MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, graphene được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu vì vật liệu này sở hữu những tính chất điện tử khác biệt [1]. Tuy nhiên, cấu trúc vùng năng lượng của graphene không có vùng cấm, đồng thời tương tác spin-quỹ đạo trong vật liệu này rất yếu. Những nhược điểm này hạn chế khả năng ứng dụng của graphene trong việc chế tạo các thiết bị quang điện tử.
Chẳng hạn, vì cấu trúc không có vùng cấm nên tỷ số dòng đóng/mở của graphene có giá trị thấp [2],[3]. Chính vì thế, việc nghiên cứu chuyên sâu về các vật liệu mới có cấu trúc tương tự graphene và những tính chất ưu việt khắc phục được những hạn chế của graphene là rất cần thiết. Các ứng viên tiềm năng trong trường hợp này là các vật liệu hai chiều (2D) có một vùng cấm hữu hạn như silicene [4],[5], germanene [6] và các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (transition-metal dichalcogenides-TMDC) có công thức hóa học là MX2 , với M = Mo, W; và X = S, Se [7],[8],[9],[10],[11],[12],[13]. Trong số các vật liệu có khả năng thay thế graphene, chúng tôi chú ý đến các bán dẫn TMDC bởi vì chúng có những tính chất vật lý đặc biệt, hứa hẹn tiềm năng cao trong ứng dụng công nghệ quang điện tử và hiện đang có sức thu hút mạnh mẽ đối với các nhà nghiên cứu.
Thứ nhất, cấu trúc vùng năng lượng của các vật liệu TMDC đơn lớp có một cặp thung lũng (valley) không đối xứng tại các điểm K và K 0 , trong đó vùng dẫn và vùng hóa trị được phân tách bởi một vùng cấm thẳng có độ lớn rộng, nằm trong khoảng từ vùng hồng ngoại gần đến vùng khả kiến. Độ rộng vùng cấm của MoS2 , WS2 , MoSe2 và WSe2 lần lượt là 1. Thứ hai, các bán dẫn TMDC có tương tác spin-quỹ đạo mạnh thể hiện ở các giá trị đặc trưng là độ dịch chuyển năng lượng 1 do tương tác spin ở vùng hóa trị λv và vùng dẫn λc [14]. Một đặc điểm thú vị khác của các vật liệu TMDC là sự phụ thuộc của cấu trúc vùng năng lượng vào số lớp: thay đổi từ cấu trúc có vùng cấm xiên đối với hệ đa lớp đến cấu trúc có vùng cấm thẳng trong các hệ đơn lớp [15].
Những đặc trưng khác biệt này khiến cho họ vật liệu TMDC sở hữu đặc tính điện tử và quang học đáng chú ý [16] và là một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng nhất trong những năm gần đây. Việc ứng dụng các hệ có vùng cấm thẳng như các bán dẫn TMDC đơn lớp đã cho phép các thiết bị quang điện tử mới như bộ tách sóng quang, pin mặt trời, và diodes phát quang tận dụng được các exciton trung hòa và exciton mang điện trong các chất bán dẫn 2D [17],[18],[19],[20]. Có thể nói rằng, một trong những ứng dụng nổi bật nhất của bán dẫn vùng cấm thẳng là tích hợp nguồn ánh sáng quang lượng tử dựa trên ống dẫn sóng quang học và bộ cộng hưởng [21],[22],[23]. Gần đây người ta đã chứng minh được rằng MoS2 đơn lớp, một bán dẫn TMDC điển hình, có độ linh động của hạt tải ổn định ở nhiệt độ cao nên có khả năng tương thích tốt với công nghệ bán dẫn tiêu chuẩn [24].
Các đặc tính nổi bật làm cho MoS2 đơn lớp có tiềm năng lớn cho nhiều ứng dụng, bao gồm sự phát quang ở vùng bước sóng khả kiến [25],[26], bộ tách sóng quang với độ nhạy cao và các transistor liên kết [27],[28]. Gần đây, Reed và cộng sự đã chứng minh được rằng một nguồn sáng với bước sóng tích hợp ngắn đã kích thích khả năng phát xạ của MoS2 [29]. Nghiên cứu này sẽ mở đường cho công nghệ nano-photonic ở thế hệ kế tiếp nhằm chế tạo các hệ cảm biến quang học có môi trường hoạt động ở thang nguyên tử. Các tính chất quang của các bán dẫn thấp chiều thể hiện được ứng dụng thú vị trong các thiết bị quang điện tử và vi điện tử [30],[31],[32],[33],[34].
Các ảnh hưởng phi tuyến trong hệ thấp chiều, đặc biệt là khi có từ trường [35],[36],[37] mạnh hơn so với vật liệu khối gây ra bởi hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh. Do đó, các tính chất hấp thụ quang-từ tuyến tính và phi tuyến đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và đã được khảo sát trong các vật liệu thấp chiều như giếng lượng tử, dây lượng tử, và chấm lượng tử [38],[39],[40],[41],[42], cũng như 2 trong graphene [43] và các hệ đơn lớp hai chiều khác, cụ thể là trong phosorene đơn lớp [44] và MoS2 đơn lớp [45],[46]. Kết quả của những nghiên cứu này cho thấy tính chất hấp thụ quang-từ không những phụ thuộc vào cấu trúc của hệ mà còn chịu ảnh hưởng mạnh bởi từ trường. Tuy nhiên, các kết quả thú vị này vẫn chưa được khảo sát một cách đầy đủ trong các vật liệu họ TMDC khác như MoSe2 , WS2 và WSe2.
Trong khi đó, nghiên cứu chỉ ra rằng, với đặc tính chịu ảnh hưởng mạnh của các trường Zeeman spin và vùng và một vùng cấm rộng tự nhiên, các vật liệu TMDC thể hiện các phản ứng quang xảy ra trong vùng hồng ngoại gần và cả trong vùng ánh sáng khả kiến [47], điều mà hoàn toàn khác so với các hệ thấp chiều thông thường [48] hay trong graphene [49],[50]. Điều đó càng khiến chúng tôi muốn nghiên cứu sâu hơn và có hệ thống hơn về các tính chất truyền dẫn quang-từ của các bán dẫn họ TMDC trong đó có tính đến ảnh hưởng của các trường Zeeman. Bên cạnh tính chất truyền dẫn quang-từ, chúng tôi còn bị thu hút bởi các tính chất nhiệt của hệ điện tử trong các bán dẫn thấp chiều mà các đại lượng đặc trưng là tốc độ mất mát năng lượng của electron và công suất nhiệt-từ. Tốc độ mất mát năng lượng của các electron nóng (hot-electron) hoặc công suất làm lạnh electron (electron cooling power) dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon đã được nghiên cứu trong bán dẫn khối [51],[52], các hệ khí điện tử hai chiều (2DEG) thông thường [53],[54],[55], graphene hai lớp [56],[57],[58], silicene [59], MoS2 đơn lớp và các TMDC khác [60], bán kim loại Dirac ba chiều [61] và trong graphene hai lớp xoắn [62].
Kết quả của các nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự trao đổi nhiệt giữa electron và phonon trong các vật liệu 2D. Trong tất cả các nghiên cứu này, tốc độ mất mát năng lượng của electron được khảo sát trong điều kiện không có từ trường. Tuy nhiên, nghiên cứu trong hệ 2DEG đặt trong từ trường cho thấy tốc độ mất mát năng lượng dao động theo từ trường [63],[64],[65]. Như vậy, hướng nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường lên tốc độ mất mát năng lượng của electron trong các vật liệu thấp chiều như TMDC là cần thiết và vẫn chưa được thực hiện.
3 Công suất nhiệt là một hệ số quan trọng để xác định hiệu suất nhiệt điện của hệ. Có hai phần đóng góp vào công suất nhiệt là công suất nhiệt khuếch tán và công suất nhiệt gây ra bởi hiệu ứng phonon-kéo (phonon-drag) [66]. Công suất nhiệt gây ra bởi hiệu ứng phonon-kéo là kết quả tương tác giữa electron và các phonon âm [67]. Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy công suất nhiệt trong MoS2 đơn lớp có giá trị lớn vào khoảng 4 × 102 đến 105 µVK−1 [68],[69].
Công suất nhiệt gây ra bởi hiệu ứng phonon-kéo cũng đã được khảo sát lý thuyết trong MoS2 đơn lớp [70]. Các nghiên cứu về công suất nhiệt trên đây đều được thực hiện trong điều kiện không có từ trường. Khi có từ trường ngoài, công suất nhiệt (trong trường hợp này gọi là công suất nhiệt-từ) gây ra bởi hiệu ứng phonon-kéo đã được khảo sát lý thuyết trong các hệ 2DEG [66],[71],[72],[73],[74],[75],[76] và trong MoS2 đơn lớp [77]. Tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy chưa có nghiên cứu nào về ảnh hưởng của từ trường lên công suất nhiệt-từ gây ra bởi hiệu ứng phonon-kéo trong MoS2 đơn lớp cũng như các vật liệu TMDC khác trong vùng nhiệt độ thấp (dưới 100 K), vùng nhiệt độ mà công suất nhiệt-từ gây bởi hiệu ứng phonon-kéo cho đóng góp nổi trội vào công suất nhiệt [71],[77].
Từ những phân tích trên đây, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ là: “Tính chất truyền dẫn quang-từ và tính chất nhiệt của các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp” với hy vọng đề tài cung cấp cái nhìn tổng quát về các tính chất truyền dẫn quang-từ và tính chất nhiệt của các vật liệu thuộc họ TMDC, cũng như đưa ra dẫn chứng so sánh các đặc trưng vật lý này giữa các vật liệu trong cùng họ TMDC là MoS2 , MoSe2 , WS2 và WSe2. Mục tiêu nghiên cứu 2. Mục tiêu tổng quát Mục tiêu của luận án là khảo sát các tính chất truyền dẫn quang-từ và tính chất nhiệt của các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 và WSe2. Mục tiêu cụ thể 4 - Khảo sát tính chất truyền dẫn quang-từ dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon bao gồm hệ số hấp thụ quang-từ và độ rộng vạch phổ hấp thụ của các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 và WSe2 đặt trong điện trường và từ trường ngoài.
- Khảo sát tính chất truyền dẫn quang-từ khi không tính đến tương tác electron-phonon bao gồm hệ số hấp thụ quang-từ và độ thay đổi chiết suất của các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 và WSe2 đặt trong điện trường và từ trường ngoài. - Khảo sát tính chất nhiệt dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon bao gồm tốc độ mất mát năng lượng của electron và công suất nhiệt-từ gây ra bởi hiệu ứng phonon-kéo của các bán dẫn họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp đơn lớp: MoS2 , MoSe2 , WS2 và WSe2 đặt trong điện trường và từ trường ngoài. Nội dung nghiên cứu Nội dung chính của luận án tập trung khảo sát các vấn đề cụ thể sau đây: - Về tính chất truyền dẫn quang-từ + Tính giải tích và tính số hệ số hấp thụ quang-từ trong các hệ TMDC đơn lớp dưới ảnh hưởng của tương tác electron với các loại phonon khác nhau, khi tính đến quá trình hấp thụ hai photon. + Khảo sát độ rộng vạch phổ hấp thụ trong các hệ TMDC đơn lớp dưới ảnh hưởng của tương tác electron với các loại phonon khác nhau, khi tính đến quá trình hấp thụ hai photon.
+ Tính giải tích và tính số hệ số hấp thụ quang-từ và độ thay đổi chiết suất tuyến tính và phi tuyến trong các hệ TMDC đơn lớp khi không tính đến tương tác electron-phonon.