Nghiên Cứu Thiết Kế và Mô Phỏng Kênh Dẫn Sóng Plasmonic Dạng Nêm

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu thiết kế mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hương
• Người hướng dẫn: PGS. Chu Mạnh Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế, Mô Phỏng Và Khảo Sát Hoạt Động Của Một Số Kênh Dẫn Sóng Plasmonic Dạng Nêm
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC
• 1.2. Sơ lược quá trình phát triển
• 1.3. Các ứng dụng của plasmonic
• 1.4. Cơ sở lý thuyết polariton plasmon bề mặt
• 1.5. Nguyên lý cơ bản của polariton plasmon bề mặt
• 1.6. Các phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt
• 1.7. Phân loại kênh dẫn sóng plasmonic
• 1.8. KÊNH DẪN SÓNG DẠNG NÊM
• 1.8.1. Cấu trúc kênh dẫn sóng dạng nêm truyền thống
• 1.8.2. Các kênh dẫn sóng dạng nêm lai
• 1.8.3. Một số ứng dụng cơ bản của kênh dẫn sóng plasmon dạng nêm
• 1.9. KÊNH DẪN SÓNG DẠNG RÃNH
• 1.9.1. Cấu trúc kênh dẫn sóng dạng rãnh truyền thống
• 1.9.2. Các kênh dẫn sóng dạng rãnh lai
• 1.9.3. Một số ứng dụng cơ bản của kênh dẫn sóng dạng rãnh
• 1.10. KÊNH DẪN SÓNG KHE HẸP LAI
• 1.11. CÁC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM
• 1.12. PHÁT TRIỂN GẦN ĐÂY CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC
• 1.13. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC
• 2.2. MÔ PHỎNG KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC
• 2.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.2.2. Phương pháp chia lưới và nghiên cứu sự hội tụ vào chia lưới
• 3. CHƯƠNG 3: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM DỰA TRÊN ĂN MÒN DỊ HƯỚNG ƯỚT
• 3.1. KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM
• 3.2. CÁC MODE TRUYỀN CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM
• 3.3. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM
• 3.4. TĂNG CƯỜNG CHIỀU DÀI TRUYỀN SÓNG PLASMON BẰNG CÁCH SỬ DỤNG CÁC GIAO DIỆN LỚP ÔXÍT MỎNG/KIM LOẠI VÀ GIAO DIỆN LỚP KIM LOẠI/KIM LOẠI
• 3.4.1. Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon bằng cách sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại
• 3.4.2. Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon bằng cách sử dụng giao diện lớp kim loại /kim loại
• 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI. CẤU TRÚC KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI
• 4.1. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC HGSPPW- RMW-RDW
• 4.2. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC HGSPPW- TMW-RDW
• 4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG SAI CHẾ TẠO
• 4.3.1. Sai lệch giữa nêm kim loại và kênh dẫn sóng điện môi
• 4.3.2. Độ xoay của nêm kim loại
• 4.3.3. Độ tròn góc đỉnh của nêm kim loại
• 4.3.4. Nhiễu chéo gây ra bởi các thành phần điện môi kết cặp với kênh dẫn sóng điện môi
• 4.3.5. Kết cặp giữa các kênh dẫn sóng
• 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• 5. CHƯƠNG 5: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI TÙY BIẾN
• 5.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI
• 5.2. KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI TÙY BIẾN DỰA TRÊN CHẤT LỎNG
• 5.3. TÙY BIẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI BẰNG CÁCH NHIỄU LOẠN SÓNG RÌA
• 5.4. Mô hình kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến
• 5.5. Tùy biến đặc trưng truyền sóng plasmonic
• 5.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Kênh Dẫn Sóng Plasmonic Dạng Nêm Giới Thiệu

Kênh dẫn sóng plasmonic đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu sôi động trong những năm gần đây, đặc biệt là các cấu trúc dạng nêm. Sự kết hợp giữa plasmon bề mặt và công nghệ nano mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong truyền dẫn quang học, cảm biến, và các thiết bị quang tử tích hợp. Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm hứa hẹn khả năng tập trung ánh sáng ở kích thước dưới bước sóng, vượt qua giới hạn nhiễu xạ ánh sáng thông thường. Điều này cho phép tạo ra các thiết bị quang học nhỏ gọn và hiệu quả hơn. Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của chúng.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Ứng Dụng của Plasmonics

Sự phát hiện ra plasmon đã tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học và vật liệu. Các nghiên cứu về plasmon bề mặt đã tăng trưởng theo cấp số nhân trong những năm gần đây, chứng tỏ sức hấp dẫn của lĩnh vực này. Plasmonics đã tìm thấy ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cảm biến sinh học, quang điện, và truyền thông quang học. Các kênh dẫn sóng plasmonic đóng vai trò quan trọng trong việc thu nhỏ kích thước các thiết bị quang học và tăng cường hiệu suất của chúng.

1.2. Cơ Sở Lý Thuyết về Polariton Plasmon Bề Mặt SPP

Polariton plasmon bề mặt (SPP) là các dao động tập thể của electron trên bề mặt kim loại, kết hợp với photon ánh sáng. Hiện tượng này cho phép ánh sáng lan truyền dọc theo bề mặt kim loại ở kích thước nano. Các kênh dẫn sóng plasmonic khai thác tính chất này để dẫn ánh sáng qua các cấu trúc nano, vượt qua giới hạn nhiễu xạ. Hiểu rõ cơ sở lý thuyết về SPP là rất quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa các kênh dẫn sóng plasmonic.

II. Thách Thức và Vấn Đề Trong Thiết Kế Kênh Dẫn Sóng

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc thiết kế kênh dẫn sóng plasmonic cũng đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự suy giảm tín hiệu do hấp thụ năng lượng bởi kim loại. Điều này hạn chế khoảng cách truyền dẫn của kênh dẫn sóng. Ngoài ra, việc chế tạo các cấu trúc nano với độ chính xác cao cũng là một thách thức lớn. Các sai sót trong quá trình chế tạo có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của kênh dẫn sóng. Nghiên cứu này tập trung vào việc giải quyết những thách thức này thông qua việc tối ưu hóa thiết kế và sử dụng các vật liệu mới.

2.1. Suy Giảm Tín Hiệu và Độ Dài Truyền Dẫn Giới Hạn

Sự suy giảm tín hiệu là một vấn đề nghiêm trọng trong kênh dẫn sóng plasmonic. Kim loại hấp thụ năng lượng ánh sáng, làm giảm cường độ tín hiệu khi lan truyền. Điều này hạn chế độ dài truyền dẫn của kênh dẫn sóng. Các phương pháp để giảm suy giảm tín hiệu bao gồm sử dụng các vật liệu kim loại có độ suy giảm thấp, tối ưu hóa hình dạng kênh dẫn sóng, và sử dụng các cấu trúc lai.

2.2. Yêu Cầu Độ Chính Xác Cao Trong Chế Tạo Nano

Việc chế tạo các cấu trúc nano với độ chính xác cao là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của kênh dẫn sóng plasmonic. Các sai sót nhỏ trong quá trình chế tạo có thể làm thay đổi đáng kể các đặc tính quang học của kênh dẫn sóng. Các kỹ thuật chế tạo tiên tiến như khắc chùm ion hội tụ (FIB) và in nano được sử dụng để tạo ra các cấu trúc nano với độ chính xác cao.

2.3. Tối Ưu Hóa Thiết Kế và Lựa Chọn Vật Liệu Plasmonic

Việc tối ưu hóa thiết kế và lựa chọn vật liệu là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của kênh dẫn sóng plasmonic. Các thông số thiết kế như hình dạng, kích thước, và vật liệu có thể được điều chỉnh để giảm suy giảm tín hiệu và tăng cường độ dài truyền dẫn. Các vật liệu plasmonic như vàng (Au) và bạc (Ag) thường được sử dụng, nhưng các vật liệu mới như oxit dẫn điện trong suốt (TCO) cũng đang được nghiên cứu.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Kênh Dẫn Sóng Plasmonic Hiệu Quả

Để thiết kế và tối ưu hóa kênh dẫn sóng plasmonic, các phương pháp mô phỏng số đóng vai trò quan trọng. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp sai phân hữu hạn theo thời gian (FDTD) là hai phương pháp phổ biến được sử dụng để mô phỏng các đặc tính quang học của kênh dẫn sóng. Các phần mềm như COMSOL và Lumerical FDTD cho phép mô phỏng chính xác sự lan truyền của ánh sáng trong các cấu trúc nano. Kết quả mô phỏng giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về hoạt động của kênh dẫn sóng và đưa ra các cải tiến thiết kế.

3.1. Sử Dụng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn FEM với COMSOL

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một phương pháp số mạnh mẽ để giải các bài toán vật lý. Phần mềm COMSOL cung cấp một môi trường mô phỏng đa vật lý, cho phép mô phỏng các đặc tính quang học, điện từ, và nhiệt của kênh dẫn sóng plasmonic. FEM được sử dụng để tính toán các mode truyền, chiết suất hiệu dụng, và độ suy giảm của kênh dẫn sóng.

3.2. Ứng Dụng Phương Pháp Sai Phân Hữu Hạn Theo Thời Gian FDTD

Phương pháp sai phân hữu hạn theo thời gian (FDTD) là một phương pháp số khác được sử dụng rộng rãi để mô phỏng kênh dẫn sóng plasmonic. FDTD giải các phương trình Maxwell theo thời gian, cho phép mô phỏng sự lan truyền của ánh sáng trong các cấu trúc phức tạp. FDTD đặc biệt hữu ích để mô phỏng các hiện tượng phi tuyến và tán xạ ánh sáng.

3.3. Phân Tích Mode và Tối Ưu Hóa Thiết Kế Kênh Dẫn Sóng

Phân tích mode là một bước quan trọng trong việc thiết kế kênh dẫn sóng plasmonic. Phân tích mode cho phép xác định các mode truyền của kênh dẫn sóng, chiết suất hiệu dụng, và độ suy giảm. Dựa trên kết quả phân tích mode, các thông số thiết kế của kênh dẫn sóng có thể được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất mong muốn.

IV. Thiết Kế Kênh Dẫn Sóng Plasmonic Dạng Nêm Các Bước

Thiết kế kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về hình dạng, kích thước, và vật liệu. Góc nêm, chiều cao, và độ rộng của nêm là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của kênh dẫn sóng. Vật liệu kim loại và điện môi cũng đóng vai trò quan trọng. Vàng (Au) và bạc (Ag) thường được sử dụng làm vật liệu kim loại, trong khi silica (SiO2) và các vật liệu có chiết suất cao được sử dụng làm vật liệu điện môi. Quá trình thiết kế thường bao gồm các bước mô phỏng, phân tích, và tối ưu hóa để đạt được hiệu suất tốt nhất.

4.1. Ảnh Hưởng của Góc Nêm và Kích Thước Kênh Dẫn Sóng

Góc nêm và kích thước của kênh dẫn sóng ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính quang học của nó. Góc nêm nhỏ hơn thường dẫn đến sự tập trung ánh sáng tốt hơn, nhưng cũng có thể làm tăng suy giảm tín hiệu. Kích thước của kênh dẫn sóng phải được tối ưu hóa để đạt được sự cân bằng giữa độ tập trung ánh sáng và suy giảm tín hiệu.

4.2. Lựa Chọn Vật Liệu Kim Loại và Điện Môi Phù Hợp

Vật liệu kim loại và điện môi đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của kênh dẫn sóng plasmonic. Vàng (Au) và bạc (Ag) là các vật liệu kim loại phổ biến do có độ suy giảm thấp trong vùng quang phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại. Silica (SiO2) và các vật liệu có chiết suất cao được sử dụng làm vật liệu điện môi để điều chỉnh các đặc tính quang học của kênh dẫn sóng.

4.3. Tối Ưu Hóa Thiết Kế để Giảm Suy Hao và Tăng Cường Truyền Dẫn

Mục tiêu chính của thiết kế kênh dẫn sóng plasmonic là giảm suy hao tín hiệu và tăng cường độ dài truyền dẫn. Điều này có thể đạt được thông qua việc tối ưu hóa hình dạng, kích thước, và vật liệu của kênh dẫn sóng. Các kỹ thuật như sử dụng cấu trúc lai và lớp giao diện mỏng có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của kênh dẫn sóng.

V. Ứng Dụng Thực Tế Của Kênh Dẫn Sóng Plasmonic Dạng Nêm

Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Chúng có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến sinh học có độ nhạy cao, các thiết bị quang học tích hợp nhỏ gọn, và các hệ thống truyền thông quang học tốc độ cao. Các ứng dụng khác bao gồm điều biến ánh sáng, xử lý tín hiệu quang học, và quang học phi tuyến. Nghiên cứu này khám phá các ứng dụng tiềm năng của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm và đề xuất các giải pháp để hiện thực hóa chúng.

5.1. Cảm Biến Sinh Học Độ Nhạy Cao Dựa Trên Plasmonics

Kênh dẫn sóng plasmonic có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến sinh học có độ nhạy cao. Sự thay đổi trong môi trường xung quanh kênh dẫn sóng có thể làm thay đổi các đặc tính quang học của nó, cho phép phát hiện các phân tử sinh học với độ chính xác cao. Các cảm biến này có thể được sử dụng trong chẩn đoán y tế, giám sát môi trường, và an ninh thực phẩm.

5.2. Thiết Bị Quang Học Tích Hợp Kích Thước Nano

Kênh dẫn sóng plasmonic cho phép thu nhỏ kích thước các thiết bị quang học, mở ra tiềm năng cho các thiết bị quang học tích hợp nhỏ gọn. Các thiết bị này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như xử lý tín hiệu quang học, truyền thông quang học, và hiển thị.

5.3. Truyền Thông Quang Học Tốc Độ Cao và Hiệu Quả

Kênh dẫn sóng plasmonic có thể được sử dụng để tạo ra các hệ thống truyền thông quang học tốc độ cao. Khả năng dẫn ánh sáng ở kích thước nano cho phép tăng mật độ tích hợp và giảm kích thước của các thiết bị truyền thông quang học. Điều này có thể dẫn đến các hệ thống truyền thông nhanh hơn và hiệu quả hơn.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Kênh Dẫn Sóng Plasmonic

Nghiên cứu về kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm đã đạt được nhiều tiến bộ trong những năm gần đây. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết để hiện thực hóa tiềm năng đầy đủ của công nghệ này. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm phát triển các vật liệu mới, tối ưu hóa thiết kế, và khám phá các ứng dụng mới. Kênh dẫn sóng plasmonic hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như quang học, điện tử, và sinh học trong tương lai.

6.1. Vật Liệu Plasmonic Mới và Cấu Trúc Lai Tiên Tiến

Phát triển các vật liệu plasmonic mới và cấu trúc lai tiên tiến là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các vật liệu mới có thể có độ suy giảm thấp hơn và các đặc tính quang học tốt hơn. Cấu trúc lai có thể kết hợp các ưu điểm của các loại kênh dẫn sóng khác nhau để đạt được hiệu suất tốt hơn.

6.2. Tối Ưu Hóa Thiết Kế và Chế Tạo Kênh Dẫn Sóng

Tối ưu hóa thiết kế và chế tạo kênh dẫn sóng là một hướng nghiên cứu quan trọng khác. Các kỹ thuật mô phỏng và chế tạo tiên tiến có thể được sử dụng để tạo ra các kênh dẫn sóng với hiệu suất cao hơn và độ chính xác cao hơn.

6.3. Khám Phá Ứng Dụng Mới và Tiềm Năng Phát Triển

Khám phá các ứng dụng mới của kênh dẫn sóng plasmonic là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm cảm biến sinh học, quang học tích hợp, và truyền thông quang học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM Ngành: Khoa học Vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. CHU MẠNH HOÀNG 2. PHẠM ĐỨC THÀNH Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. Chu Mạnh Hoàng và TS. Phạm Đức Thành. Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Thay mặt Tập thể hướng dẫn Tác giả PGS. Chu Mạnh Hoàng Nguyễn Thanh Hương i LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS. Chu Mạnh Hoàng và TS. Phạm Đức Thành, những người thầy đã truyền động lực nghiên cứu cho tôi, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Nhờ sự chỉ bảo tận tình của các thầy, tôi đã có được những kiến thức về khoa học vật liệu, về các công nghệ chế tạo, những kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu và trên hết là có được sự kiên trì đi theo con đường nghiên cứu khoa học. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện ITIMS, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Kinh tế Quốc dân đã tạo điều kiện về thời gian, vật chất và tinh thần giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS. Vũ Ngọc Hùng, TS. Vũ Thu Hiền, cùng các anh, chị, em trong phòng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS: ThS. Nguyễn Văn Chính, TS. Nguyễn Ngọc Minh, TS. Đặng Văn Hiếu, TS. Nguyễn Văn Minh, TS. Nguyễn Thị Quỳnh Chi, PGS. Ngô Đức Quân, ThS. Nguyễn Ngọc Sơn, ThS. Lê Văn Tâm… đã chia sẻ những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, đã động viên và có những thảo luận góp ý giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Toán đã tạo điều kiện và hướng dẫn tôi sử dụng các thiết bị và làm việc trong phòng sạch. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở bên, động viên khích lệ tôi trong thời gian qua. Tôi xin cảm ơn các cán bộ, giảng viên ở bộ môn Công nghệ thông tin, trường ĐH Kinh tế Quốc dân đã quan tâm, hỗ trợ tôi trong công việc để tôi tập trung hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin giành lời cảm ơn cho gia đình, gia đình là hậu phương vững chắc, là chỗ dựa tinh thần để tôi có thể yên tâm nghiên cứu trong suốt thời gian vừa qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Thanh Hương ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT . vi DANH MỤC HÌNH VẼ . vii DANH MỤC BẢNG . xiii MỞ ĐẦU . 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC . Sơ lược quá trình phát triển . Các ứng dụng của plasmonic . Cơ sở lý thuyết polariton plasmon bề mặt . Nguyên lý cơ bản của polariton plasmon bề mặt . Các phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt . Phân loại kênh dẫn sóng plasmonic . KÊNH DẪN SÓNG DẠNG NÊM. Cấu trúc kênh dẫn sóng dạng nêm truyền thống . Các kênh dẫn sóng dạng nêm lai . Một số ứng dụng cơ bản của kênh dẫn sóng plasmon dạng nêm . KÊNH DẪN SÓNG DẠNG RÃNH . Cấu trúc kênh dẫn sóng dạng rãnh truyền thống . Các kênh dẫn sóng dạng rãnh lai . Một số ứng dụng cơ bản của kênh dẫn sóng dạng rãnh . KÊNH DẪN SÓNG KHE HẸP LAI . CÁC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM . PHÁT TRIỂN GẦN ĐÂY CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN . 36 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN . CƠ SỞ LÝ THUYẾT KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC . MÔ PHỎNG KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC . Phương pháp phần tử hữu hạn . Phương pháp chia lưới và nghiên cứu sự hội tụ vào chia lưới . 41 CHƯƠNG 3: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM DỰA TRÊN ĂN MÒN DỊ HƯỚNG ƯỚT . KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM . CÁC MODE TRUYỀN CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM . CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM . TĂNG CƯỜNG CHIỀU DÀI TRUYỀN SÓNG PLASMON BẰNG CÁCH SỬ DỤNG CÁC GIAO DIỆN LỚP ÔXÍT MỎNG/KIM LOẠI VÀ GIAO DIỆN LỚP KIM LOẠI/KIM LOẠI . Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon bằng cách sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại . Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon bằng cách sử dụng giao diện lớp kim loại /kim loại . KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 . 68 CHƯƠNG 4: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI. CẤU TRÚC KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI . CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC HGSPPW- RMW-RDW . CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC HGSPPW- TMW-RDW . ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG SAI CHẾ TẠO . Sai lệch giữa nêm kim loại và kênh dẫn sóng điện môi . Độ xoay của nêm kim loại . Độ tròn góc đỉnh của nêm kim loại . Nhiễu chéo gây ra bởi các thành phần điện môi kết cặp với kênh dẫn sóng điện môi . Kết cặp giữa các kênh dẫn sóng. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 . 84 CHƯƠNG 5: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI TÙY BIẾN . CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI . KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI TÙY BIẾN DỰA TRÊN CHẤT LỎNG . TÙY BIẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI BẰNG CÁCH NHIỄU LOẠN SÓNG RÌA . Mô hình kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến . Tùy biến đặc trưng truyền sóng plasmonic . KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 . 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 107 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 2PP Two-Photon Polymerization Polyme hóa hai photon ATR Attenuated Total Reflectance Phản xạ toàn phần điều biến CDW Circular Dielectric Waveguide Kênh dẫn sóng điện môi có mặt cắt hình tròn CPP Channel Plasmon-Polariton Kênh dẫn sóng plasmon dạng kênh DW Dielectric Waveguide Kênh dẫn sóng điện môi FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FIB Focused Ion Beam Chùm tia ion hội tụ FoM Figure of Merit Hệ số phẩm chất FWHM Full Width At Half Maximum Chiều rộng ở nửa cực đại HGP Hybrid Gap Plasmon Plasmon khe hẹp lai HGSPPW Hybrid Gap Surface Plasmon Kênh dẫn sóng plasmonic khe Polariton Waveguide hẹp lai LSP Localized Surface Plasmon Plasmon bề mặt định xứ MEMS Microelectromechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử OLED Organic Light-Emiting Diode Đi ốt phát ánh sáng hữu cơ RDW Rectangular High-Refractive- Kênh dẫn sóng điện môi chỉ Index Dielectric Waveguide số khúc xạ cao có mặt cắt ngang hình chữ nhật RMW Rectangular Metallic Wedge Nêm kim loại hình chữ nhật SOI Silicon On Insulator Phiến silíc-ôxít-silíc SPP Surface Plasmon Polariton Polariton plasmon bề mặt TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TMW Tapered Metallic Wedge Nêm kim loại WPP Wedge Plasmon Polariton Polariton plasmon ở đỉnh nêm vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự gia tăng các nghiên cứu về plasmonic [5] .2: Tốc độ xử lý phụ thuộc vào kích thước của các công nghệ chế tạo chíp [25] .3: Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt .4: Mô hình lan truyền SPP tại giao diện kim loại/ điện môi .5: Mô hình hệ thống ba lớp .6: Xấp xỉ kênh dạng nêm và dạng rãnh .7: Vectơ sóng k và kSPP .8: Kết cặp lăng kính SPP trong cấu hình Otto (a) và Kretschmann (b).9: Sơ đồ kết cặp kênh dẫn sóng .10: Sơ đồ kết cặp cách tử .11: Một số cấu trúc kênh dẫn sóng: (a) tải điện môi, (b) dải kim loại, (c) dạng nêm, (d) dạng rãnh, (e) chuỗi hạt nano kim loại và (g1-g5) khe hẹp lai .12: Sơ đồ kênh dẫn sóng dạng nêm truyền thống: (a) cấu trúc cạnh trên bề mặt kim loại; vật liệu xung quanh kênh dẫn sóng là điện môi, thường là không khí, (b) cấu trúc bao gồm một kênh dẫn sóng điện môi được phủ bởi một lớp kim loại và (c) cấu trúc tương tự như (a) nhưng được bao phủ bởi một lớp điện môi phía trên nêm kim loại.13: Sơ đồ mặt cắt ngang của các kênh dẫn sóng plasmon dạng nêm lai điển hình: (a) kênh dẫn sóng dạng nêm điện môi lai, (b) cấu trúc bao gồm một lớp đệm silíc được kẹp giữa một lớp bạc và một kênh silíc tam giác, (c) cấu trúc bao gồm một kênh dẫn sóng bán dẫn hình tam giác bao quanh bởi một lớp kim loại thông qua một lớp điện môi, (d) cấu trúc bao gồm một kênh dẫn sóng bán dẫn hình tam giác được đặt trên nền bạc với một khoảng trống, (e) một dây nano bán dẫn tròn trên kênh dẫn sóng dạng nêm kim loại, (f) kênh dẫn sóng điện môi hình tam giác đặt trên một kênh dẫn kim loại hình tam giác và (e, f, g, h) là các kênh dẫn sóng dạng nêm kết cặp đơn và kết cặp đôi .14: Sơ đồ bộ điều biến pha plasmonic [98]. Các vị trí của các đường nét đứt được xác định bởi các điểm tiếp tuyến giữa dây nano CdS và lớp MgF2 dọc theo trục x và qua tâm của dây nano [45] .16: (a) Các đặc trưng chỉ số mode hiệu dụng, vùng mode, độ dài lan truyển của mode CPP phụ thuộc độ dày của lớp kim loại vàng, (b) phân bố điện trường phụ thuộc độ dày lớp vàng tại bước sóng 700 nm và (c) phân bố điện trường phụ thuộc độ dày lớp vàng tại bước sóng 1550 nm .17: Một số cấu trúc kênh dẫn sóng dạng rãnh lai .19: Bộ chia chữ Y và giao thoa kế MZ [30] .20: Bộ cộng hưởng vòng [30] .22: Sơ đồ các bước chế tạo kênh dạng nêm sử dụng kỹ thuật khắc ướt kết hợp với kỹ thuật truyền mẫu khuôn [77] .23: Sơ đồ thiết kế cho việc chế tạo các cấu trúc bề mặt SPP (bên trái) và sự truyền lan plasmon trong một kênh dẫn sóng điện môi được chế tạo bởi 2PP (bên phải). SPP được kích thích ở phía bên tay phải [111] .24: Mô hình phân loại và các hướng nghiên cứu chính của kênh dẫn sóng plasmonic.1: Các dạng biên chung giữa các phần tử [130] .