Luận án nghiên cứu chế tạo và khảo sát cảm biến quang từ vi cộng hưởng quang tử 1D

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vi cộng hưởng quang tử 1D, ứng dụng trong cảm biến quang, mang lại tiềm năng lớn cho công nghệ.

• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Luận Án Nghiên Cứu Chế Tạo Và Khảo Sát Các Tính Chất Của Vi Cộng Hưởng Quang Tử 1D Làm Cảm Biến Quang
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sự ra đời của tinh thể quang tử
• 1.2. Khái niệm và phân loại tinh thể quang tử
• 1.3. Phân loại tinh thể quang tử
• 1.4. Tính chất của tinh thể quang tử
• 1.5. Vi cộng hưởng quang tử 1D trên cơ sở silic xốp
• 1.6. Lịch sử của silic xốp
• 1.7. Cơ sở cho quá trình hình thành silic xốp
• 1.8. Silic xốp trong các ứng dụng cảm biến
• 1.9. Cấu trúc cảm biến và nguyên lý hoạt động
• 1.10. Cảm biến hóa học
• 1.11. Cảm biến phân tử sinh học
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC CỦA VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D TRÊN NỀN VẬT LIỆU SILIC XỐP
• 2.1. Chiết suất của silic, không khí và silic xốp và mô hình Kronig - Penny
• 2.2. Phương pháp ma trận chuyển (Transfer Matrix Method)
• 2.3. Công thức ma trận chuyển cho màng mỏng
• 2.4. Công thức ma trận chuyển cho cấu trúc đa lớp
• 2.5. Cấu trúc phần tư bước sóng
• 2.6. Vi cộng hưởng dựa trên cấu trúc phần tư bước sóng tinh thể quang tử 1D (1D PhC)
• 2.7. Các kết quả mô phỏng vùng cấm quang và phổ phản xạ của cấu trúc 1D PhC
• 2.8. Ảnh hưởng của các thông số của DBRs lên phổ phản xạ của vi cộng hưởng quang tử 1D
• 2.9. Các thông số của lớp khuyết tật ảnh hưởng tới phổ phản xạ của vi cộng hưởng quang tử 1D
• 2.10. Các thông số của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D ảnh hưởng tới độ nhạy của cảm biến quang
• 2.11. Ưu điểm của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp cho cảm biến quang
• 2.12. Các thông số của cấu trúc vi cộng hưởng 1D ảnh hưởng tới độ nhạy của cảm biến
• 3. CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO CẤU TRÚC VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP
• 3.1. Nguyên lý, qui trình chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp
• 3.2. Thiết kế chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D
• 3.3. Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc và đặc tính quang học của vật liệu silic xốp
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái của cấu trúc vật liệu xốp
• 3.5. Nghiên cứu phương pháp ghép lăng kính để đo chiết suất và chiều dày của vật liệu silic xốp
• 3.6. Phương pháp đo phổ phản xạ của cấu trúc màng đa lớp silic xốp
• 3.7. Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D
• 3.8. Thiết kế hệ thiết bị cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp
• 4. CHƯƠNG 4: 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
• 4.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp
• 4.2. Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D cho ứng dụng cảm biến
• 4.3. Khảo sát đo cảm biến với các dung môi hữu cơ
• 4.4. Các đường chuẩn thực nghiệm đối với các dung môi hữu cơ tinh khiết
• 4.5. Ứng dụng đo cảm biến đối với các dung môi hữu cơ trong xăng sinh học
• 4.6. Ứng dụng cảm biến quang đo các loại thuốc bảo vệ thực vật trong môi trường nước
• 4.7. Giới thiệu về thuốc bảo vệ thực vật
• 4.8. Các đường thực nghiệm khảo sát nồng độ của thuốc BVTV trong nước
• 5. CHƯƠNG 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
• 5.1. Xác định hàm lượng methanol trong ethanol
• 5.2. Xác định hàm lượng ethanol và methanol trong rượu là chế phẩm từ cồn công nghiệp
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vi cộng hưởng quang tử 1D và cảm biến quang

Vi cộng hưởng quang tử 1D là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cảm biến quang. Công nghệ này sử dụng các cấu trúc tinh thể quang tử để tạo ra các cảm biến có độ nhạy cao. Việc nghiên cứu và phát triển các vi cộng hưởng quang tử 1D không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của cảm biến mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực như y tế, môi trường và công nghiệp.

1.1. Khái niệm và phân loại vi cộng hưởng quang tử 1D

Vi cộng hưởng quang tử 1D được phân loại dựa trên cấu trúc và vật liệu sử dụng. Các loại vi cộng hưởng này có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó silic xốp là một trong những lựa chọn phổ biến nhất. Việc hiểu rõ về các loại vi cộng hưởng quang tử giúp tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng của chúng.

1.2. Tính chất quang học của vi cộng hưởng quang tử 1D

Tính chất quang học của vi cộng hưởng quang tử 1D bao gồm khả năng phản xạ, truyền dẫn và độ nhạy với các thay đổi môi trường. Những tính chất này quyết định đến hiệu suất của cảm biến quang, từ đó ảnh hưởng đến khả năng phát hiện và đo lường các chất cần phân tích.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vi cộng hưởng quang tử 1D

Mặc dù vi cộng hưởng quang tử 1D có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Các vấn đề như độ ổn định của cấu trúc, khả năng tương tác với các chất phân tích và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ ổn định của cấu trúc vi cộng hưởng

Độ ổn định của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm có thể làm thay đổi tính chất quang học của cấu trúc, dẫn đến sai số trong kết quả đo.

2.2. Chi phí sản xuất và khả năng thương mại hóa

Chi phí sản xuất vi cộng hưởng quang tử 1D vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng thương mại hóa sản phẩm. Nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo hiệu quả hơn là cần thiết để giảm chi phí và tăng khả năng tiếp cận của công nghệ này.

III. Phương pháp chế tạo vi cộng hưởng quang tử 1D hiệu quả

Việc chế tạo vi cộng hưởng quang tử 1D đòi hỏi các phương pháp tiên tiến để đảm bảo chất lượng và hiệu suất. Các phương pháp như phương pháp ma trận chuyển (TMM) và phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE) được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu này.

3.1. Phương pháp ma trận chuyển TMM

Phương pháp ma trận chuyển (TMM) cho phép tính toán chính xác các đặc tính quang học của vi cộng hưởng quang tử 1D. Phương pháp này giúp xác định các thông số như phổ phản xạ và vùng cấm quang, từ đó tối ưu hóa thiết kế cấu trúc.

3.2. Phương pháp khai triển sóng phẳng PWE

Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE) là một công cụ mạnh mẽ trong việc phân tích các tính chất quang học của vi cộng hưởng quang tử. Phương pháp này giúp mô phỏng và dự đoán hành vi của ánh sáng trong các cấu trúc phức tạp.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vi cộng hưởng quang tử 1D trong cảm biến quang

Vi cộng hưởng quang tử 1D đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ cảm biến hóa học đến cảm biến sinh học. Những ứng dụng này không chỉ giúp phát hiện nhanh chóng các chất độc hại mà còn nâng cao độ chính xác trong các phép đo.

4.1. Cảm biến hóa học sử dụng vi cộng hưởng quang tử 1D

Cảm biến hóa học dựa trên vi cộng hưởng quang tử 1D có khả năng phát hiện nồng độ của các chất hóa học trong môi trường. Công nghệ này cho phép đo lường chính xác và nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu trong các lĩnh vực như bảo vệ môi trường và an toàn thực phẩm.

4.2. Cảm biến sinh học và ứng dụng trong y tế

Cảm biến sinh học sử dụng vi cộng hưởng quang tử 1D có khả năng phát hiện các biomarker trong mẫu sinh học. Điều này mở ra cơ hội cho việc chẩn đoán sớm các bệnh lý, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị và chăm sóc sức khỏe.

V. Kết luận và tương lai của vi cộng hưởng quang tử 1D

Vi cộng hưởng quang tử 1D đang trở thành một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cảm biến quang. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong việc phát triển các cảm biến có độ nhạy cao và ứng dụng rộng rãi trong đời sống.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến quang

Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến quang đang hướng tới việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và độ ổn định của vi cộng hưởng quang tử 1D.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Tiềm năng ứng dụng của vi cộng hưởng quang tử 1D không chỉ giới hạn trong lĩnh vực cảm biến mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác như công nghệ thông tin, năng lượng và vật liệu mới. Điều này sẽ tạo ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về tinh thể quang tử, những đặc điểm của vật liệu silic xốp và các ứng dụng của nó đặc biệt trong lĩnh vực cảm biến. Chương 2 trình bày thiết kế và mô phỏng các đặc tính quang học của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D bằng phương pháp ma trận truyền (Transfer matrix method - TMM). Ứng dụng mô hình Kronig – Penny để tính toán vùng cấm quang của tinh thể quang tử 1D (PhC 1D) trên vật liệu silic xốp và so sánh với kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp TMM. Các thông số ảnh hưởng tới độ nhạy của cảm biến làm bằng vật liệu silic xốp cũng được trình bày chi tiết.

4 Chương 3 trình bày phương pháp ăn mòn điện hóa để chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D. Các thông số quang học của cấu trúc được đo bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, máy phân tích phổ Varian Cary 5000 và USB 4000. Các kết quả chế tạo vi cộng hưởng quang tử 1D được trình bày chi tiết. Hệ thiết bị cảm biến quang tử dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp được thiết kế và xây dựng để có thể đo đồng thời hai phương pháp: phương pháp đo lỏng (liquid drop) và phương pháp hóa hơi các hợp chất hữu cơ.

Chương 4 trình bày phương pháp đo lỏng sử dụng cảm biến quang tử nano làm bằng silic xốp để đo nồng độ của một số dung môi hữu cơ và thuốc BVTV trong môi trường nước. Chương 5 trình bày phương pháp hóa hơi các hợp chất hữu cơ để xác định thành phần các dung môi hữu cơ với nồng độ cực thấp. Phương pháp này kết hợp giữa điều khiển nhiệt độ của bình chứa dung dịch và tốc độ dòng khí thổi qua dung dịch để xác định nồng độ dung môi có trong dung dịch do mỗi dung môi có áp suất hơi bão hòa riêng tại các điều kiện nhiệt độ và dòng khí thổi. Phương pháp đã nâng cao được khả năng chọn lọc của cảm biến và độ nhạy của cảm biến.

Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh mục các tài liệu tham khảo đã được liệt kê. Luận án được thực hiện chủ yếu tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Luận án được hỗ trợ kinh phí từ ba đề tài: Đề tài Phòng thí nghiệm trọng điểm mã số: CSTĐ03.14 và Đề tài VAST mã số: VAST03.06/15-16 do chính tác giả làm chủ nhiệm, Đề tài Nafosted mã số: 103.TS Bùi Huy làm chủ nhiệm. TỔNG QUAN VỀ VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D VÀ VẬT LIỆU SILIC XỐP Trong chương này, chúng tôi giới thiệu về tinh thể quang tử từ khái niệm đến cấu tạo cho tất cả tinh thể quang tử (photonic crystal - PC) 1D, 2D và 3D.

Đặc biệt, cấu tạo của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D và quá trình hình thành silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa sẽ được trình bày một cách chi tiết. Những ưu điểm và ứng dụng của silic xốp trong lĩnh vực cảm biến được trình bày ở cuối của chương. Sự ra đời của tinh thể quang tử Thực tế cho thấy, PC mới chỉ thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trong vài thập kỷ qua nhưng các giả định đầu tiên về khả năng kiểm soát ánh sáng bằng cách sử dụng các cấu trúc tuần hoàn đã xuất hiện từ năm 1887 [16] do nhà vật lý người Anh - Lord Rayleigh đưa ra khối điện môi đa lớp tuần hoàn. Khái niệm này đã mở ra một hướng đi mới cho vật lý trong việc nghiên cứu ánh sáng hay sóng điện từ - khả năng điều khiển và giam giữ chúng nhưng tại thời điểm này chưa ai đưa ra được khái niệm về “tinh thể quang tử”.

Cho đến khoảng một trăm năm sau vào năm 1972, nhà khoa học người liên xô V. Bykov mới công bố một nghiên cứu mô tả khả năng sử dụng các cấu trúc tuần hoàn cho việc kiểm soát ánh sáng [17]. Nhưng các công trình được cho là đầu tiên để bắt đầu các nghiên cứu chuyên sâu về PCs là các nghiên cứu của E. John được xuất bản vào năm 1987 trong tạp chí Physical Review Letters [18],[19].

Yablonovitch đề cập đến “khả năng giam hãm của bức xạ sóng điện từ trong cấu trúc không gian ba chiều” và sự xuất hiện của vùng cấm quang tử, còn S. John nói về “sự tồn tại của các sai hỏng trong cấu trúc mạng tuần hoàn có thể tạo ra những trạng thái trong vùng cấm quang tử”. Sau khi các bài báo này được công bố, các bài báo và ấn phẩm dành riêng cho ngành quang tử và công nghệ quang tử tăng gần gấp đôi sau mỗi năm. Năm 1990, lần đầu tiên K.

Soukoulist [20] đã thu được cấu trúc vùng của PCs với cấu trúc fcc (cấu trúc opal) gồm các hạt cầu điện môi với chiết suất cao đặt trong không khí. Ví dụ về cấu trúc vùng từ tính toán lý thuyết bằng phương pháp khai triển sóng phẳng (The plane wave expansion method – PWE) được trình bày trong hình 1. 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 gồm quả cầu không khí trên nền vật liệu điện môi với chiết suất 3,5. 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 nét chấm và đường nét liền cho thấy các dải chỉ kết hợp với ánh sáng phân cực s và p [20]. Haus [21] đã tính toán cấu trúc vùng của PCs với cấu trúc opal đảo, kết quả được trình bày trong hình 1. Thuật ngữ opal đảo có nghĩa là thay vì các hạt cầu điện môi đặt trong không khí, mạng fcc đảo sẽ bao gồm các lỗ trống hình cầu ngăn cách bởi môi trường chiết suất cao. Kết quả cho thấy cấu trúc opal đảo có một vùng cấm quang hoàn toàn giữa vùng thứ 8 và vùng thứ 9.

Năm 1998, opal đảo nhân tạo đã chế tạo được bằng thực nghiệm [22], các đường kính của các hạt cầu không khí trong cấu trúc cỡ khoảng 1 μm và khoảng cách giữa các hạt cầu là rất nhỏ nên các hạt cầu không khí gần như chạm vào nhau. Chiết suất của vật liệu tạo nên tinh thể là 2,8 là chiết suất của các hạt cầu TiO2 quá nhỏ để tạo thành vùng cấm quang hoàn toàn. Tuy nhiên, sau này khi sử dụng silica thì có thể xuất hiện vùng cấm quang hoàn toàn ở một vài thông số hình học. Cấu trúc vùng của tinh thể quang tử với mạng tinh thể FCC đảo [21] 7 Năm 2000, tinh thể quang tử 3D đầu tiên có vùng cấm quang hoàn toàn trong vùng hồng ngoại đã được chế tạo [23].

Tinh thể quang tử này bao gồm các hạt cầu silic sắp xếp trong một mạng tinh thể kim cương. Sau khi khái niệm tinh thể quang tử ra đời trong lý thuyết, những mẫu tinh thể quang tử trong thực tế cũng lần lượt được biết đến, đó là những mẫu tinh thể quang tử có sẵn trong tự nhiên. Ví dụ cấu trúc của cánh bướm và các loại côn trùng [24] – cấu trúc có khả năng tạo ra sóng giao thoa thay đổi theo hướng truyền sáng dẫn đến hệ màu sắc lộng lẫy của các loại bướm và côn trùng trên, những mẫu tinh thể quang tử trong phòng thí nghiệm phục vụ các nghiên cứu về tinh thể quang tử và ứng dụng của nó. 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 vào ethanol lỏng.

Sự thay đổi màu sắc của cánh côn trùng khi góc nhìn được thay đổi: (e) vuông góc và (f) song song với các tĩnh mạch cánh [24] Từ năm 1987 đến năm 2005 đã có hơn 10.000 bài báo được công bố về các tinh thể quang tử và các ứng dụng dựa trên tinh thể quang tử. Hiện nay, các tinh thể quang tử đã được ứng dụng nhiều trong các cảm biến quang [25], laser [26], các bộ tách ghép sóng kênh [27], các mạch tích hợp quang… 1. Khái niệm và phân loại tinh thể quang tử 1. Khái niệm Tinh thể quang tử (Photonic crystals - PCs) là một cấu trúc tuần hoàn trong không gian của các vật liệu với hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi theo chu kỳ trên mỗi thang chiều dài có thể so sánh được với bước sóng ánh sáng được sử dụng.

Phân loại tinh thể quang tử Các PCs có một số các thuộc tính rất đặc biệt tạo ra khả năng thực hiện một số các ứng dụng. Tuỳ thuộc vào số chiều tuần hoàn của cấu trúc, PCs có thể được chia thành ba loại là PCs một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) như được trình bày trong hình 1. Giản đồ minh họa các cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D, và 3D 1. Tinh thể quang tử một chiều (PCs 1D) PCs 1D là màng điện môi đa lớp bao gồm hai loại màng điện môi (có hằng số điện môi khác nhau) sắp xếp xen kẽ nhau trong không gian tuần hoàn theo một phương nhất định [28].

Một ví dụ của PCs 1D là cách tử Bragg (hay còn gọi là gương phản xạ Bragg) - một linh kiện được sử dụng rộng rãi để phân bố phản xạ trong các buồng cộng hưởng laser phát bề mặt thẳng đứng. Bên cạnh đó, cấu trúc này còn được sử dụng như một lớp phủ chống phản xạ cho phép giảm đáng kể các phản xạ từ bề mặt và được dùng để nâng cao chất lượng của các thấu kính, lăng kính và các dụng cụ quang học khác. Tinh thể quang tử 1D có cấu trúc các màng điện môi với hằng số điện môi tuần hoàn theo phương z. Hằng số mạng là a, hai màu khác nhau thể hiện hai vật liệu với hằng số điện môi khác nhau [28] 9 Tinh thể quang tử này luôn luôn có vùng cấm xuất hiện, vùng cấm được mở ra ngay khi có sự khác biệt hằng số điện môi giữa hai màng điện môi khác nhau.

Độ rộng của vùng cấm tùy thuộc vào độ chênh lệch giữa hằng số điện môi của hai màng tương ứng. Tinh thể quang tử hai chiều (PCs 2D) PCs 2D là cấu trúc tinh thể có sự thay đổi hằng số điện môi tuần hoàn theo hai phương nhất định và đồng nhất theo hướng còn lại [28]. Tinh thể quang tử 2D có một số cấu trúc với dạng tuần hoàn khác nhau, nhưng điển hình là dạng cột (rod) và lỗ (hole).