Luận án: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát vi cộng hưởng quang tử 1D trên nền silic xốp làm cảm biến quang

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS Phạm Văn Hội và PGS.TS Bùi Huy, những người thầy đã định hướng cho tôi trong tư duy khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong phòng Vật liệu và ứng dụng quang sợi (TS. Ngô Quang Minh, ThS. Phạm Thanh Bình, TS.

Hoàng Thị Hồng Cẩm, CN.) – những người đã luôn giúp đỡ, khích lệ, động viên tôi trong suốt thời gian làm luận án. Trong khi thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của các cán bộ Phòng Vật liệu Quang điện tử (KSC. Đặng Quốc Trung, KS. Lê Hữu Minh, KS.

Tôi chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu trên. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử, Viện khoa học vật liệu đã giúp tôi thực hiện phép đo ảnh vi hình thái SEM, phổ huỳnh quang… Tôi chân thành cảm ơn tất cả các đồng nghiệp là đồng tác giả trong các công trình khoa học đã công bố đã cho phép tôi sử dụng các công trình này trong bản Luận án của tôi. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Bộ phận đào tạo sau đại học, Viện Khoa học vật liệu và Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận án. Lời cám ơn tự đáy lòng xin dành cho những người thân của tôi! I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án được trích dẫn từ một số bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và các đồng tác giả. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS. Nguyễn Thúy Vân II DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1D, 2D, 3D 1 Dimension, 2 Dimension, 3 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều Dimension BVTV Bảo vệ thực vật DBR Distributed Bragg Reflector Gương phản xạ Bragg phân bố PC Photonic Crystals Tinh thể quang tử PBG Photonic Bandgap Vùng cấm quang PWE The plane wave expansion method Phương pháp khai triển sóng phẳng TMM Transfer Matrix Method Phương pháp ma trận chuyển FDTD Finite Difference Time Domain Miền thời gian sai phân hữu hạn LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện RIU Refractive index unit Đơn vị chỉ số chiết suất SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyển qua III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. viii MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D VÀ VẬT LIỆU SILIC XỐP.

Sự ra đời của tinh thể quang tử. Khái niệm và phân loại tinh thể quang tử. Phân loại tinh thể quang tử. Tính chất của tinh thể quang tử.

Vi cộng hưởng quang tử 1D trên cơ sở silic xốp. Lịch sử của silic xốp. Cơ sở cho quá trình hình thành silic xốp. Silic xốp trong các ứng dụng cảm biến.

Cấu trúc cảm biến và nguyên lý hoạt động. Cảm biến hóa học. Cảm biến phân tử sinh học.29 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC CỦA VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D TRÊN NỀN VẬT LIỆU SILIC XỐP.

Chiết suất của silic, không khí và silic xốp và mô hình Kronig - Penny. Chiết suất của silic, không khí và silic xốp. Mô hình Kronig – Penny. Phương pháp ma trận chuyển (Transfer Matrix Method).

Công thức ma trận chuyển cho màng mỏng. Công thức ma trận chuyển cho cấu trúc đa lớp. Cấu trúc phần tư bước sóng. Vi cộng hưởng dựa trên cấu trúc phần tư bước sóng tinh thể quang tử 1D (1D PhC).

Các kết quả mô phỏng vùng cấm quang và phổ phản xạ của cấu trúc 1D PhC. Ảnh hưởng của các thông số của DBRs lên phổ phản xạ của vi cộng hưởng quang tử 1D. Các thông số của lớp khuyết tật ảnh hưởng tới phổ phản xạ của vi cộng hưởng quang tử 1D. Các thông số của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D ảnh hưởng tới độ nhạy của cảm biến quang.

Ưu điểm của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp cho cảm biến quang. Các thông số của cấu trúc vi cộng hưởng 1D ảnh hưởng tới độ nhạy của cảm biến.56 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2. CHẾ TẠO CẤU TRÚC VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP. Nguyên lý, qui trình chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp.

Nguyên lý chế tạo. Qui trình chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng 1D. Thiết kế chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D. Thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D.

Thiết kế cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D. Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc và đặc tính quang học của vật liệu silic xốp. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái của cấu trúc vật liệu xốp. Nghiên cứu phương pháp ghép lăng kính để đo chiết suất và chiều dày của vật liệu silic xốp.

Phương pháp đo phổ phản xạ của cấu trúc màng đa lớp silic xốp. Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D. Cấu trúc cặp lớp silic xốp. Cấu trúc đa lớp silic xốp.

Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp. Thiết kế hệ thiết bị cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp. Mục tiêu của thiết kế thiết bị cảm biến. Sơ đồ khối của thiết bị cảm biến.

Bản thiết kế hệ thiết bị cảm biến .87 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH DƯ LƯỢNG MỘT SỐ THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DỰA TRÊN CẤU TRÚC VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D LÀM BẰNG SILIC XỐP. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp. Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D cho ứng dụng cảm biến.

Khảo sát đo cảm biến với các dung môi hữu cơ. Các đường chuẩn thực nghiệm đối với các dung môi hữu cơ tinh khiết. Ứng dụng đo cảm biến đối với các dung môi hữu cơ trong xăng sinh học. Ứng dụng cảm biến quang đo các loại thuốc bảo vệ thực vật trong môi trường nước.

Giới thiệu về thuốc bảo vệ thực vật. Các đường thực nghiệm khảo sát nồng độ của thuốc BVTV trong nước .103 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ MỘT SỐ DUNG MÔI HỮU CƠ DỰA TRÊN CẤU TRÚC VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D LÀM BẰNG SILIC XỐP. Xác định nồng độ các dung môi hữu cơ bằng phương pháp hóa hơi các hợp chất hữu cơ.

Đáp ứng của cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ và vận tốc dòng khí. Khảo sát độ nhạy của cảm biến sử dụng các phương pháp khác nhau 121 5. Ứng dụng cấu trúc vi cộng hưởng 1D dựa trên vật liệu silic xốp làm cảm biến xác định hàm lượng methanol trong ethanol. Xác định hàm lượng methanol trong ethanol.

Xác định hàm lượng ethanol và methanol trong rượu là chế phẩm từ cồn công nghiệp .130 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5.135 KẾT LUẬN CHUNG.136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU .138 TÀI LIỆU THAM KHẢO.140 VII DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Cấu trúc vùng cấm quang được tính dọc theo các đường đối xứng trong vùng Brillouin của tinh thể quang tử 3D với mạng FCC bao Hình 1.1 gồm quả cầu không khí trên nền vật liệu điện môi với chiết suất 3. 7 Tỉ số lấp đầy là 86% không khí và 14% vật liệu điện môi. Dọc theo X-U-L và X-W-K, các đường chấm và đường vạch liền cho thấy các dải chỉ kết hợp với ánh sáng phân cực s và p Hình 1.2 Cấu trúc vùng của tinh thể quang tử với mạng tinh thể FCC đảo 7 Quan sát cánh một loài côn trùng theo hai hướng khác nhau chính diện và góc nghiêng (a) - (c) trong không khí và (b) - (d) khi nhúng Hình 1.3 vào ethanol lỏng. Sự thay đổi màu sắc của cánh côn trùng khi góc 8 nhìn được thay đổi: (e) vuông góc và (f) song song với các tĩnh mạch cánh Hình 1.4 Giản đồ minh họa các cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D, và 3D 9 Tinh thể quang tư 1D có cấu trúc các màng điện môi với hằng số điện Hình 1.5 môi tuần hoàn theo phương z.

Hằng số mạng là a, hai màu khác nhau 9 thể hiện hai vật liệu với hằng số điện môi khác nhau Hình 1.6 Tinh thể quang tử 2D dạng cột (rod) 10 Hình 1.7 Tinh thể quang tử 2D dạng lỗ (hole) 10 Ví dụ về các kiểu mạng của tinh thể quang tử ba chiều: (a) lập Hình 1.8 phương tâm mặt (FCC), (b) xếp chồng đống gỗ, (c) mạng xoắn ốc, 11 (d) mạng gần như kim cương Các tinh thể quang tử tự nhiên: (a) sự phát ngũ sắc màu xanh và hình ảnh SEM của cấu trúc 1D của cánh bướm Morpho. (b) Bộ lông nhiều màu của con công và hình ảnh TEM mặt cắt ngang cấu trúc 2D của Hình 1.9 vùng màu xanh của cánh. (c) Đá tự nhiên opal và hình ảnh SEM của 12 cấu trúc cầu silica. (d) cánh của con bướm Sasakia Charonda và hình ảnh SEM cấu trúc 3D của vùng màu trắng.

(e) Mô tả sơ đồ các cấu trúc 1C, 2D và 3D PhC, với các màu khác nhau đại diện cho các hằng số điện môi khác nhau, chu kỳ theo một, hai hoặc ba hướng Hình 1.10 Quá trình truyền sóng điện từ qua PC 1D trong trường hợp bước sóng 14 nằm trong vùng cấm Sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm quang vào độ tương phản chiết suất đươc tính toán cho ba kiểu màng đa lớp khác nhau. Trong cả ba Hình 1.11 trường hợp mỗi lớp đều có chiều dày là 0,5a. Hình (a): mỗi lớp đều 14 có cùng chiết suất ε=13, hình (b): chiết suất của các lớp ε lần lượt là 13 và 12; hình (c): chiết suất của các lớp ε lần lượt là 13 và 1 Sơ đồ của một buồng vi cộng hưởng quang tử 1D. Chiết suất của lớp Hình 1.12 đệm là ns và bề dày là ds.

Lớp đệm được đưa vào giữa hai DBR đối 16 xứng tương ứng với chiết suất của các lớp là nH, nL và bề dày dH , d Hình 1.