CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Kênh dẫn sóng plasmonic có rất nhiều triển vọng phát triển. Trong chương này trình bày về: cơ sở lý thuyết polariton plasmon bề mặt; nguyên lý cơ bản và các phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt; phân loại kênh dẫn sóng plasmonic và các ứng dụng. Trong chương này cũng trình bày về các công nghệ chế tạo kênh dẫn sóng plasmonic và đánh giá sự phát triển gần đây của kênh dẫn sóng plasmonic. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC 1.
Sơ lược quá trình phát triển Dựa trên các công trình nghiên cứu về plasmonic [1-5], có thể chia quá trình phát triển plasmonic thành 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Trước năm 1900 Sử dụng các hạt nano kim loại để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật, được thể hiện bằng chiếc cốc Lycurgus, kính màu của các nhà thờ thời trung cổ. Chiếc cốc Lycurgus có 1.600 năm tuổi từ thời La Mã cổ đại. Cốc có màu xanh ngọc khi ánh sáng chiếu từ phía trước và chuyển sang màu đỏ khi ánh sáng chiếu từ phía trong cốc. Giai đoạn 2: Khoảng từ năm 1900 đến năm 2000 Năm 1902, Wood quan sát được hiệu ứng plasmon lần đầu tiên và không thể giải thích được hiện tượng bất thường này bằng lý thuyết nhiễu xạ cổ điển.
Năm 1956, Pines đưa ra giải thích về đặc trưng suy hao năng lượng khi các electron xuyên qua kim loại là do dao động tập thể của các electron tự do trong kim loại và gọi chúng là "plasmon". Năm 1957, Ritchie [2] xuất bản nghiên cứu về suy hao năng lượng điện tử trong màng mỏng cho thấy hiện tượng plasmon có thể tồn tại gần bề mặt kim loại. Nghiên cứu này đã trình bày những mô tả lý thuyết đầu tiên của plasmon bề mặt, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng đối với khoa học nói chung và công nghệ plasmonic nói riêng. Các nghiên cứu về lĩnh vực plasmonic gia tăng mạnh.
Cho đến nay các nghiên cứu được công bố có 5 liên quan đến plasmonic đã lên đến hàng chục nghìn bài báo mỗi năm (Hình 1.1: Sự gia tăng các nghiên cứu về plasmonic [5] Năm 1968, Otto và Kretschmann trình bày hai phương pháp để kích thích kết cặp plasmon bề mặt trên màng kim loại, làm cho các nhà khoa học dễ tiếp cận với thí nghiệm trên plasmon bề mặt nhiều hơn. Đến thập niên 70, lĩnh vực này bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi hơn. Plasmonic được biết đến là các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến hiệu ứng plasmon, liên quan đến việc khám phá các hiện tượng liên quan đến sóng điện từ được giam hãm trong các cấu trúc với kích thước ở tỷ lệ bước sóng ánh sáng hoặc nhỏ hơn. Giữa những năm 1990, số các công trình nghiên cứu về plasmonic đã tăng nhanh nhờ sự phát triển của các kỹ thuật mô phỏng số, công nghệ chế tạo nano và các kỹ thuật phân tích thực nghiệm.
Cũng trong khoảng thời gian này, khoa học cũng đã bắt đầu hiểu về hiện tượng xuất hiện ở chiếc cốc Lycurgus - hiện tượng này là kết quả 6 của hiệu ứng plasmon bề mặt, do các hạt nano vàng, bạc trong cốc kết hợp với nguồn ánh sáng chiếu vào. Ở giai đoạn này, các nghiên cứu về cảm biến hóa học, cảm biến sinh học, quang học trường gần dựa trên plasmon bề mặt được phát triển rất mạnh. Giai đoạn 3: Từ năm 2000 đến nay Các nghiên cứu, ứng dụng plasmonic tập trung nhiều vào chuyển đổi năng lượng mặt trời, kênh dẫn sóng plasmonic, các linh kiện quang tử cho mạch quang tử tích hợp mật độ cao, siêu vật liệu (metamaterials). Sự kết hợp các cấu trúc nano từ tính với các cấu trúc nanoplasmonic đã làm tăng mật độ lưu trữ dữ liệu cao hơn một terabit (240 bit) trên mỗi inch vuông.
Các ứng dụng của plasmonic Nhiều ứng dụng dựa trên plasmonic đã được biết đến như: tạo nguồn sáng, tế bào pin mặt trời, quang học trường gần [6], quang phổ Raman tăng cường bề mặt [7, 8], quang khắc nano [9, 10], y sinh, cảm biến hóa học [11], đánh dấu sinh học, cảm biến sinh học [12-15], lưu trữ dữ liệu [3], kênh dẫn sóng plasmonic [16-24], các linh kiện quang tử cho mạch quang tử tích hợp mật độ cao [25-33], truyền thông tần số THz [34, 35], … Tạo nguồn sáng Plasmonic có thể tạo và điểu khiển bức xạ điện từ ở những bước sóng khác nhau từ vùng quang học đến vi sóng. Các nhà nghiên cứu đã thu được kết quả đáng khích lệ đối với LED hữu cơ (các OLED), đây là một thiết bị đã trở nên phổ biến hiện nay trong các màn hình số. Trong một OLED, đến 40% công suất truyền trong không khí bị tổn hao do sự dập tắt các mode SP. Người ta dùng một vi cấu trúc tuần hoàn để phục hồi công suất bị tổn hao của các SP.
Với cách tiếp cận này, hiệu ứng quang phát quang mạnh đã được ghi nhận từ một cấu trúc phát quang hữu cơ phát xạ đỉnh, trong đó quá trình phát xạ diễn ra trong lớp màng mỏng bạc [36]. Kết quả cho thấy việc phủ thêm lớp điện môi nano vào cổng của OLED phát xạ đỉnh sẽ tăng hiệu suất phát quang của những cấu trúc này lên hai bậc độ lớn so với cấu trúc plasma tương ứng. Lớp điện môi có nhiệm vụ ghép các mode plasmon bề mặt trên hai bề mặt kim loại, trong khi đó hình thái học dạng nếp nhăn của lớp điện môi làm cho các mode tán xạ ánh sáng. 7 Quang khắc nano Trong quang khắc nano plasmon, khi tần số cộng hưởng plasmon nằm trong phạm vi độ nhạy của các lớp cảm quang, trường quang học gần với bề mặt kim loại được tăng cường.
Do không bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ, chúng ta có thể tạo ra các cấu trúc dưới bước sóng bằng cách chiếu sáng trên một vùng rộng lớp cảm quang với ánh sáng khả kiến. Với kỹ thuật này, người ta đã tạo hình được các vạch có kích thước nhỏ hơn 100 nm bằng phương pháp quang khắc ở bước sóng 436 nm. Hiệu suất của quang khắc nano plasmon có thể tăng lên khi dùng “các siêu thấu kính” do Pendry đề xuất. Các siêu thấu kính được dùng để tăng cường các sóng suy biến thông qua kích thích các plasmon bề mặt.
Hiệu quả của kích thích plasmon bên trong siêu thấu kính sẽ bù tổn hao của sóng suy biến bên ngoài siêu thấu kính. Sau đó sóng suy biến tái tạo được dùng để phục hồi ảnh bên dưới giới hạn nhiễu xạ ở phía đối diện của thấu kính. Thấu kính có hiệu ứng đặc biệt này có thể chế tạo từ các tấm vật liệu mỏng với độ cảm và độ thẩm âm, hoặc cả hai đều âm. Với việc dùng bạc như các siêu thấu kính tự nhiên, một số nhà nghiên cứu đã tiến hành thành công phương pháp chụp ảnh dưới giới hạn nhiễu xạ với độ phân giải một lớp là 60 nm, hoặc một phần sáu bước sóng chiếu tới.
Bằng cách thiết kế thích hợp bước sóng làm việc và độ dày của bạc, chúng ta có thể tiếp cận được một phổ rộng của các đường nét dưới bước sóng, các cấu trúc nano tùy ý có thể được chụp ảnh với độ trung thực cao [37]. Chíp Plasmon Công nghệ plasmonic có thể giúp các thiết bị kích thước nano hoạt động ở phạm vi tần số THz (Hình 1.2); hứa hẹn tạo ra thế hệ các chíp plasmon mới. Trong truyền thông, các bus dữ liệu tín hiệu điện sẽ được thay thế bởi các bus dữ liệu tín hiệu quang hoạt động với tốc độ siêu nhanh. Các chíp plasmon sẽ có các cổng đầu vào và đầu ra quang học, những cổng này sẽ được kết nối quang học với các thiết bị quang tử thông thường qua các bộ ghép plasmonic.
Các bộ ghép cần phải có hiệu suất cao, chiều dài truyền phải lớn hơn bước sóng quang học để tránh ghép trực tiếp với ánh sáng đang truyền tới các thiết bị nano quang tử bên trong chíp plasmonic. Vật liệu chế tạo bằng 8 các hạt nano kim loại bán cầu đóng vai trò như vật liệu plasmon và kênh dẫn sóng plasmon.2: Tốc độ xử lý phụ thuộc vào kích thước của các công nghệ chế tạo chíp [25] Khi plasmon hội tụ di chuyển vào bộ ghép, chiều dài truyền qua bộ ghép là 4. Các hạt nano cũng có thể được dùng để hội tụ các plasmon bề mặt thành một chấm có cường độ trường cao nhưng phải nhỏ hơn bước sóng. Việc kiểm soát các plasmon tích cực là yêu cầu cần thiết để thiết kế các bộ điều biến và chuyển mạch plasmon.
Các nhà khoa học đã chế tạo thành công thiết bị plasmon bằng cách kết hợp các màng polyme mỏng chứa phân tử màu với màng mỏng bạc [38]. Thiết bị plasmon phân tử gồm hai lớp polyme, một lớp chứa các phân tử màu và lớp còn lại chứa các phân tử nhận có khả năng phát huỳnh quang. Người ta thấy rằng các plasmon bề mặt ghép có thể truyền năng lượng kích thích từ các phân tử cho sang các phân tử nhận ở phía đối diện của màng kim loại dày đến 120 nm. Các phân tử cho hấp thụ ánh sáng tới và chuyển năng lượng sang các phân tử nhận thông qua các tương tác lưỡng cực-lưỡng cực.
Sau đó, các phân tử nhận sẽ phát ra phổ huỳnh quang đặc trưng của chúng. Những kết quả bước đầu này đã minh chứng cho khả năng điều khiển chủ động sự lan truyền plasmon và các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc khám phá sự điều biến điện quang, toàn quang (all-optic) và áp điện có khả năng truyền dẫn sóng plasmon dưới bước sóng. 9 Những nỗ lực nghiên cứu sâu rộng đang phát triển không ngừng để chế tạo được chíp plasmonic. Trong tương lai gần, người ta có thể dùng các liên kết plasmonic để giải quyết vấn đề năng suất trong các mạch số kể cả vi xử lý.
Các liên kết điện tử thông thường có thể được dùng để truyền dữ liệu số giữa các mảng transistor điện tử cục bộ. Nhưng khi cần truyền nhiều dữ liệu từ một phần của chíp đến phần khác cách xa vị trí đó, thông tin điện nên được chuyển thành thông tin quang - plasmonic, gửi dọc theo kênh plasmonic và chuyển lại thành thông tin điện tại nơi đến. Tuy nhiên, hiệu suất hiện nay của các kênh dẫn sóng plasmonic chưa thể thỏa mãn được loại ứng dụng này, vì vậy cần phải có nhiều nghiên cứu hơn về lĩnh vực này. Nếu các thành phần plasmonic có thể được chế tạo thành công dưới dạng các đường truyền số tốc độ cao vào các mạch điện tử, đây sẽ là một trong những thành tựu mới của plasmonic.
Nhóm nghiên cứu của giáo sư S.