MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sự kết hợp của Ge và Si được ví như vật liệu bán dẫn nhóm III-V, nhờ
sự linh động của hạt tải trong Ge, trong khi vẫn sử dụng công nghệ chế tạo
vi điện tử của Si. Các loại vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo ra
những phiên bản tiên tiến hơn của các linh kiện điện tử Si mà vẫn duy trì
được công nghệ chế tạo vi điện tử giá thành thấp [122], [58]. Khe năng
lượng nhỏ (0,7 eV) và tính phối trộn cao của Ge với Si đưa ra khả năng tạo
ra được vật liệu có độ rộng vùng cấm thay đổi được và linh kiện có tốc độ
chuyển đổi điện cao nhờ vào tính linh hoạt của các hạt tải trong Ge [59],
[117], [124]. Trong lĩnh vực quang điện tử và quang tử Si, vật liệu Ge nano
tinh thể trong Si và SiO2 và các hệ Si1-xGex đã có được một sự phát triển vô
cùng mạnh mẽ [15], [84], [17], [117], [83], [60]. Những tiến bộ trong việc
tổng hợp, xử lý, chế tác, đặc trưng hóa và mô phỏng cho phép tạo ra những
linh kiện ổn định hơn và hoạt động tốt hơn. Các linh kiện thu nhận, dẫn
sóng và điều biến quang, các diodes hiệu ứng đường ngầm, laze và các linh
kiện lượng tử đã được đề suất và thử nghiệm [15], [84], [17], [117], [60],
[89].
Ở kích thước nano, các tính chất vật lý của hai vật liệu Si và Ge này
thay đổi rất lớn, đôi khi nhiều tính chất mới thú vị và có nhiều tiềm năng
ứng dụng được đưa ra. Các giải thích về sự thay đổi này chủ yếu dựa trên
hiệu ứng giam cầm lượng tử. Những tính chất vật lý mới này đôi khi khá
phức tạp và khó kiểm soát, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình thái và cấu
trúc của vật liệu. Trong khi Si đã thể hiện một số biến thể quá trình nhân
hạt tải điện như hiệu ứng cắt lượng tử hay cắt photon. Điều này có ý nghĩa
vô cùng to lớn trong việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời trên cơ sở Si.
Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm của vật liệu nano Si thường khá lớn (khoảng
2 eV) dẫn đến khả năng ứng dụng trong việc thu nhận và biến đổi năng
lượng mặt trời là ít hiệu quả bởi phần lớn phổ mặt trời có năng lượng nhỏ
hơn 2 eV sẽ không được tận dụng. Việc thay đổi độ rộng vùng cấm của
nano Si là rất có ý nghĩa. Các nghiên cứu cơ bản việc “pha trộn” giữa Si và

lý khác nhau như ảnh hiển vi điện tử TEM, HR-TEM, phổ tán xạ
Raman, phổ nhiễu xạ tia X.
 Xác định hiệu ứng xảy ra trong hạt nano hợp kim Si1-xGex bằng các
phương pháp quang phổ phi tuyến khác nhau. Tiến hành các phép đo về
hiệu suất lượng tử trong và ngoài, năng lượng ngưỡng cho hiệu ứng xảy
ra.
 Nghiên cứu các quá trình vận động của hạt tải thông qua quá trình kích
thích, hồi phục và tái hợp. Qua đó hiểu hơn các quá trình vật lý cơ bản
và hiệu ứng giam cầm lượng tử.
 Tính toán quá trình hình thành tinh thể, sự thay đổi độ rộng vùng cấm
hợp kim Si1-xGex bằng phương pháp lý thuyết phiến hàm mật độ trong
xấp xỉ gradien tổng quát và phương pháp k.p.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu thực
nghiệm và tính toán lý thuyết
1) Phương pháp thực nghiệm bao gồm:
2


- Tạo các mẫu màng mỏng chứa Si1-xGex phân tán trong SiO2 bằng
phương pháp đồng phún xạ catốt tần số radio, sử dụng các bia Ge, Si, SiO2
trên các phiến đế thạch anh.
- Các phép đo phổ huỳnh quang liên tục, phổ hấp thụ liên tục.
- Phép đo phổ huỳnh quang phân giải thời gian, phép đo thời gian sống
của hạt tải.
2) Phương pháp lý thuyết bao gồm:
- Sử dụng lý thuyết phiến hàm mật độ trong xấp xỉ gradien tổng quát, và
phương pháp k.p để nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc vùng năng lượng trong
quá trình hình thành tinh thể hợp kim Si1-xGex.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

tiếp tạo ra cặp điện tử lỗ trống tại vị trí giữa điểm  và L trong vùng
Brillouin đối với vật liệu bán dẫn hợp kim nano Si1-xGex có x thay đổi từ
0,2 ÷ 0,8.
- Đã giải thích sự phát xạ kém của các nano SiGe trong mạng nền SiO2 chế
tạo được thông qua các nghiên cứu quá trình hồi phục nhanh của các hạt tải
điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học.
- Kết quả nghiên cứu và tính toán cấu trúc vùng năng lượng theo phương
pháp DFT- GGA phù hợp với tính toán dùng phương pháp k.p. Kết quả này
đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích tính chất vật lý của vật liệu
hợp kim nano SiGe.
8. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm có 126 trang, trong đó có 68 hình vẽ, đồ thị và 09 bảng
biểu, 127 tài liệu tham khảo. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được
chia thành 4 chương, cụ thể như sau:
Chương 1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn Ge và Si
Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu
Chương 3. Các đặc trưng vật lý của vật liệu
Chương 4. Ứng dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ và phương pháp k.p
trong nghiên cứu vật liệu

Chương 1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn Ge và Si
Nội dung chương 1 gồm những kiến thức tổng quan về các vấn đề
nghiên cứu xuyên suốt trong luận án, gồm ba phần kiến thức chính như sau:
Thứ nhất: Tổng quan về đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng và quá trình
tái hợp phát xạ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn.
Thứ hai: Tổng quan về tính chất vật lý, cấu trúc mạng tinh thể, cấu trúc
vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn Si, Ge và SiO2.
Thứ ba: Tổng quan về vật liệu có kích thước nano và các hiệu ứng xảy
ra trên vật liệu, khi vật liệu có kích thước nano.


Si (at. %)

Ge (at. %)

O (at. %)

M1 (x = 0,2)
M2 (x = 0,4)
M3 (x = 0,6)
M4 (x = 0,8)

45,5
41,1
35,9
29,7

4,9
10,2
17,3
23,9

48,7
47,7
45,9
45,8

- Kết quả cho thấy, các đỉnh tán xạ năng lượng đặc trưng cho các nguyên tố
Si, Ge, O đều xuất hiện trong mẫu được phún xạ;
5


ứng với các mode dao động
của liên kết Ge-Ge, Ge-Si, Si6

Hình 3.4 Phổ tán xạ Raman của tinh thể
hợp kim Si1-xGex với x = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8
được xử lý nhiệt tại 1000 oC, trong môi
trường khí N2 với thời gian 30 phút


Si tại các bước sóng 300, 400, 500 (cm-1) của vật liệu Si1-xGex;
- Đỉnh tán xạ càng rõ nét khi tỉ phần vật liệu lớn do có thể do sự kết tinh
tốt hơn, kích thước hạt lớn hơn;
- Có sự dịch đỉnh mạnh về phía năng lượng lớn hơn khi thành phần vật
liệu lớn điều này cũng đã được mô tả và nghiên cứu trong nhiều tài liệu.
Sự dịch chuyển của đỉnh tán xạ này do hàm lượng Ge tăng lên và hàm
lượng Si giảm, tương ứng với số mode dao động ứng với liên kết Ge-Ge
tăng, và Si-Si giảm đi trong hợp kim Si1-xGex.
3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần Ge lên sự hình thành tinh thể
hợp kim
Trong vật liệu hợp kim Si1-xGex khi thành phần hợp kim x thay đổi từ
0,2 ÷ 0,8 kéo theo các tính chất, kích thước tinh thể hợp Si và Ge cũng thay
đổi. Sự thay đổi này được thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu
M1, M2, M3, M4 tại nhiệt độ ủ 1000 oC với thời gian 30 phút (hình 3.5).
Hình 3.5 Giản đồ nhiễu
xạ tia X của tinh thể hợp
kim Si1-xGex với x = 0,2;
0,4; 0,6 và 0,8 tại nhiệt
độ ủ 1000 oC, trong môi
trường khí N2 với thời


phần Ge trong hợp kim tăng (x tăng) tại nhiệt độ ủ 1000 oC, được thể hiện
trong hình 3.7.
5.70

16

Si1-xGex
Tñ= 1000 C

5.60

5.55

5.50

5.45

5.40

0.2

0.4

Si1-xGex

14

0

KÝch th-íc h¹t tinh thÓ D(nm)


Thµnh phÇn x trong Si1-xGex

Thµnh phÇn x trong Si1-xGex

Hình 3.6 Sự thay đổi của hằng số
mạng (a) theo thành phần x

Hình 3.7 Sự thay đổi kích thước hạt
tinh thể (D) theo thành phần x

Khi giá trị thành phần x tăng lên, nghĩa là hàm lượng nguyên tố Ge
trong hợp kim Si1-xGex tăng, kích thước hạt nano tinh thể và hằng số mạng
của tinh thể hợp kim Si1-xGex cũng tăng. Để thấy rõ sự thay đổi của hằng số
mạng (a) và kích thước hạt tinh thể (D) của hợp kim nano Si1-xGex với các
mẫu xử lý ở cùng nhiệt độ 1000 oC, khi thành phần x tăng từ 0,2 ÷ 0,8. Với
thành phần x thay đổi từ 0,2 ÷ 0,8 thì hằng số mạng (a) của tinh thể hợp
kim tăng tuyết tính theo hàm lượng Ge lần lượt đưa vào trong tinh thể hợp
kim Si1-xGex. Giá trị của hằng số mạng của tinh thể hợp kim này tăng dần
trong khoảng từ hằng số mạng aSi = 5,431Å và aGe = 5,651 Å.
3.1.4 Phân tích cấu trúc tinh thể hợp kim Si1-xGex
Hình thái cấu trúc và pha của tinh thể nano hợp kim Si1-xGex được quan
sát trực tiếp và phân tích chi tiết thông qua phương pháp hiển vi truyền qua
phân giải cao (HR-TEM) và nhiễu xạ chọn lọc vùng điện tử (SAED). Hình
3.8 là ảnh TEM của mẫu M4 (x = 0,8) ủ ở 1000 oC. Dễ dàng nhận ra sự
hình thành các hình cầu nhỏ (đốm đen) với kính thước khác nhau dao động
8


trong khoảng 5 ÷ 14 nm trên nền SiO2, tương ứng với các hạt nano tinh thể

Si1-xGex khối có hàm lượng Si thấp thì cấu trúc của dải năng lượng thể hiện
sự đối xứng giống như Ge khối.
Khi xem xét cấu trúc dải năng lượng Ge, tác giả thấy rằng năng lượng
chuyển đổi trực tiếp ở vùng gần 2 eV được xác định là E1, vùng gần giữa
điểm Γ và L [6]. Ba chuyển đổi trực tiếp khác dưới 5,0 eV cũng được xác
định là: E0 ≈ 0,8 eV và E0’ ≈ 3,5 eV tương ứng với sự chuyển đổi trực tiếp
tại điểm Γ (k = 0). E2' ≈ 4,2 eV là sự chuyển tiếp trực tiếp gần điểm đối
xứng X. Trong sự hình thành tinh thể nano, hiệu ứng lượng tử gây ra khác
9


biệt và có sự chuyển đổi đáng kể của tất cả các mức năng lượng. Thông
thường, hiệu ứng lớn nhất dự kiến xảy ra ở các dải vùng có độ cong lớn
trong nhóm cấu trúc vật liệu khối, tương ứng với khối lượng hiệu dụng nhỏ.
Trong trường hợp của vùng chuyển đổi trực tiếp E1, các vùng dẫn và
vùng hóa trị ở từ điểm L và Γ trong không gian véc tơ sóng k là song song,
tức điện tử và lỗ trống có cùng khối lượng hiệu dụng tương đương. Điều
này làm tăng sự chồng chéo không gian, dẫn đến sự gia tăng nhiều các dao
động. Như vậy, xác suất chuyển đổi sẽ không phụ thuộc nhiều vào kích
thước hạt đơn tinh thể.
Hệ số hấp thụ quang học trong quá trình chuyển đổi trực tiếp có liên
quan đến năng lượng hấp thụ photon được xác định qua biểu thức Tauc:

 h 

2

 A  h  Eg 

(3. 3)


hằng số mạng của tinh thể tinh khiết Ge là aGe = 5,651 Å. Với các mẫu M1
÷ M3 ( x = 0,2 ÷ 0,6), tác giả thấy giá trị năng lượng trong chuyển dời trực
tiếp E1 tăng theo nhiệt độ ủ. Rõ ràng, sự gia tăng thành phần của Ge, làm
thay đổi hằng số mạng a, như thể hiện trong hình 3.6, cũng ảnh hưởng đến
cấu trúc dải năng lượng của hợp kim tinh thể nano Si1-xGex.

Hình 3.16 Năng lượng chuyển đổi trực tiếp E1 của
mẫu M1, M2, M3 và M4 ở các nhiệt độ ủ

3.3 Sự vận động của các hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích
quang học
3.3.1 Sự phát xạ huỳnh quang của vật liệu
Phương pháp nghiên cứu hiệu suất huỳnh quang, nghiên cứu hiệu suất
phát xạ huỳnh quang của hệ mẫu theo các bước sóng kích thích khác nhau.
Màng mỏng chứa hợp kim nano đơn pha Si1-xGex, sau khi chế tạo M1, M2,
M3 và M4 được xử lý tại các nhiệt độ 600, 800 và 1000 oC. Trước hết, phổ
phát xạ huỳnh quang của vật liệu được nghiên cứu.
Hình 3.17 (a), (b), (c) và (d) dưới đây là hình ảnh phổ huỳnh quang của
các mẫu M1, M2, M3 và M4 đo tại nhiệt độ phòng với bước sóng kích
thích là 532 nm. Qua hình 3.17, ảnh phổ huỳnh quang, tác giả thấy sự phát
quang của các mẫu nếu có là yếu. Với cường độ phát quang của các mẫu
M1, M2, M3 và M4 thu được từ phổ huỳnh quang, tác giả nhận thấy rằng
việc chứng minh các hiệu ứng xảy ra trên vật liệu bằng phương pháp khảo
sát hiệu suất huỳnh quang của hệ mẫu trên là không khả thi.
11


0.0010


C-êng ®é (a.u)

(b)
MÉu M1

0.0008

8000

9000

10000

6000

7000

8000

o

B-íc sãng (A )

0.0010

10000

0.0010

(c)

0.0000

0.0000
6000

7000

8000

9000

10000

6000

o

7000

8000

9000

10000

o

B-íc sãng (A )

B-íc sãng ( A )

lượt là  1  600 fs,  2  12 ps và  3  15 ns,
tương đương quá trình (1),(2) và (3)

3

I  t    Ai .et  i

(3. 2)

i 1

Biên độ kết hợp của các thành phần có sự suy giảm nhanh (1) và (2) ứng
với thời gian là τ1 ≈ 600 fs và τ2 ≈ 12 ps thì lớn gấp 5 ÷ 10 lần so với biên
độ của thành phần suy giảm chậm (3) ứng với thời gian là τ3 ≈ 15 ns. Điều
này có nghĩa là hầu hết các hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích
quang học sẽ biến mất trong vài pico giây. Thành phần suy giảm chậm ứng
với thời gian sống của các hạt tải τ3 ≈ 15 ns có thể đến từ sự hồi phục của
cặp điện tử - lỗ trống (e - h) cuối cùng trong các hạt nano SiGe theo như lập
luận của Schaller, Trinh và các đồng sự [72], [78]. Mặc dù vậy nằm, thời
gian sống này nằm ngoài khoảng thời gian khảo sát là 3500 ps nên có thể
gây ra các sai số lớn.
Các thành phần điện tử hồi phục nhanh hơn τ1 ≈ 600 fs, và τ2 ≈ 12 ps,
của các hạt tải điện hạt tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học
thường xuất phát từ các quá trình vật lý như quá trình bẫy hoặc sự tái hợp
điện tử Auger của các exciton.
Phổ hấp thụ cảm ứng thu được trong phép đo hấp thụ cảm ứng, được
thực hiện bởi chùm bơm với các photon năng lượng cao (3,6 eV ) có khả
năng sinh ra nhiều cặp exciton [54], [72], [78]. Tái hợp điện tử Auger, có
thể được tìm hiểu bằng cách so sánh các khoảng thời gian ở các cường độ
kích thích khác nhau và năng lượng [78]. Trong thực tế, việc tái hợp Auger

3.3.3. Cơ chế bẫy hạt tải nóng
Như đã được giới thiệu một kênh hấp thụ cảm ứng bổ sung được đề xuất
là nguồn gốc cho sự gia tăng của cường độ hấp thụ cảm ứng theo năng
lượng. Sự phụ thuộc của năng lượng ngưỡng (Engưỡng ) trên hợp kim SiGe
với các thành phần khác nhau đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy năng
lượng ngưỡng được xác định có giá trị thay đổi không nhiều trong khoảng
1 eV, và không phụ thuộc vào thành phần Si, Ge trong hợp kim nano tinh
thể Si1-xGex.

14


Hình 3.20 Năng lượng ngưỡng về kênh
hấp thụ bổ sung của các hạt tải điện
được sinh ra trong quá trình kích thích
quang học, trong hợp kim nano tinh
thể Si1-xGex với các thành phần khác
nhau ( x = 0,2; 0,6; 0,8)

Tác giả cho rằng các tâm bẫy (mức khuyết tật) hạt tải đến từ các khuyết
tật phổ biến trong loại vật liệu này do sự khác biệt về hằng số mạng giữa Si
và Ge (~ 4%). Đối với các mức năng lượng nằm sâu trong vùng cấm không
thể tham gia vào quá trình suy giảm nhanh của các hạt tải điện bởi quá trình
này đòi hỏi có sự tham gia của nhiều hạt phonon (quá trình tái hợp không
phát xạ). Chính vì vậy quá trình bẫy hạt tải điện nhanh xảy ra ở khuyết tật
nằm ở biên giới giữa tinh thể nano và mạng nền SiO2.
Độ rộng vùng cấm của tinh thể nano sẽ tăng lên khi kích thước tinh thể
giảm đến kích thước nano. Do hiệu ứng giam cầm lượng tử, các mức
khuyết tật trong vùng cấm sẽ thay đổi, khi đó năng lượng ngưỡng rất có thể
sẽ thay đổi, điều này hoàn toàn khác với kết quả nghiên cứu. Tác giả không

Trong quá trình đầu tiên, các cặp điện tử - lỗ trống ở vùng dẫn (CB) và
vùng hóa trị (VB) của tinh thể nano được tạo ra bởi chùm photon của xung
bơm (kích thích) với năng lượng 3,6 eV, quá trình (I). Sau đó, một vài hạt
tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học chuyển xuống các trạng
thái thấp hơn trong lõi tinh thể, trong khi một số hạt tải điện sinh ra trong
quá trình kích thích quang học khác bị giữ ở lại các trạng thái bẫy D. Quá
trình xảy ra trong khoảng thời gian ps, quá trình (II). Trong quá trình này,
có thể có một vài phonon (nћω) được sinh ra để bảo toàn năng lượng.
Khoảng năng lượng (ΔE) là sự khác biệt năng lượng giữa các trạng thái bẫy
D và vùng dẫn (CB) của mạng nền SiO2. Khi năng lượng chùm dò Edò

Ge trong cấu trúc Si - Ge (50%
Hình 4.1 Sự phụ thuộc tổng
Si và 50% Ge ). Kết quả tính
năng lượng vào Ecut
toán sự phụ thuộc TNL vào Ecut
được mô tả trên hình vẽ 4.1.
Kết quả cho thấy, TNL hội tụ dần về giá trị xác định khi Ecut lớn dần.
Giá trị có thể thấy phù hợp tương đối tốt ở đây là Ecut = 30 Ry. Như vậy,
đối với việc phân tích cấu trúc tinh thể, giá trị này có thể chấp nhận được
trong bài toán của tác giả.
Khi phân tích cấu trúc vùng liên quan đến hấp thụ và phát quang của
tinh thể, yếu tố quan trọng nhất được xem xét là biên của vùng dẫn và
vùng hóa trị, do đó độ rộng vùng cấm được nghiên cứu. Tác giả trình bày
các kết quả tính toán biên vùng dẫn và biên vùng hóa trị trên hình 4.2; 4.3
và độ rộng vùng cấm trên hình 4.4 như là hàm phụ thuộc vào Ecut.
17


Hình 4.2 Sự phụ thuộc vùng dẫn
thấp nhất vào Ecut

Hình 4.3 Sự phụ thuộc vùng hóa trị
cao nhất vào Ecut

Như vậy, trong trường hợp này sự hội tụ đạt được khó hơn đối với tổng
năng lượng ở trên. Cả vùng dẫn nhỏ nhất và vùng hóa trị lớn nhất hội tụ
dần khi Ecut lớn hơn 62 Ry. Điều này có nghĩa rằng, để đảm bảo sự hội tụ
tốt Ecut cần lấy giá trị lớn hơn 62 Ry. So sánh với kết quả Ecut cho phần
tổng năng lượng ở trên, sau đây tác giả chọn giá trị Ecut cố định là 62 Ry
cho các phép tính về sau.

cấu trúc tinh thể, giá trị điểm chia
k = 6 này là giá trị có thể chấp nhận được trong tính toán của tác giả.
Khi phân tích cấu trúc vùng điện tử, yếu tố quan trọng nhất được xem
xét là các biên của vùng dẫn, vùng hóa trị, và độ rộng vùng cấm. Vì chúng
liên quan đến hấp thụ và phát quang của tinh thể. Tác giả trình bày các kết
quả tính toán năng lượng ở biên vùng dẫn và biên vùng hóa trị trên các hình
4.6; 4.7 và độ rộng vùng cấm trên hình 4.8.

Hình 4.6 Sự phụ thuộc vùng dẫn thấp
nhất vào số lượng điểm chia k

Hình 4.7 Sự phụ thuộc vùng hóa trị
cao nhất vào số lượng điểm chia k

Chúng phụ thuộc vào số lượng điểm chia k. Như vậy, trong trường
hợp này sự hội tụ đạt được khó hơn đối với tổng năng lượng ở trên. Cả
cực tiểu vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị sẽ hội tụ dần khi số lượng
điểm chia k lớn hơn 6.
19


Điều này có nghĩa rằng, để
đảm bảo sự hội tụ tốt cho các
tính toán cấu trúc điện tử số
lượng điểm chia k cần lấy giá
trị lớn hơn 6. So sánh với kết
quả số lượng điểm chia k cho
phần tổng năng lượng ở trên,
tác giả đã chọn giá trị số
lượng điểm chia k cố định là 6

với x = 0,3125 phụ thuộc thể
tích ô cơ sở (đơn vị nguyên tử).
Điểm “•” là kết quả tính toán sử
dụng DFT-GGA, đường cong
liền nét thể hiện các điểm tính
toán được khớp bằng phương
trình trạng thái Murnaghan

20


Hình 4.10 mô tả kết quả tính
toán từ phương trình (4.2) cho
trường hợp cho trường hợp thay
5 nguyên tử Ge bởi 5 nguyên tử
Si (ứng với x = 0,3125). Như
vậy đường cong liền nét cho
thấy sự phù hợp tốt giữa kết quả
tính toán lý thuyết DFT-GGA và
phương trình (4.2). Giá trị của
mô đun khối được tính toán
đồng thời nhờ phương trình
(4.2). Cực trị của đường cong
liền nét này cho thấy tinh thể có
thể tồn tại ở trạng thái có giá trị Hình 4.11 So sánh kết quả hằng số mạng
thay đổi theo thành phần x trong hợp kim
năng lượng nhỏ nhất. Khẳng
Si1-xGex giữa tính toán lý thuyết DFT –
định về sự tồn tại của tinh thể
GGA và kết quả thực nghiệm

spin quỹ đạo [49], [69]. Chi tiết về các thông số định nghĩa để đạt được
nghiệm tự hợp hội tụ giống như trên là Ecut = 62 Ry và lưới các điểm k
trong vùng BZ là 6x6x6 theo sơ đồ Monkhorst – Pack như đã mô tả ở mục
4.1.1.
Để đơn giản, tác giả bắt đầu từ cấu trúc Si1-xGex với x = 0; 0,5; 1. Kết
quả tính toán được trình bày trên hình 4.13. Từ đó, ta có thể thấy rằng khi
thành phần x thay đổi thì độ rộng vùng cấm thay đổi rõ ràng. Ở biên vùng
hóa trị gần năng lượng Fermi, sự thay đổi của cấu trúc vùng năng lượng là
nhỏ. Điều này cho thấy sự tương tự của vùng hóa trị của Si, Ge và
Si0,5Ge0,5.
Vùng dẫn có sự thay đổi rất mạnh. Để chứng minh rõ sự thay đổi này,
tác giả đã tính toán các cấu trúc vùng điện tử với Si1-xGex theo các giá trị x
= 0,0625; 0,1875; 0,3125; 0,4375; 0,6250 và 0,8125 cấu trúc tinh thể ứng
với các giá trị này đã được mô tả và thảo luận ở trên. Kết quả được trình
bày với trường hợp Si1-xGex với x = 0,0625 và x = 0,6250 trên hình 4.13.

Hình 4.13 Các đường màu biểu diễn cấu trúc vùng điện tử của Si 1-xGex
siêu mạng, với x = 0,0625 (màu đỏ) và x = 0,6250 (màu đen)

Trên hình 4.13, dễ dàng quan sát thấy cực tiểu vùng dẫn xuất hiện (được
chỉ rõ bằng mũi tên đen), cực tiểu vùng dẫn dịch chuyển từ từ sang điểm Γ
khi thành phần x tăng lên. Để xây dựng, tác giả cũng sử dụng phương pháp
k.p mô phỏng lại cấu trúc của Si1-xGex [19], [29] hình 4.14.
22


Hình 4.14 Các đường màu biểu
diễn cấu trúc vùng điện tử của
hợp kim nano Si1-xGex tính bằng
phương pháp k.p với x = 0,0625


với thành phần x thay đổi từ 0,2 ÷ 0,8 đã được chế tạo đáp ứng
yêu cầu thí nghiệm;
Hợp kim Si1-xGex chế tạo được với các thành phần x từ 0,2 ÷ 0,8 có
cấu trúc tinh thể kiểu mạng kim cương với kích thước hạt dao động
trong khoảng từ 3 ÷ 14 nm, được xác định qua các phép đo XRD, Hấp
thụ, Raman, TEM, HR-TEM và SAED. Hằng số mạng tinh thể hợp
kim Si1-xGex tăng tuyến tính theo hàm số thành phần x của Ge từ hằng
số mạng của Si (aSi) đến hằng số mạng của Ge (aGe). Từ phổ hấp thụ
thu được của hợp kim nano Si1-xGex, đã quan sát thấy năng lượng của
quá trình hấp thụ trực tiếp tạo ra cặp điện tử lỗ trống tại vị trí giữa
điểm 𝛤 và L trong vùng Brillouin. Kết quả này góp phần bổ sung các
kiến thức còn mới trong việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các
sản phẩm trên cơ sở nano tinh thể SiGe. Cụ thể ở đây là quá trình hấp
thụ và tái hợp của các cặp điện tử và lỗ trống trong vật liệu bán dẫn
hợp kim nano Si1-xGex;
Các tâm bẫy hạt tải điện với năng lượng ion hóa khoảng 1 eV đã được
xác định bằng phương pháp bơm - dò. Quá trình hồi phục của các hạt
tải điện sinh ra sau quá trình kích thích quang học là tổ hợp của 3 hàm
mũ ứng với 3 thời gian sống khác nhau của các hạt tải điện. Giá trị này
được xác định lần lượt là là τ1 ≈ 600 fs, τ2 ≈ 12 ps, và τ3 ≈ 15 ns ứng
với mẫu Si0,2Ge0,8. Sự hồi phục nhanh của các hạt tải điện liên quan
đến các tâm bẫy ở biên hạt SiGe và mạng nền SiO2. Điều này đã giải
thích sự phát xạ kém của các nano SiGe trong mạng nền SiO2;
Đã sử dụng phương pháp DFT - GGA và phương trình trạng thái
Murnaghan thực hiện các tính toán, phân tích tinh thể đơn pha Si1-xGex
với các giá trị x khác nhau, tác giả đã thu được sự bền vững tương đối
của các hạt nano được tạo thành. Các nguyên tử của tinh thể mới dịch
chuyển về các vị trí cân bằng và thiết lập trạng thái ổn định với giá trị
hằng số mạng nằm trong giới hạn của Si và Ge. Các tính toán cho mô