Nghiên cứu phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt

Trong bài viết này, hiện tượng phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt InN/GaN được nghiên cứu bằng lý thuyết hàm sóng tái chuẩn hóa. Ngoài ra, sự ảnh hưởng mạnh của tỉ số các bán trục và độ lệch cộng hưởng của sóng bơm lên các đặc trưng của hiện tượng phách lượng tử của exciton cũng được khảo sát chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 21, Số 1 (2022) NGHIÊN CỨU PHÁCH LƯỢNG TỬ CỦA EXCITON TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ HÌNH Ê-LÍP DẠNG DẸT Lê Thị Ngọc Bảo1*, Nguyễn Minh Tạo3, Lê Ngọc Minh1, Lê Phước Định1, Đinh Như Thảo2** 1 Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế 2 Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế 3 Trường THPT Trần Suyền, Tỉnh Phú Yên *Email:lethingocbao14@gmail.com **Email: dnthao@gmail.com Ngày nhận bài: 8/7/2022; ngày hoàn thành phản biện: 20/7/2022; ngày duyệt đăng: 4/8/2022 TÓM TẮT Trong bài báo này, hiện tượng phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt InN/GaN được nghiên cứu bằng lý thuyết hàm sóng tái chuẩn hóa. Chúng tôi áp dụng mô hình ba mức exciton gồm một mức ở trạng thái cơ bản và hai mức kích thích được liên kết bởi một laser bơm mạnh cộng hưởng. Khi có tác dụng của laser bơm, chúng tôi đã quan sát thấy dấu hiệu tồn tại hiện tượng phách lượng tử của exciton thông qua sự xuất hiện dao động tuần hoàn trong phổ cường độ hấp thụ của exciton. Ngoài ra, sự ảnh hưởng mạnh của tỉ số các bán trục và độ lệch cộng hưởng của sóng bơm lên các đặc trưng của hiện tượng phách lượng tử của exciton cũng được khảo sát chi tiết. Từ khóa: chấm lượng tử, cường độ hấp thụ, exciton, hình ê-líp dạng dẹt. 1. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, bán dẫn hệ thấp chiều là một trong những đối tượng nghiên cứu rất được sự quan tâm và thu hút của nhiều nhà khoa học [1-3]. Cấu trúc hệ thấp chiều được hình thành khi ta hạn chế chuyển động của các hạt tải theo một chiều, hai chiều hoặc ba chiều trong phạm vi khoảng cách bước sóng de Broglie của nó (cỡ nm). Việc chuyển từ vật liệu có cấu trúc ba chiều sang hệ vật liệu có cấu trúc thấp chiều đã làm thay đổi đáng kể nhiều đặc tính của vật liệu, đồng thời xuất hiện nhiều đặc tính ưu việt hơn mà hệ vật liệu ba chiều không có. Các cấu trúc thấp chiều có nhiều ứng dụng quan trọng trong việc tạo ra các linh kiện và thiết bị quang điện tử [4- 6]. Một trong những cấu trúc thấp chiều đang nhận được nhiều sự quan tâm nghiên 15 Nghiên cứu phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt cứu về lý thuyết lẫn thực nghiệm đó là chấm lượng tử. Trong chấm lượng tử các hạt tải bị giam giữ theo cả ba chiều trong không gian, làm cho chấm lượng tử được kỳ vọng có nhiều đặc tính thú vị hấp dẫn. Người ta đã chứng minh được rằng các tính chất quang học của chấm lượng tử có thể được điều khiển bởi việc thay đổi kích cỡ và hình dạng của chấm lượng tử [7,8]. Hiện tượng phách lượng tử của các exciton trong cấu trúc thấp chiều đã được quan tâm nghiên cứu từ năm 1990 [9], kể từ đó cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về hiệu ứng này [10-16]. Quang phổ phách lượng tử đã trở thành một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu các nguyên tử và phân tử liên quan đến cấu trúc điện tử và dao động của chúng. Bên cạnh đó bằng sự phân tích tần số của phách lượng tử người ta có thể xác định chính xác độ tách năng lượng rất nhỏ giữa các mức. Ngoài ra, phổ của phách lượng tử cho phép ta xác định thời gian sống kết hợp của các quá trình chuyển dời và khảo sát các trạng thái kết hợp [11]. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về hiện tượng phách lượng tử của exciton trong giếng lượng tử [9, 11, 14], dây lượng tử [15], và chấm lượng tử, đặc biệt là chấm lượng tử hình cầu [16]. Tuy nhiên, các chấm lượng tử có hình dạng phức tạp và gần với thực tế như chấm lượng tử hình ê-líp vẫn chưa được khảo sát chi tiết. Trong bài báo này chúng tôi sẽ nghiên cứu về hiện tượng phách lượng tử của exciton trong chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt bằng phương pháp hàm sóng tái chuẩn hóa. Bài báo gồm có các phần chính như sau. Phần 2 trình bày mô hình và lý thuyết. Phần 3 trình bày các kết quả chính và thảo luận. Phần kết luận được trình bày trong phần 4. 2. MÔ HÌNH VÀ LÝ THUYẾT 2.1. Hàm sóng và các mức năng lượng của điện tử và lỗ trống Để đơn giản chúng tôi giả thiết các chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt chịu sự tác dụng của một thế năng vô hạn. Xét một chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt nằm đối xứng quanh trục z, với a và c lần lượt là độ dài các bán trục của chấm trong mặt phẳng xOy và hướng z, trong đó x, y, z là các tọa độ trong hệ tọa độ Cartesian với gốc tọa độ tại tâm đối xứng của ê-líp (Hình 1). Hàm sóng bao của điện tử (lỗ trống) trong chấm lượng tử hình ê-líp dạng dẹt chịu tác dụng của một thế năng vô hạn có dạng [8,17]  e,h ( r ) =  e,h ( , , ) = Anlm J lm) ( −ih, i ) Slm) ( −ih, ) eim , nlm nlm (1 (1 (1) trong đó, n = 1,2,3,... ; l = 0,1, 2,3,... ; m = −l ,...,0,..., +l ; J lm) ( −ih, i ) và Slm) ( −ih, ) lần lượt (1 (1 là các hàm phỏng cầu xuyên tâm và các hàm phỏng cầu góc dạng dẹt loại 1; Anlm là hệ số chuẩn hóa. 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 21, Số 1 (2022) ...