لینک پرداخت و دانلود در "پایین مطلب"
فرمت فایل: word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحات:31
مقدمه:
محققان زیادی در سراسر جهان، به مطالعهی نظری و آزمایشگاهی خواص ریزساختارهای اشتغال دارند. اگرچه حجم گزارشها از دستاوردهای آزمایشگاهی در مقایسه با تحقیقات بنیادی بسیار بیشتر است امّا با در اختیار گرفتن کامپیوترهای با قدرت پردازش بالا، مطالعات نظری در مورد نانوساختارها نیز در حال افزایش میباشد. با وجود اینکه در این پایاننامه، بیشتر بر کارهای آزمایشگاهی تمرکز شده، لیکن در ابتدای این فصل، یکی از مطالعات ساده نظری در مورد نانوساختارها یعنی "مقایسه چگالی حالتها در نیمرساناهای سه، دو، یک و صفر بعدی" ارائه
می شود. سپس در ادامه، مبانی آنالیزهائی که در فصلهای آینده از آنها برای مطالعه خواص نانوذرّات بهره گرفته میشود به طورخلاصه معرفی خواهند شد.
2-1 مقایسه چگالی حالتهای نیمرساناهای سه، دو، یک و صفر بعدی
2-1-1 محاسبه چگالی حالتها در نیمرساناهای حجیم
هر الکترون با بردار موج و اسپین S میتواند حالتهای ممکن انرژی که با نشان داده میشوند را با احتمال بین صفر و یک اشغال کند. چون مطابق اصل طرد پائولی، هر حالت کوانتومی حدّاکثر توسط یک فرمیون اشغال میگردد. تابع توزیع احتمال متناظر با این، توزیع مشهور فرمی دیراک است:
چون تابع توزیع به اسپین بستگی ندارد، میتوان نوشت. پارامتر پتانسیل شیمیائی است که در دمای صفر درجه با انرژی فرمی برابر است. در این دما تابع فرمی به صورت زیر تبدیل میشود.
در صورتی که احتمال اشغال تمامی حالتهای ممکن با هم جمع شوند، به دلیل اینکه در هر حالت حدّاکثر یک الکترون میتواند وجود داشته باشد، تعداد کلّ ذرّات N در سیستم برابر است با:
(2-1)
مقدار پتانسیل شیمیائی به گونهای است که در هر دما و انرژی، معادلهی بالا صادق باشد. چگالی حالتها را میتوان با کاربرد معادلهی شرودینگر برای الکترونهای غیر اندرکنشی به دست آورد.
جواب این معادله برای الکترونهای آزاد در یک شبکه تناوبی به حجم به صورت زیر است:
با اعمال شرایط تناوبی "بورن ون کارمن[1] "[81]
مقادیر بردارهای موج و ویژه مقادیر انرژی به صورت زیر به دست میآید:
(2-2)
که مقادیر را اختیار میکنند. از آنجا که بازهی بین دو مقدار مجاز بردار موج برابر است()، در این صورت حجمی از فضای وارون که حتماً یک نقطه را در خود جای داده(شکل2-1) برابر است با
(2-3)
شکل2-1 )نمائی از حجمهای فضای وارون که حتماً یک نقطه را در خود جای دادهاند.
از طرف دیگر میتوان را به صورت روبرو نوشت:
با جانشینی از رابطه 2-3 رابطهی زیر به دست میآید:
به دلیل اینکه با حجم نیمرسانای حجیم نسبت عکس دارد و برای این نیمرسانا، تعداد زیادی از حالتهای الکترونی با فواصل خیلی نزدیک به هم در یک حجم کوچک وجود دارند، تبدیل جمع به انتگرال امکان پذیر است.
عنصر دیفرانسیلی حجم در فضای سه بعدی برابر است. با استفاده از رابطهی 2-1 و با جایگذاری انتگرال به جای و احتساب اسپین، داریم: (2-4)
میتوان انتگرالگیری بر روی k را با انتگرال روی انرژی جانشین کرد.
که در آن، چگالی حالتها وارد شده است. مفهوم چگالی حالتها برای درک پاسخ نوری در نیمرساناها حائز اهمیت است و بیان میکند که بین و چه تعداد حالت قرار گرفته
(2-6)
با استفاده از رابطه 2-2 چگالی حالتها برای یک نیمرسانای حجیم به صورت زیر بدست میآید.
ملاحظه میشود که چگالی حالتها برای نیمرساناهای سه بعدی حجیم با تناسب دارد.
شکل2-2) چگالی حالتها برای یک جامد سه بعدی با متناسب است.
2-1-2 محاسبه چگالی حالتها در لایههای نازک نیمرسانا
با حل معادله شرودینگر برای لایه نازک واقع در صفحه xy، ویژه مقادیر انرژی به صورت زیر به دست میآید . همانگونه که دیده میشود، انرژی ذرّات، در راستای عمود بر لایه کوانتیده است.
مقاله درباره مقایسه چگالی حالت ها در نیم رساناهای سه، دو، یک و صفر بعدی
