Xem mẫu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HỒ SỸ TÁ
CÁC ĐẶC TRƯNG PLASMON VÀ TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC
HỌC CỦA HỆ ĐIỆN TỬ TRONG GRAPHENE
Chuyên ngành
: Vật lý kỹ thuật
Mã số
: 62520401
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
Hà Nội – 2017
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Đỗ Vân Nam
2. PGS. TS. Lê Tuấn
Phản biện 1: …………………………………………
Phản biện 2:………………………………………….
Phản biện 3: …………………………………………
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong lĩnh vực plasmonics, graphene hiện đang là vật liệu được
tập trung nghiên cứu mạnh mẽ do có nhiều thuộc tính ưu việt vượt
trội so với vật liệu kim loại như: bề dày mỏng chỉ là một lớp nguyên
tử carbon nhưng tương tác mạnh với ánh sáng, thời gian sống của
plasmon dài hơn nhiều lần so với plasmon trong kim loại và do đó
quãng đường truyền đi có thể lên tới kích thước micromet, đặc biệt
tần số plasmon trong graphene có thể được điều khiển thông qua việc
điều khiển được mật độ hạt tải điện bằng phương pháp phân cực tĩnh
điện.
Trên phương diện nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu sự hình thành
và các đặc trưng của plasmon trong graphene là cần thiết để hiểu
được các tính chất động lực học cơ bản của hệ điện tử hai chiều trong
mạng tinh thể lục giác.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài tập trung khảo sát các tính chất động lực học của hệ
electron dẫn bên trong màng graphene dưới các điều kiện tác động
khác nhau của trường ngoài và nghiên cứu các cơ chế hình thành và
điều kiện duy trì các trạng thái kích thích tập thể (plasmon) của hệ
electron, làm sáng tỏ tiềm năng sử dụng graphene trong lĩnh vực
nano-plasmonics.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ electron hai chiều trong mạng tinh thể
graphene thuần khiết ở các chế độ pha tạp khác nhau. Đề tài tập
trung khảo sát các tính chất động lực học của hệ electron trong các
điều kiện môi trường khác nhau (như nhiệt độ, nồng độ hạt tải, năng
lượng kích thích) và xác định các đặc trưng của các trạng thái kích
thích tập thể của hệ electron.
Phương pháp nghiên cứu
1
Phương pháp chung của đề tài là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
mô phỏng vật liệu. Các phép gần đúng được áp dụng một cách thích
hợp trong quá trình tính toán để có thể thu nhận được những kết luận
vật lý cơ bản nhất. Trong điều kiện nhiệt độ không tuyệt đối và mức
độ pha tạp yếu chúng tôi sử dụng mô hình liên tục với phương trình
Dirac để mô tả tính động lực học của hệ electron. Phương pháp giải
tích đã được sử dụng hiệu quả để đi đến tận cùng biểu thức hàm điện
môi và phổ tán sắc theo quy luật căn bậc hai của plasmon. Các tính
toán số được phát triển để thực thi các khảo sát hệ điện tử trong
trường hợp tổng quát như nhiệt độ hữu hạn và mức độ pha tạp hữu
hạn. Các tính số được phát triển để tính đến đặc điểm bất đẳng hướng
quan trọng của các mặt năng lượng trong nón Dirac trong toàn vùng
Brillouin thông qua mô hình liên kết chặt trong gần đúng lân cận thứ
hai và tính không trực giao của hệ hàm cơ sở. Tương tác electronelectron được xem xét trong gần đúng pha ngẫu nhiên (RPA) và
được mở rộng để kết hợp được hiệu ứng trường địa phương (LFE).
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài giải quyết một bài toán vật lý cơ bản là nghiên cứu các tính
chất động lực học của hệ electron trong mạng tinh thể graphene hai
chiều trong đó hiệu ứng tương tác nhiều hạt được tính đến trong gần
đúng pha ngẫu nhiên. Các kết quả mà đề tài thu được cho phép làm
sáng tỏ và góp phần hoàn thiện bức tranh vật lý về các tính chất cơ
bản của vật liệu graphene – tính chất điện tử và quang học. Không
chỉ vậy, các kết quả thu được còn cho phép chỉ ra tiềm năng ứng
dụng của vật liệu graphene trong các lĩnh vực công nghệ cao như
nano-electronics, nano-optoelectronics và nano-photonics qua việc
xác định các mode điện từ mà graphene cho phép lan truyền trong
các điều kiện khác nhau.
Kết quả mới của đề tài
Kết quả nghiên cứu chính của đề tài được công bố trong hai bài
báo ISI, một đăng năm 2014 trên tạp chí Physica E và một đăng đầu
năm 2016 trên tạp chí Physica Status Solidi B.
2
Trong bài báo thứ nhất chúng tôi báo cáo nghiên cứu khảo sát
hiệu ứng của một số tham số như nhiệt độ và độ pha tạp lên sự hình
thành và các đặc trưng của các trạng thái kích thích tập thể của
electron trong màng graphene. Đặc biệt chúng tôi chỉ ra đặc điểm
phân cực của plasmon có nguồn gốc từ tính bất đẳng hướng của các
mặt năng lượng của các dải pi. Theo đó, trong giới hạn pha tạp rất
thấp, hệ điện tử trong graphene chỉ có thể có một mode dao động tập
thể với đặc trưng tán sắc đẳng hướng. Tuy nhiên, khi nâng cao mức
độ pha tạp, mức năng lượng Fermi dịch chuyển lên miền năng lượng
mà ở đó mặt năng lượng Fermi không còn đẳng hướng nữa. Khi đó,
các đóng góp của các trạng thái gần mức Fermi sẽ nổi trội và dẫn đến
kết quả là hệ thức tán sắc của plasmon trở nên bất đẳng hướng.
Trong bài báo thứ hai, chúng tôi công bố kết quả khảo sát sự hình
thành các mode kích thích tập thể của electron trong màng graphene
ở chế độ pha tạp mạnh với mục đích ban đầu là xem xét rõ hơn nữa
hiệu ứng phân cực của plasmon. Tuy nhiên, chúng tôi chỉ ra rằng,
trong điều kiện pha tạp mạnh, màng graphene có thể cho phép hai
mode điện từ truyền đi trên bề mặt, trong đó có một mode cũ đã được
ghi nhận và một mode mới được dự đoán trong tính toán của chúng
tôi. Mode plasmon mới có những đặc trưng hết sức đặc biệt và chúng
tôi nhận thấy sự xuất hiện của mode này có nguồn gốc từ sự bất đẳng
hướng của các mặt năng lượng trong nón Dirac và sự không tương
đương giữa các trạng thái trong hai nón Dirac tồn tại độc lập trong
vùng Brillouin.
Kết cấu của luận án
Luận án được chia làm các phần chính: phần mở đầu (5 trang);
phần nội dung chính (111 trang); phần kết luận và kiến nghị; phần tài
liệu tham khảo; và cuối cùng là phần phụ lục (15 trang).
Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương.
Chương 1 trình bày các kiến thức nền tảng cần thiết liên quan đến
các nội dung của toàn bộ luận án. Các chương: chương 2, chương 3,
chương 4 trình bày ba bài toán tương ứng với ba vấn đề cụ thể, là các
nội dung đóng góp chính của đề tài.
3
nguon tai.lieu . vn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HỒ SỸ TÁ
CÁC ĐẶC TRƯNG PLASMON VÀ TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC
HỌC CỦA HỆ ĐIỆN TỬ TRONG GRAPHENE
Chuyên ngành
: Vật lý kỹ thuật
Mã số
: 62520401
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
Hà Nội – 2017
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Đỗ Vân Nam
2. PGS. TS. Lê Tuấn
Phản biện 1: …………………………………………
Phản biện 2:………………………………………….
Phản biện 3: …………………………………………
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong lĩnh vực plasmonics, graphene hiện đang là vật liệu được
tập trung nghiên cứu mạnh mẽ do có nhiều thuộc tính ưu việt vượt
trội so với vật liệu kim loại như: bề dày mỏng chỉ là một lớp nguyên
tử carbon nhưng tương tác mạnh với ánh sáng, thời gian sống của
plasmon dài hơn nhiều lần so với plasmon trong kim loại và do đó
quãng đường truyền đi có thể lên tới kích thước micromet, đặc biệt
tần số plasmon trong graphene có thể được điều khiển thông qua việc
điều khiển được mật độ hạt tải điện bằng phương pháp phân cực tĩnh
điện.
Trên phương diện nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu sự hình thành
và các đặc trưng của plasmon trong graphene là cần thiết để hiểu
được các tính chất động lực học cơ bản của hệ điện tử hai chiều trong
mạng tinh thể lục giác.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài tập trung khảo sát các tính chất động lực học của hệ
electron dẫn bên trong màng graphene dưới các điều kiện tác động
khác nhau của trường ngoài và nghiên cứu các cơ chế hình thành và
điều kiện duy trì các trạng thái kích thích tập thể (plasmon) của hệ
electron, làm sáng tỏ tiềm năng sử dụng graphene trong lĩnh vực
nano-plasmonics.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ electron hai chiều trong mạng tinh thể
graphene thuần khiết ở các chế độ pha tạp khác nhau. Đề tài tập
trung khảo sát các tính chất động lực học của hệ electron trong các
điều kiện môi trường khác nhau (như nhiệt độ, nồng độ hạt tải, năng
lượng kích thích) và xác định các đặc trưng của các trạng thái kích
thích tập thể của hệ electron.
Phương pháp nghiên cứu
1
Phương pháp chung của đề tài là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
mô phỏng vật liệu. Các phép gần đúng được áp dụng một cách thích
hợp trong quá trình tính toán để có thể thu nhận được những kết luận
vật lý cơ bản nhất. Trong điều kiện nhiệt độ không tuyệt đối và mức
độ pha tạp yếu chúng tôi sử dụng mô hình liên tục với phương trình
Dirac để mô tả tính động lực học của hệ electron. Phương pháp giải
tích đã được sử dụng hiệu quả để đi đến tận cùng biểu thức hàm điện
môi và phổ tán sắc theo quy luật căn bậc hai của plasmon. Các tính
toán số được phát triển để thực thi các khảo sát hệ điện tử trong
trường hợp tổng quát như nhiệt độ hữu hạn và mức độ pha tạp hữu
hạn. Các tính số được phát triển để tính đến đặc điểm bất đẳng hướng
quan trọng của các mặt năng lượng trong nón Dirac trong toàn vùng
Brillouin thông qua mô hình liên kết chặt trong gần đúng lân cận thứ
hai và tính không trực giao của hệ hàm cơ sở. Tương tác electronelectron được xem xét trong gần đúng pha ngẫu nhiên (RPA) và
được mở rộng để kết hợp được hiệu ứng trường địa phương (LFE).
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài giải quyết một bài toán vật lý cơ bản là nghiên cứu các tính
chất động lực học của hệ electron trong mạng tinh thể graphene hai
chiều trong đó hiệu ứng tương tác nhiều hạt được tính đến trong gần
đúng pha ngẫu nhiên. Các kết quả mà đề tài thu được cho phép làm
sáng tỏ và góp phần hoàn thiện bức tranh vật lý về các tính chất cơ
bản của vật liệu graphene – tính chất điện tử và quang học. Không
chỉ vậy, các kết quả thu được còn cho phép chỉ ra tiềm năng ứng
dụng của vật liệu graphene trong các lĩnh vực công nghệ cao như
nano-electronics, nano-optoelectronics và nano-photonics qua việc
xác định các mode điện từ mà graphene cho phép lan truyền trong
các điều kiện khác nhau.
Kết quả mới của đề tài
Kết quả nghiên cứu chính của đề tài được công bố trong hai bài
báo ISI, một đăng năm 2014 trên tạp chí Physica E và một đăng đầu
năm 2016 trên tạp chí Physica Status Solidi B.
2
Trong bài báo thứ nhất chúng tôi báo cáo nghiên cứu khảo sát
hiệu ứng của một số tham số như nhiệt độ và độ pha tạp lên sự hình
thành và các đặc trưng của các trạng thái kích thích tập thể của
electron trong màng graphene. Đặc biệt chúng tôi chỉ ra đặc điểm
phân cực của plasmon có nguồn gốc từ tính bất đẳng hướng của các
mặt năng lượng của các dải pi. Theo đó, trong giới hạn pha tạp rất
thấp, hệ điện tử trong graphene chỉ có thể có một mode dao động tập
thể với đặc trưng tán sắc đẳng hướng. Tuy nhiên, khi nâng cao mức
độ pha tạp, mức năng lượng Fermi dịch chuyển lên miền năng lượng
mà ở đó mặt năng lượng Fermi không còn đẳng hướng nữa. Khi đó,
các đóng góp của các trạng thái gần mức Fermi sẽ nổi trội và dẫn đến
kết quả là hệ thức tán sắc của plasmon trở nên bất đẳng hướng.
Trong bài báo thứ hai, chúng tôi công bố kết quả khảo sát sự hình
thành các mode kích thích tập thể của electron trong màng graphene
ở chế độ pha tạp mạnh với mục đích ban đầu là xem xét rõ hơn nữa
hiệu ứng phân cực của plasmon. Tuy nhiên, chúng tôi chỉ ra rằng,
trong điều kiện pha tạp mạnh, màng graphene có thể cho phép hai
mode điện từ truyền đi trên bề mặt, trong đó có một mode cũ đã được
ghi nhận và một mode mới được dự đoán trong tính toán của chúng
tôi. Mode plasmon mới có những đặc trưng hết sức đặc biệt và chúng
tôi nhận thấy sự xuất hiện của mode này có nguồn gốc từ sự bất đẳng
hướng của các mặt năng lượng trong nón Dirac và sự không tương
đương giữa các trạng thái trong hai nón Dirac tồn tại độc lập trong
vùng Brillouin.
Kết cấu của luận án
Luận án được chia làm các phần chính: phần mở đầu (5 trang);
phần nội dung chính (111 trang); phần kết luận và kiến nghị; phần tài
liệu tham khảo; và cuối cùng là phần phụ lục (15 trang).
Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương.
Chương 1 trình bày các kiến thức nền tảng cần thiết liên quan đến
các nội dung của toàn bộ luận án. Các chương: chương 2, chương 3,
chương 4 trình bày ba bài toán tương ứng với ba vấn đề cụ thể, là các
nội dung đóng góp chính của đề tài.
3