Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang tử từ silic xốp cho dung môi hữu cơ

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TINH THỂ QUANG TỬ VÀ CẢM BIẾN CÓ CẤU TRÚC BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG DỰA TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP

1.1. Tinh thể quang tử

1.1.1. Khái niệm tinh thể quang tử

1.1.2. Các đặc tính và thông số quan trọng của tinh thể quang tử

1.1.3. Các ứng dụng của tinh thể quang tử

1.2. Buồng vi cộng hưởng 1D

1.2.1. Gương phản xạ Bragg (Distributed Bragg Reflectors)

1.2.2. Lớp không gian

1.2.3. Cấu tạo và phổ đặc trưng của buồng vi cộng hưởng

1.2.4. Cơ sở cho quá trình hình thành buồng vi cộng hưởng làm bằng silic xốp

1.2.5. Sự hình thành silic xốp

1.2.6. Kích thước và hình thái lỗ xốp

1.2.7. Các thông số anot hóa

1.2.8. Đặc điểm của silic xốp

1.2.9. Chiết suất hiệu dụng

1.2.10. Đặc tính của buồng vi cộng hưởng 1D

1.2.11. Các thông số liên quan. Chỉ số phẩm chất (Q-factor)

1.2.12. Độ nhạy của cảm biến dựa trên buồng vi cộng hưởng

1.2.13. Ứng dụng buồng vi cộng hưởng 1D dựa trên Silic xốp làm cảm biến xác định dung môi hữu cơ

1.2.13.1. Cảm biến pha lỏng dựa trên silic xốp

1.2.13.2. Cảm biến pha hơi trên cơ sở buồng vi cộng hưởng bằng silic xốp cho các dung môi hữu cơ

1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

2. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG 1D VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

2.1. Cơ sở toán học để phân tích và mô phỏng về buồng vi cộng hưởng. Phương pháp ma trận truyền (Transfer Matrix Method - TMM)

2.2. Chương trình mô phỏng buồng vi cộng hưởng

2.3. Kết quả mô phỏng buồng vi cộng hưởng dựa trên tinh thể quang tử 1D

2.4. Nghiên cứu các thông số của buồng vi cộng hưởng 1D

2.4.1. Độ dày của lớp không gian (dss)

2.4.2. Chiết suất của lớp không gian (nss)

2.4.3. Số chu kỳ của DBR

2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

3.1. Chế tạo buồng vi cộng hưởng bằng phương pháp ăn mòn điện hóa

3.2. Ảnh hưởng của tương phản chiết suất lên độ rộng của vùng cấm quang

3.3. Chế tạo buồng vi cộng hưởng bằng công nghệ điện hóa phiến silic

3.4. Lựa chọn các tham số điện hóa thích hợp

3.5. Xây dựng hệ đo cảm biến pha lỏng và hệ đo sử dụng phương pháp VOC

3.6. Xây dựng hệ đo với cảm biến pha lỏng

3.7. Xây dựng hệ đo các dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng dựa trên cảm biến pha hơi bằng phương pháp VOC - Vapor Organic Compose

3.8. Kết quả thực nghiệm xác định dung môi hữu cơ trong môi trường nước

3.9. Xác định ethanol và methanol trong xăng bằng cảm biến pha lỏng

3.10. Nghiên cứu sự phụ thuộc của độ dịch bước sóng công hưởng vào nhiệt độ dung dịch nghiên cứu nhằm nâng cao tính chọn lọc của phương pháp VOC - Vapor Organic Compose

3.11. Nghiên cứu các dung môi hữu cơ thông dụng (ethanol, methanol, acetone) ở nồng độ thấp bằng cảm biến pha lỏng và pha hơi

3.12. Xác định nồng độ methanol trong rượu bằng phương pháp VOC

3.13. Xác định nồng độ ethanol và methanol trong cồn công nghiệp

3.14. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về cảm biến quang tử từ silic xốp

Cảm biến quang tử từ silic xốp là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cảm biến hóa học. Cảm biến quang tử sử dụng nguyên lý phản xạ ánh sáng để xác định nồng độ của các chất trong dung môi hữu cơ. Silic xốp, với cấu trúc đặc biệt và diện tích bề mặt lớn, cho phép cảm biến này có độ nhạy cao và khả năng phát hiện chính xác. Việc chế tạo cảm biến từ silic xốp không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu cho thấy rằng, cảm biến này có thể hoạt động hiệu quả trong cả pha lỏng và pha hơi, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như môi trường, y tế và công nghiệp hóa chất.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang tử

Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang tử từ silic xốp dựa trên sự thay đổi chiết suất của màng xốp khi các chất cần phân tích xâm nhập vào các lỗ xốp. Khi các phân tử dung môi hữu cơ xâm nhập vào, chúng làm dịch chuyển phổ phản xạ của cảm biến. Điều này cho phép xác định nồng độ của các chất như ethanol, methanol và acetone. Đặc biệt, cảm biến này có thể được điều chỉnh để tăng cường độ nhạy thông qua việc kiểm soát nhiệt độ và áp suất, từ đó nâng cao tính chọn lọc của phép đo.

II. Chế tạo cảm biến quang tử từ silic xốp

Quá trình chế tạo cảm biến quang tử từ silic xốp bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, màng silic xốp được chế tạo thông qua phương pháp ăn mòn điện hóa. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác độ xốp và độ dày của mỗi lớp xốp trong cấu trúc đa lớp. Vật liệu silic được sử dụng trong cảm biến không chỉ đảm bảo tính ổn định mà còn có khả năng tương thích cao với công nghệ vi điện tử. Các thông số như kích thước lỗ xốp và độ dày lớp không gian được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất tốt nhất cho cảm biến. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, cảm biến quang tử từ silic xốp có thể phát hiện nồng độ dung môi hữu cơ với độ nhạy cao và độ chính xác tốt.

2.1. Các thông số ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến

Độ nhạy của cảm biến quang tử từ silic xốp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước lỗ xốp, độ dày lớp xốp và điều kiện môi trường. Sự thay đổi của áp suất hơi và nhiệt độ dung dịch cũng ảnh hưởng đến đáp ứng của cảm biến. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi tăng nhiệt độ dung dịch và tốc độ dòng khí, độ nhạy của cảm biến được cải thiện đáng kể. Điều này cho phép cảm biến hoạt động hiệu quả hơn trong việc xác định nồng độ của các dung môi hữu cơ, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

III. Ứng dụng của cảm biến quang tử từ silic xốp

Cảm biến quang tử từ silic xốp có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Trong ngành công nghiệp hóa chất, cảm biến này được sử dụng để xác định nồng độ của các dung môi hữu cơ, giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường. Ngoài ra, cảm biến còn có thể được áp dụng trong y tế để phát hiện các chất độc hại trong mẫu nước hoặc không khí. Cảm biến hóa học này cũng có thể được sử dụng trong các nghiên cứu về ô nhiễm môi trường, giúp theo dõi và đánh giá mức độ ô nhiễm từ các dung môi hữu cơ. Tính năng không đánh dấu của cảm biến quang tử từ silic xốp là một lợi thế lớn, cho phép phát hiện nhanh chóng và chính xác mà không cần sử dụng hóa chất độc hại.

3.1. Tương lai của cảm biến quang tử từ silic xốp

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, cảm biến quang tử từ silic xốp hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng mới trong tương lai. Nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo tiên tiến hơn sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ nhạy của cảm biến. Bên cạnh đó, việc tích hợp cảm biến vào các hệ thống tự động hóa và giám sát sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Các ứng dụng trong lĩnh vực y tế và an toàn thực phẩm cũng sẽ được mở rộng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

Luận văn thạc sĩ: Chế tạo cảm biến quang tử một chiều từ silic xốp cho dung môi hữu cơ