và tính chất quang học của chúng. Các vật liệu WSM điển hình bao gồm TaAs, NbP, Ag2S, MoTe2, WTe2 và WP2, trong khi DSM có Na3Bi, Cd3As2, ZrTe5.

1.2. Hàm Sóng và Phổ Năng Lượng của Electron

Nghiên cứu cấu trúc vùng năng lượng là yếu tố then chốt để hiểu rõ tính chất của BKL Topo. Trong WSM, phổ năng lượng được mô tả bởi phương trình Dirac, cho phép tồn tại các fermion không khối lượng với tính chiral. Điều này dẫn đến những hiện tượng lượng tử độc đáo như hiệu ứng Hall dị thường. Đối với DSM, phổ năng lượng có dạng parabol gần điểm Dirac, tương tự như graphene, nhưng với các tính chất topo được bảo vệ.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Tính Chất Truyền Dẫn Từ Hấp Thụ Quang

Nghiên cứu về tính chất truyền dẫn từ và hấp thụ quang-từ của BKL Topo đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những khó khăn lớn nhất là việc chế tạo các mẫu vật liệu chất lượng cao, có độ tinh khiết cao và ít khuyết tật. Ngoài ra, việc đo đạc và phân tích các tính chất này đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến và độ chính xác cao. Bên cạnh đó, các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và tương tác spin-orbit có thể ảnh hưởng đáng kể đến kết quả nghiên cứu. Thêm vào đó, việc mô phỏng và dự đoán các tính chất của BKL Topo bằng các phương pháp lý thuyết như lý thuyết hàm mật độ DFT cũng đòi hỏi những tính toán phức tạp và tài nguyên máy tính lớn.

2.1. Ảnh Hưởng của Nhiệt Độ và Từ Trường

Ảnh hưởng nhiệt độ và từ trường lên tính chất truyền dẫn và hấp thụ quang-từ là một thách thức lớn. Nghiên cứu phải xem xét đến sự thay đổi cấu trúc vùng năng lượng và các quá trình tán xạ electron-phonon khi nhiệt độ thay đổi. Từ trường có thể gây ra sự lượng tử hóa các mức năng lượng, dẫn đến những hiệu ứng phức tạp như hiệu ứng Hall lượng tử.

2.2. Tương Tác Electron Phonon và Tạp Chất

Các tạp chất và khuyết tật trong vật liệu có thể gây ra sự tán xạ electron, làm giảm độ dẫn điện và ảnh hưởng đến tính chất quang học. Tương tác electron-phonon cũng đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt ở nhiệt độ cao, khi các phonon được kích thích và tương tác với các electron, làm thay đổi phổ hấp thụ và phổ phản xạ.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tiếp Cận Tính Chất Vật Liệu Topo

Để nghiên cứu tính chất truyền dẫn từ và hấp thụ quang-từ của BKL Topo, các nhà khoa học sử dụng một loạt các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết. Các phương pháp thực nghiệm bao gồm đo đạc độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, hiệu ứng Hall, hiệu ứng Seebeck, và hiệu ứng Nernst. Kỹ thuật quang phổ như phổ học quang-từ, phổ hấp thụ và phổ phản xạ cũng được sử dụng để nghiên cứu tính chất quang học của vật liệu. Về mặt lý thuyết, các phương pháp như lý thuyết hàm mật độ DFT, phương pháp Kubo và phương pháp phương trình chuyển động được sử dụng để mô phỏng và dự đoán các tính chất của BKL Topo.

3.1. Phương Pháp Kubo và Phương Trình Chuyển Động

Phương pháp Kubo được sử dụng để tính toán các tính chất vận chuyển như độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt. Phương pháp phương trình chuyển động, đặc biệt là trong trường hợp có từ trường, cho phép nghiên cứu sự lượng tử hóa các mức năng lượng và các hiện tượng liên quan đến hiệu ứng Hall.

3.2. Phương Pháp Ma Trận Mật Độ Tối Thiểu và Mô Phỏng DFT

Phương pháp ma trận mật độ tối thiểu được sử dụng để nghiên cứu tính chất hấp thụ quang-từ của BKL Topo, cho phép tính toán hệ số hấp thụ quang-từ và độ thay đổi chiết suất. Lý thuyết hàm mật độ DFT là một công cụ mạnh mẽ để tính toán cấu trúc điện tử của vật liệu và dự đoán các tính chất của chúng.

IV. Ứng Dụng Tiềm Năng Vật Liệu Topo Từ Cảm Biến Đến Điện Tử

Những nghiên cứu về tính chất truyền dẫn từ và hấp thụ quang-từ của BKL Topo mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực điện tử học spin, BKL Topo có thể được sử dụng để phát triển các linh kiện điện tử topo với hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Trong lĩnh vực quang điện tử, chúng có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị quang tiên tiến, chẳng hạn như các cảm biến ánh sáng nhạy bén và các thiết bị chuyển đổi năng lượng hiệu quả. BKL Topo cũng có thể được sử dụng trong các cảm biến từ trường, thiết bị nhớ, và các ứng dụng liên quan đến truyền thông quang học.

4.1. Cảm Biến Từ Trường và Thiết Bị Quang

Các ứng dụng cảm biến từ dựa trên BKL Topo có thể đạt được độ nhạy cao và khả năng hoạt động trong dải tần rộng. Các ứng dụng thiết bị quang bao gồm các bộ điều biến ánh sáng, các bộ lọc quang học và các tế bào quang điện hiệu quả cao.

4.2. Linh Kiện Điện Tử Topo và Thiết Bị Nhớ

Các linh kiện điện tử topo tận dụng các trạng thái bề mặt được bảo vệ của BKL Topo để tạo ra các transistor với độ linh động cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Trong thiết bị nhớ, BKL Topo có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin với mật độ cao và tốc độ truy cập nhanh.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu Bán Kim Loại Topo

Nghiên cứu về tính chất truyền dẫn từ và hấp thụ quang-từ của BKL Topo là một lĩnh vực đầy hứa hẹn với nhiều tiềm năng ứng dụng to lớn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết trước khi những ứng dụng này có thể trở thành hiện thực. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện chất lượng vật liệu, phát triển các kỹ thuật đo đạc và phân tích tiên tiến, và tìm hiểu sâu hơn về các hiện tượng lượng tử cơ bản trong BKL Topo. Việc khám phá các vật liệu bán kim loại topo mới với những tính chất độc đáo cũng là một hướng đi quan trọng.

5.1. Vật Liệu Mới và Tính Chất Bề Mặt

Nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới với cấu trúc topo độc đáo là một hướng đi quan trọng. Nghiên cứu tính chất bề mặt và giao diện của BKL Topo cũng rất quan trọng để hiểu rõ các quá trình điện tử và quang học xảy ra tại bề mặt.

5.2. Tương Lai của Điện Tử Học Spin và Vật Liệu Lượng Tử

Nghiên cứu BKL Topo có thể đóng góp vào sự phát triển của điện tử học spin và vật liệu lượng tử, mở ra những cơ hội mới trong việc tạo ra các thiết bị điện tử và quang điện tử tiên tiến với hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Chúng còn có tiềm năng ứng dụng trong năng lượng tái tạo và cảm biến sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 - Đã giới thiệu vật liệu WSM và DSM; tính ra được biểu thức hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong WSM và DSM khi có mặt cả điện trường và từ trường. - Đã phân tích được tổng quan tình hình nghiên cứu về các tính chất vật lý mà luận án tập trung nghiên cứu. Qua đó, nêu ra được những vấn đề đã được giải quyết và chưa được giải quyết. - Đã đưa ra được biểu thức tổng quát của độ dẫn dọc và độ dẫn Hall bằng phương pháp Kubo, độ cảm dọc và độ cảm Hall bằng phương pháp phương trình chuyển động.

- Đã áp dụng phương pháp ma trận mật độ tối thiểu để tính được biểu thức tổng quát của MOAC và RIC. - Đã áp dụng phương pháp nhiễu loạn để tìm ra được biểu thức của MOAC dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon khi tính đến quá trình hấp thụ hai photon. Chương 2: TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TỪ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN KIM LOẠI TOPO 2. Độ cảm dọc và độ cảm Hall trong bán kim loại Weyl 8 2.

Biểu thức giải tích của độ cảm dọc và độ cảm Hall Dựa vào biểu thức độ cảm tổng quát (1.86), ta thấy rằng để tính độ cảm dọc và độ cảm Hall, ta phải tìm yếu tố ma trận lưỡng cực. Biểu thức tường minh của yếu tố ma trận lưỡng cực theo cả ba phương như sau   x         y eℏvF nz nz 1 ′ nz nz 1 dn,n′ = pAn′ ,p′ Bn,p δ ′ − p An,p Bn′ ,p′ δ ′ ; (2.8) ∆Eη,η′ −i n ,n+1 i n ,n−1 2πienz Ma nz nz dzn,n′ = (An′ ,p′ An,p − pp′ Bn,p nz Bnn′z,p′ )δn′ ,n. Kết quả tính số và thảo luận 2. Hệ không pha tạp Mật độ electron là ne = 0 và thế hoá học µ nằm trong vùng cấm, phản ứng quang-từ chỉ được thực hiện bởi các dịch chuyển liên vùng.

Hệ pha tạp Bây giờ chúng ta khảo sát trường hợp WSM pha tạp, trong đó ne ̸= 0 và µ nằm trong vùng dẫn. Trong trường hợp này, cả dịch chuyển nội vùng và liên vùng đều khả dĩ. Dịch chuyển nội vùng Trong trường hợp này, thang năng lượng của các đỉnh dịch chuyển nội vùng nhỏ hơn nhiều so với trường hợp dịch chuyển liên vùng. Dịch chuyển liên vùng Trong trường hợp này, nồng độ hạt tải ne càng cao thì bậc mức Landau tham gia vào quá trình dịch chuyển càng lớn.

Phần ảo Phần ảo Phần thực Phần thực Phần ảo Phần ảo Phần ảo Phần ảo Phần thực Phần thực Phần ảo Phần ảo Hình 2.2: Độ cảm [tính theo đơn vị của χ0 ] là một hàm là một hàm của ℏω: (a) χxx , (b) -χyx , (c) χ± , và (d) của ℏω: (a) Im[χ− ] và (b) Im[χzz ] ứng với các giá trị nhiệt χzz. Kết quả thu được khi B = 8 T, ne = 0, T = 0 K, khác nhau khi λ = 50 nm. với các giá trị khác nhau của λ tại T = 0 K. Kết quả thu được tại B = 8 T, ne = 0, Γ = 2 meV, và γ = 0.

9 Phần ảo Phần thực Phần ảo Phần thực Phần ảo Phần thực Phần ảo Phần thực Hình 2.3: Im[χ− ] và Re[χ− ](tính theo đơn vị của χ0 ) do dịch chuyển nội vùng là một hàm của ℏω tại B = 8 T và Γ = 0.2 meV: (a) đối với một số giá trị của T , (b) đối với một số giá trị của ne , (c) đối với một số giá trị của λ, và (d) đối với một số giá trị của γ. Kết quả thu được tại T = 0 K, ne = n0 , λ = 50 nm, và γ = 0.1: Bảng các dịch chuyển nội vùng được phép Ln → Ln+1 và năng lượng tương ứng của chúng (tính theo đơn vị meV) đối với các ne , λ và γ khác nhau từ Hình 2. Độ dẫn Hall và độ dẫn dọc trong bán kim loại Dirac 2. Biểu thức giải tích của độ dẫn Hall và độ dẫn dọc 2.

Biểu thức giải tích của độ dẫn Hall   nd (0) (1) σyx = σyx + ∆σyx (1 − ξ 2 ), (2. Biểu thức giải tích của độ dẫn dọc Ni V02 e2 X s σxx = 2 Mn,n I f (1 − fη ).63) 2 2kB T (ℏωc ) hqs Lz η Điện trở dọc và điện trở Hall được tính như sau σxx σyx Rxx = 2 2 , R xy = 2 + σ2 .65) σxx + σyx σxx yx 2. Kết quả tính số và thảo luận Để tính số chúng tôi sử dụng các thông số đặc trưng của bán kim loại Dirac Cd3 As2 và Na3 Bi và được liệt kê trong Bảng 2. 10 Phần ảo Năng lượng (meV) Hình 2.4: (a) Im[χ− ] (tính theo đơn vị của χ0 ) do dịch chuyển liên vùng là một hàm của ℏω đối với các giá trị khác nhau của ne.

(b) Sơ đồ dịch chuyển liên vùng quang học, trong đó các đường chấm chấm hiển thị các thế hóa học tương ứng. Kết quả thu được tại B = 8 T, Γ = 2 meV, T = 0 K, ne = n0 , λ = 50 nm, và γ = 0.0 20 0 100 200 300 15 T HKL 10 5 0 100 150 200 250 300 ÑΩ HmeVL Hình 2.5: (a) Im[χ− ] (tính theo đơn vị của χ0 ) do dịch chuyển liên vùng là một hàm của ℏω đối với các giá trị khác nhau của nhiệt độ. Bản đồ lồng cho thấy ∆f = |f−n − fn+1 | là hàm của nhiệt độ. Kết quả thu được tại B = 8 T, Γ = 2 meV, T = 0 K, ne = n0 , λ = 50 nm, và γ = 0.

Kết luận chương 2 Kết quả chính trong chương này được tóm tắt như sau: 11 Phần ảo Phần ảo Năng lượng (meV) Năng lượng (meV) Hình 2.6: (a) Im[χ− ] (tính theo đơn vị của χ0 ) do dịch Hình 2.7: (a) Im[χ− ] (tính theo đơn vị của χ0 ) do dịch chuyển liên vùng là một hàm của ℏω đối với các giá trị chuyển liên vùng là một hàm của ℏω đối với các giá trị khác nhau của λ. (b) Sơ đồ dịch chuyển liên vùng quang khác nhau của điện trường. (b) Sơ đồ dịch chuyển liên trong đó các đường chấm chấm biểu diễn thế hóa học. vùng quang trong đó các đường chấm chấm biểu diễn thế Kết quả thu được tại B = 8 T, Γ = 2 meV, T = 0 K, hóa học.

Kết quả thu được tại B = 8 T, Γ = 2 meV, ne = n0 , và γ = 0. T = 0 K, λ = 50 nm, và ne = n0 .2: Bảng các thông số mô hình của vật liệu Cd3 As2 và Na3 Bi. Cd3 As2 Na3 Bi M0 (meV) 20.25 - Đã đưa ra được biểu thức giải tích của độ cảm dọc và độ cảm Hall của giếng lượng tử WSM khi được đặt trong một EDMF. Kết quả của độ cảm dọc và độ cảm Hall giúp cho chúng tôi nghiên cứu được phản ứng quang của vật liệu khi có mặt từ trường.

- Chúng tôi đã phân tích một cách chi tiết phản ứng quang dọc và Hall của hệ dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, sự thâm nhập của từ trường, mật độ electron và điện trường trong cả trường hợp pha tạp và không pha tạp. Ngoại trừ trường hợp dịch chuyển nội vùng tại T = 0, trong tất cả các trường hợp khác, cả phần thực và phần ảo của độ cảm dọc và độ cảm Hall hiển thị một loạt các đỉnh trong đó chiều cao của đỉnh và khoảng cách giữa các đỉnh giảm khi chỉ số mức Landau tăng. Nhiệt độ cũng 12 Hình 2.8: Sự phụ thuộc vào từ trường của độ dẫn Hall Hình 2.9: Sự phụ thuộc vào từ trường của độ dẫn Hall (theo đơn vị σ0 = 4e2 /(hLz )) trong Cd3 As2 (a), (c) và trong Cd3 As2 (a), (c) và Na3 Bi (b), (d) tại γ = 0.5, ϵΓ = Na3 Bi (b), (d) tại T = 0 K, ne = n0 , và Lz = 100 nm: 0.1, và Lz = 100 nm: (a), (b) ứng với các giá trị khác (a), (b) ứng với các giá trị khác nhau của ϵΓ tại γ = 0.5 và nhau của nhiệt độ tại ne = n0 và (c), (d) ứng với các giá (c), (d) ứng với các giá trị khác nhau của γ tại ϵΓ = 0. trị khác nhau của mật độ hạt mang tại T = 0 K.10: Sự phụ thuộc vào từ trường của độ dẫn dọc Hình 2.11: Sự phụ thuộc vào từ trường của độ dẫn dọc trong Cd3 As2 (a), (c) và Na3 Bi (b), (d) tại ni = 3 × trong Cd3 As2 (a), (c) và Na3 Bi (b), (d) tại ni = 3 × 10−4 n0 , T = 2K, và ne = n0 : (a), (b) ứng với các giá trị 10−4 n0 , γ = 0.5, và Lz = 100 nm: (a), (b) ứng với các giá khác nhau của Lz tại γ = 0.5 và (c), (d) ứng với các giá trị khác nhau của nhiệt độ tại ne = n0 và (c), (d) ứng với trị khác nhau của γ tại Lz = 100 nm.

các giá trị khác nhau của mật độ hạt tải tại T = 2 K. ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng quang của hệ. Nhiệt độ tăng sẽ kích thích các dịch chuyển mới mới, hình thành các đỉnh mới trong quang phổ phản ứng quang. Mật độ electron, độ thâm nhập của từ trường và điện trường đều ảnh hưởng rõ rệt đến vị trí của thế hóa học; do đó, sự thay đổi của các tham số này ảnh hưởng mạnh mẽ đến giá trị của năng lượng ngưỡng.

Chúng tôi cũng cung cấp một cách hiệu quả để 13 Hình 2.12: Sự phụ thuộc vào từ trường của điện trở dọc và điện trở Hall trong Cd3 As2 (a) và Na3 Bi (b) tại ni = 3 × 10−4 n0 , γ = 0.5, Lz = 100 nm, ne = n0 , và T = 2 K với R0 = σ0−1. kiểm soát năng lượng ngưỡng và do đó kiểm soát phổ phản ứng quang trong WSM. - Đã đưa ra biểu thức giải tích của độ dẫn dọc và độ dẫn Hall cũng như điện trở dọc và điện trở Hall của vật liệu DSM dưới ảnh hưởng của điện trường và trường Zeeman. - Trong cả Cd3 As2 và Na3 Bi, độ dẫn dọc σxx hiển thị một loạt các đỉnh đặc trưng bởi biên độ có độ lớn nhỏ hơn gần hai lần giá trị tương ứng quan sát được trong độ dẫn Hall σyx.

Khi ϵΓ = 0, độ dẫn Hall có dạng σyx = (4e2 /h)α, trong đó α = (N/4 + 1/2) và N là số nguyên.