TẬ P CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC TỎNG HỢP HÀ NỘI. VẬT LỶ, s ố I. I98fi <
X&Y DỰ NG HỆ BO CẤC P H Ố BIẼN ĐIỆU CỦA P H Ố QUANG HỌC
LÊ KHẮC BÌNH - LÊ HỒNG HẢ NGUYỄN NGỌC LONG - NGUYẺN TIẾN SỜN T ừ khi L. VKeldysh(l) và w . Franz (2) tính toán ả n h hưông của đ i ệ n K rư ờ ng lên bờ hấp thụ của các chất bán dẫn và điện môi, nhiều nhà nghiên c ứ u tim cách thề hiện điềa đó bẳng thực nghiệm. Đáng chd ỷ là công trinh của B ; 0 , S e r a p h n (3) ô n g ta tạo một điện trường biến thiên tuần hoàn t rên mặt mẫo Ge
•và đ o sự thav đôl của hệ sổ phản xạ theo bước sóng. Kết q u ả thu đưọrc có s ự h ẫ p d ẫ i lớn và thực sự đã mờ đàu cho một ngành mởi của vật lỷ chát rắn. Đ6 ỉà n g à ni phồ học biển điệu (Modulation spectrospy). Thực chẫl của p h ư ơ n g pháp' n à y là lùng các nhiễu loạn bén ngoài n hư nhiệt độ, áp suất, đi ên Irường... đ ề l à m thíy đối một cách tuầu hoàn hằng số diện môi của vật liệu do đò làm thay đ ồi curc-ng độ sáng truyền qua mẫu ròi dùng kỹ thuật lách sóng đòng bộ đè ghi các ph? biến diệu đó. Các phô này chứa nhièu cấu trủc là m cho YÌệc nghiền c ứ u tính chít q ua ng cùa các chát bản d ẫ a điện thuậa lợi hơn nhiều so vời các ph&
há p thụ ha y phả n xạ thông thường. Đo những ưu điềm nôi bật của phươ ng p h á p t r on g a ộ t thời gian tưang đổi ngắn nhièa nhà bác học đã dồa sức vào n hanb -chÓDg l o à n thiện lỷ thuyổt và đề ra nhièu p h ư ơ n g pháp thực nghiệm m ò i
T ấ tc ỏ H ệ u q u ả . Nhờ vậy, ngành phố học biến điệu đã là một trong n h ữ n g lĩnh
^ ự c đ ư r c pháttrièn rất nhanh của vật lý chất rắn. Nó đă đóng vai trò q ua n trọng trong T.ệc nghiên cứu tìm hiều cấu trúc vùognă ng lượng của^cảc chẫt bán d ẫ n I r o n g những năm gần đây.
Trcng bài này, chúngtồi trinh bày k ếtquẳ của việc xây dựng hệ đo c á c p h ồ biến điặu của các phồ quang học mà nhòm nghiên cứu « ri n h chất q ua ng của cảc c h â bán dẫn điện® thuộc Khoa Vật lý trường Đại học Tông hợp Hà nội đ ã t i ế n h à ih trong những năm qua. Những k ếl quả Dghièo cứu trén các v ậ t l i ệ u
cụ thè tẽ được trinh bày ở bài sau.
I - Cơ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP BIẾN BiỆU
Biễi thức tòng quát của hằng »ố điệa môi phức cho chuyền m ức được p h é p g iữa các vùng ở điẽtn tỏri hạn M„ D,. hay p, Irong tinh thề n chiều cỏ thề vỉét
<lưới d i n g (4):
w g + ir
e (o)) = i'-"
c„ f1 2 dt (1)
0
I X
)r o n g đố c , = ate* I êMií I ^ Í
^ _ 2e* I eMif \ ^ / 4ụ, ụ.2\l
— ( h ĩ ^ r i eMif I 2 / 8n;iX2P3 V
m2o)2
I ^t^:^2p3 V
( p
M, D và p t ương ứ n g biêu thị cho điẽm lới hạn 3 chiẽu, 2 chiều và niệ)t chiều Loại điềm tới hạ n đ ư ợ c đặc t r ư n g b ả i chĩ s6 r. ở đáy sự mỏf r ộ ng cỉia năn g; lượn^
đ ư ạ c đặc trưng bởi thòng số L o r e n t z r.
T ừ (1) có Ihễ suy ra biếu t hức quen thuộc của e gần các đ iề m tói h ạ n Mr
r + 1 Ị_
e ( o . ) ~ i (o)— tóg + i r ) 2 ~ i ' [ — a>3 í —X) + iOy (X)]
(
2]
troĐg đỏ 4>3 (X) =
2 (X + ự x=^4- 1)
X = co„
T ư ơ n g tự, có the suy cho t r ư ờ n g hợp hai chiều
e ( w ) ~ r + ^ log(to — (I)g+ i r ) ~ f o ^ i x ) + icbjix)]
với o ’ (x) = - ~ log (x* + 1)
I Zlt
(3)
— tg->(x)
2 3Ĩ
Tà mộ! chiều
£ ( a , ) ~ i ^ + i ( c o - a . g 4 i r ) - T ~ i ^ |« l ) l ( - x ) + i c |) , ( X ) ] (4)
I r o n g đó í>,(x) =
Tìr (2), (3^ Tà (4) cỏ thề thấy hẳng số điện môi bị tbay đồi bf/i cíuc nhiễi lo ạn bê n Dgoài ní>o làm thay đồi (1), U)g và r . Như vậv, ta có thề t h ự c Ihiện cát p h ư ơ n g p b á p b i ể n điệu s au:
— Biến điệu b ằ D g bưởc só ng: làm tbay đôi năng lưựng của pbotom tlo);
— Biến-điệu bSiignbiệt đ ộ : l i m thay đồi năng lirợng ứng vứi đ i e m tởi hại tlũOg v ả t hông s6 m ờ rộng r ;
— Biến điệu bẳng áp s uất : làm thay đối fi(Og.
Khi có lác d ụn g cỉiacác nhiễu loạn n ày , linb luàn hoàn của m ạ n g tiinh thỉ k b 6 n g bị íhav đồi. Do dò xiinji lượng được bảo loàn và các c h uv ền iMirc quaiif v ẫ n Jà thẳng tuy n g ư ữn g năng lirợng khi có nhiễu loạn cỏ thay (ỉối ch út u. V s ự t ha y đồi nà y I hư ờn g rẫl n h ỏ so với độ rộng của vùng cẫm n ê n s ự ttbay đồ c ủ a £ do nhiễu ỉoạn cbỉ ở bậc nbđt và gân đúng có Ibề biều thị h ẳ n ^ đ ạ o hàix
bộc nhẫt cùa bằng số điện m ỏ i khi khổDg có nbiễu loạn.
J4
Ngiài các thòng sổ kễ trên, người ta còn dừng điện trirừng đễ biến điệu c á c ihô <qu Iig học. Khi đặt điện t r ư ờ n g E l ềa linh t hề , sự bất biến tịnh tiến của Iiimiiltinian theo chiều của điện t rường kh ôn g còn n ữ a do cố Ihêm sổ h ận g e E r Điện t ỉ bị gia tốc và xung lượng của nó theo chiều của đ i ệ a t r ư ờ n g k h ô n g đ i r ợ c bảo Itom. Bièu đó lạo khẳ nă ng chuj'In m ứ c t ro n g một k hoà ng nhất định của v e c t a smg. Do iĩỏ, cấu trúc của bằng số đ i ệ n mòi bị nhòe đi l à m cho phố biến điện phVc tạp hơn, gồm có các đình ầm và dương. Dạng phô n h ư vậy chỉ có thề đ ir ợc gn i thích bẳng các đạo bàin bậc cao cùa h ằ ng số điện m ô i k hò n g bị n h i ễ u k o ạ n . T ong g i ớ i hạn diện t r ư ờn g yểu. các phô đó có thề biều thị gần đ ủng bẳ ng
iđạo h à n bậc 3 của hằng s6 điện môi khô n g bị n hiễu loạn (5).
II - XÂY DỰNG HỆ 90 CẤC PHỒ BIẾN BIỆN 1. l i ế n d i ệ n b â n g đ i ệ n t r ư ò r n g
Nhr đã biết, cường độ sáng I sau mẫu liên hệ với c ường độ sáng tới (khi (khon g cĩ giao thoa t rên mẫu) theo công thức.
1 = 1„(1—R2) e x p - a d
t r o n g đ) R và a l ương ứng là hệ s6 phẳn xạ và hệ sổ hấp thụ của mẫu v à d là -chiều diy của mẫu.
Khicó nhiễu loạn (nhiệt độ, áp suất, điện trường...) tác dụng lên mÃu, nói ichung I và a đều bị biến đôi. Sự biến thiên của c ư ờ n g độ sáng sau mẫu A l s S ỉ à
Ạ L _ _ ^ 4 ^ _
d . A > .I 1 - H R
Th ô ng b ư ờ n g s6 hạng t hử nhăl của r ế phài rắt nhỏ hơn số hạng t h ứ hai, nê n g ầ n đ ú i g có thề vi ết
1 A I I
N h t vậy, m u ố n b i ế l sự Ihay đồi của hệ sổ h ấp thụ d ư ở i lác dụng của n b i ễ u lo ạn t a ^ h ải đo I và Al- t h ự c hiện đièu đổ. chúng tôi bố tri thí nghiệm như-
PỞ h i n h l . n g u ồ n s á a g l à đ è n c ỏ b ả n V ô n f r a n đ ư ợ c n u ô i b ằ n g n g u ồ n đ i ệ n ô n á p
một chiìu. Sau khi qua má y đơn sẳc SPM —2, *nh sảng d ơ n 8ẳc đirợc hội to lên mẫu. tri yền qua m ỉ u và đến Ốn{Ị nhân quang đ iệ n. Nếu điện trường (hay nbiễu loạn nói chung) tảc dụng lên mẫu biến thiên m ộ t cách tuần ho àn thì tín hiệu đ i ệ n ò' lối racủa ống nhân quang điện sẽ cỏ bai t h à n h phần. T h à n h phân một c h i ề a tỷ lệ vói cường độ sảngl sau mẫu và thành p h ầ n xoa y chiều tỷ lệ với độ biến Ihién của cường độ sáng Al. Nói c hung khi bước s ỏng cùa ả nh sáng thay đôi thi cà 1 lẫữ A l đều thay đồi. Như vậy, ở mỗi b ư ớ c sóng ta phẵ i đồng thời đo I và y \ l rồi hực hiện phép chia sau dó. Đễ thuận lợi cho phép đo, trên thực tế n g ườ i tu đ ã dùng nhiều biện pháp khác nhau đẽ g i ữ cho 1 k hô n g đôi khi bư ớ c sòng
« ủ a áuh sáng thay đôi. Chúag tòi đã thực hiện điều đỏ n h ờ các mạch đ i ệ n t ử 15Ù
t h e o
nguyèn tắc sau. Thông thưdrng I » A I thành phằn một chiẽu đưọrc kbnếcl iđạỉ lẻn đề khỗng cbế thẽ nuổi ổng nhân quang điện. Mạch khồng chể c6 nhiệm
v ụ làmgiảm tbẽ nuôi kbi 1 tăng và agược lại.
Hlnh 1 — Sơ đò kh6i hệ đo các phô biến điệu.
1 — Nguòn nuổi ồn á p một chiỄu; 2 — Máy đơn sẳC; 3 — Máv phá t ảtntàr 4 — Bộ tạo xung vuông gỏc; 5 — Buồng lạnh và mẫu đo; 6 — Ờn g nhân ; quang đ i ệ n ; 7 — Nguồn nuôi ỗn áp cao thể ; 8 — Bộ khống chẽ 1 khiông đồi 9 — Bộ biến bước sống t h à n b tín hiệu đ i ệ n ; 10 — Máy k b u yí c b đại lOLock-in.
11 — Tự ki hai trục X—y.
Hỉnh 2 cho tháy khả năng gi ữ I không
đ ồ i t h e o b ư ớ c s ỏ i i g c ủ a m ạ c h đ i ệ n
tử do chủng tòi lắp khá tốt.
Thành p h àn xoay chiều s.au ống n h ả n q u a n g d i ệ n đ ư ạ c k h u ểc h đại l ọc lựa và tách sóng đ òng bộ t r ẽ n máy L o c k - i u A u i p l i í i e r 9501 ( H r00'k-deal>
rồi đ ưa vào m á y tự ghi hai I r ụ c PM 8120 (Philips). Vì I đirợc giữ không đôi trong su6t quá Irình đo, p h ô ghi đ ược trèn má y cho ngay d ạ n g của phò biỂn điệu Aa.
ĨOII sro
Hình 2 —Minh bọa khả r ă n g g i ữ thành
Hình 2 - Minh bọa khả r ă n g g i ữ thành Đè tránh lũy triing b ì n h theo t r ư ờ n g có thề gây khó k h â n khi so điện tử đă I?ip.
A « 1 'TI U ' . ’ I* '• • s á n h v ớ i lỷ t h u ỵ ế t , c h u n g tởi đ ặ t đ i ệ n Đ ư ò iig 1 — Tjn hiệu l y ] ệ \ ớ i cir ò n g dộ ĩ , • 1________ A ,
, , V J , s V c . - V _ I I . Z I I ư ò n e l ê n mâu clirỏi (lạng xuDgvuòníí
sống I triiyèii qi Í1 n;ẫu GaSe gằn bờ hấp , ■ ' . » " ,
t l i u c o b a n - góc. Kgoài ra, d è c ó l h ỉ - g b i các phSrV B u è n e 2 - T l n biệu I, ÔI, .a i. kl-i di q u a hệ ''í ” ‘
g iữ cho I khỏng đối. ’ chống và thuận Jọi c h ú r g tôi Hai đ ư ò r ị ! l v à 2 ( i u ạ c g h i ả l h a n g l 0 i T . V / ^ cm c Í K i r í y l ự k i . K i c h l h u ỏ c c ủ a hinh vẽ S a đ ồ n g u v ê n l ý của m ạcb đ ư ợ c ySÍ
đ â d u ợ c Ihu nhỏ liai l ần . Ở h ì n h 3 a . I
V
llinh 3 — Sơ dồ nguyèn lý m ạ c l v t ạ o xung ruỏng góc bậc thang.
Hinh 4 là phô biến điệu bằng điện r ư ờ n g cùa một mẫu GaSe ghi đirợc
;rên máv tự kí của hệ đo. Phô có dạnf*
liên hình đặc t rưng cho quá t r ì n h Ịiảm thời gian sống của exciton trong ỉiện trưò^iig.
2. B i ể n đ i ệ u b â n g b ư ớ c sóng.
Trôn cơ sở của hệ đo t r ê n , bẳng tách làm c ho.bườc sÓDg của ánh sảng
‘r l6i ra của máy đơn Bắc thay đòi một ách luiin hoàn quanh một giá trị xác inh, la cỏ Ihế đo các phô biến điệu lieo birỚJ sóng. Có nhiều cách đễ thực
Các bộ tạo xung vuông góc được kích bởi 1 máy phái âm tần.
Với hệ đo này có thề đơ các phồ biến điệu theo điộn trường và theo nliiệt độ củacác phố truyèn qua t rong khoảng nhiệt độ t ừ 77“K đến n hiệt độ phòng.
Hình 4 — Phồ biến điệu bằng điện t r ư ờ n g Aa của phô háp thụ gần bừ hấp thự cơ bàn của GaSe.
liện sự thay đồi luần hoàn bước sóng, ở đây chúng tôi clìmg cách sau. Tr ước [ e vào của máy đơn sắc đặt một bản mỏng thủy tinh. Nếu mặt của bản mồng chỏng vuòng góc với tia sáng tởi thi khi đi q ua bỉin. tia sáng sẽ bị lệch đi. Nếu óc giữa tia sáng tởi và pháp tuyến với mặt của bản là 0 thì sự dịch chuyền hiệu
ụng đỏ của lia bằng
As = 0. d.
n
ong đ ố n và d tương ứng là chiÈt suẩl và chièu dày cùa bản mỏng.
Bằng cách l àm cho bản mỏng d a o đ ộn g q u an h trựCYUÔng góc vófi chùm sáng tới ở lối ra của máy đ ơn sắc ta được á nh sáng có bưởc sóng thay đồi một cách tuân hoàn quanh một giá trị nào đó. Đẽ thực hiện sự riing bản mỏng chúng tôi dùng một khung dày đặt trong khe lừ. Khung dày được nuôi bằng nguồn điện xoay chiều từ một máy phát âm tàn. Máy phát này đông thời cung cẵp tín hiệu chuần cho bộ phận tách sóng đòng bộ.
Tr ê n hình T) vê lại phô biến điệu theo bườc sóng của phô hấp thụ của Gap có pha tạp Nitơ ghi được tròn má y tự kỹ của hệ đo. T ừ kết quả này có thề thấy phương pháp biến điệu theo bước sóng c ỏ k h ả n ă n g t ô n cấu trúc trên các p hô truyền qua lên răt nhiều.
X (^>»1
h l n h 5 - Phồ truyền quíi T và )hồ bié nđ iệ u theo bước sỏng ìủa các mẫu GaP có pha tạp íitơ.
Tó m lại t r ê n hệ đo các phS biến điệu mà chúng tôi đã xây d ựng đ ư ạ c t rong o h ữ n g năm qua cỏ thề đo cáe phô biến điệu theo điện t r ư ờn g th eo nhiệt độ-
▼à th e o b ư ớ c s ó n g troDg Tùng nhiệt đ ộ từ 77®K đến nhiệt độ p h ô n g tro n g k h o ả n g bưởe sóng từ hồng ngoại gần đến tử ngoại gần. Ngoài r a , t ừ hệ đo n à y chúng tôi đã m ở rộng đề đo cấc phò q u a n g dẫn, phô photovoltaic của c á c chẫt bán dẫn. Bằng hệ đo nà y chúng tôi đã tiến hành n ghiê n c ứu tính
e hắt q ua ng của nhièu h ợ p chất bán dẫn A3B«, và Kết q u ả của những
D g h i ể i Ị c ứ u n à y s ẽ đ ư ự c c ô n g b ỗ ở p h ầ n 2 .
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ke^iốbim, >K3TO, 3^i, 962. 1958.
2. w . Fr anz .
z.
Naturforsch. , 13a, 484, 195S.3. B. 0. S er ap hi n, Proc. 7th Internal. Conf, Pb}s. Seniiconducloi Pa ri s, l£6'í t r a n g 165.
4. Y. H a m a k a w a , T. Nishino t rong quy ền Optical p r o p e r t i e s of So li ds,North H o l l a n d publishing company, 197G, Irang 256.
5. D. E. Aspnes và J.E. Rowe, Phys. Rev. letlers, 27, 188. 1971; Phys. Rev».
B5, 4022, 1972.
XAK BPIHb H iip, n OCTPOEHHE CHCTEMbI u r n H3MEPEHÍÌ5I OnTPi MECKHX M O i i y j l M l i H O H H b l X Cl lEKTPOB
npe;iC TaB ;ieH H p 6 3 y ;ib T aT u cocTaBjiHHH o;iHoii SKcnepiiMeHTa.TBHOii ciicTe- MM AJi a M O A y j i s i n n o u H b i x i i 3 M c p o H i i n OHTH'IOCKIIX c n c K T p o B . ( ' . i i c T e Ma n O 3 B 0 ; i n e T
3anncwBaTb cneKTpu 3;iCKTponor;iouj,ciniH II ciiCKTpbi MOAy.inpOBanHbi j.iiiHOii
BOJIHOii.
L E KHAC BINH a. o. Bl'lLDING OF THE SYSTEM FOJ{ MEASUREMEN^TS OF T H E MODULATED OPTICAL SPECTRUM.
Results on the building of the e x per iment al set up f or me as u ri ne n ts of t he xnodulated optical s pe ct ru m are reported.
The n e w system a llo ws to record the electroabsorption a n d t h e ri n oa l s o r p- t i o a spectrum a n d Ihe s pec tru m modulated by the wa vele ngth.
Nhận ngíty 15-10-l'9.'ị5
15
