Nghiên Cứu và Chế Tạo Các Waveguide Plasmon Bề Mặt

• Tác giả: Nguyen Van Chinh
• Người hướng dẫn: Dr. Chu Manh Hoang
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Materials Science
• Đề tài: Nghiên Cứu và Chế Tạo Các Waveguide Plasmon Bề Mặt
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hanoi

• ACKNOWLEDGEMENT
• LIST OF PUBLICATIONS
• STATEMENT OF ORIGINAL AUTHORSHIP
• CONTENTS
• 1. CHƯƠNG 1: FUNDAMENTALS OF PLASMONICS
• 1.1. History of development
• 1.2. Fundamentals of Surface Plasmon Polaritons
• 1.3. Wedge surface plasmon polariton waveguides
• 1.4. Conventional wedge waveguides
• 1.5. Hybrid wedge waveguides
• 1.6. Fabrication of wedge waveguides
• 1.7. Exciting surface plasmon polariton mode in the wedge waveguide
• 1.8. Applications of wedge waveguides
• 1.9. Purpose of this thesis
• 2. DESIGN AND SIMULATION OF WAVEGUIDE
• 2.1. Basic theory for the simulation of waveguides
• 2.2. Structure of triangular waveguide. The thickness of metal layer
• 2.3. The tip angle of triangular waveguide
• 2.4. Height of triangular waveguide. The refractive index of cladding medium
• 2.5. Model of the waveguides
• 2.6. Results and discussion
• 3. FABRICATION OF WAVEGUIDE
• 3.1. Process of fabrication
• 3.2. Oxidation of SOI wafer
• 3.3. Isotropic wet–etching in buffered Hydrofluoric acid solution
• 3.4. Anisotropic etching in Potassium Hydroxide
• 3.5. Sputtering metal layer
• 3.6. Results of the fabrication of waveguide
• 4. SUGGESTED FURTURE WORKS
• LIST OF FIGURES
• GLOSSARY OF TERMS AND ABBREVIATIONS

I. Tổng Quan Về Waveguide Plasmon Bề Mặt Khái Niệm Lịch Sử

Waveguide Plasmon Bề Mặt (SPP) là kết quả của sự tương tác mạnh mẽ giữa sóng điện từ và dao động tập thể của các electron tại giao diện kim loại - điện môi. SPP mở ra tiềm năng cho các mạch quang học tích hợp mật độ cao. Từ xa xưa, các nghệ nhân đã sử dụng tính chất này để tạo ra màu sắc rực rỡ trong các tác phẩm thủy tinh, ví dụ như chiếc cốc Lycurgus từ thế kỷ thứ 4 sau Công Nguyên. Cốc có màu xanh lục khi chiếu sáng thông thường và chuyển sang màu đỏ khi chiếu sáng từ bên trong. Sự thay đổi này do các hạt nano vàng và bạc có kích thước và hình dạng khác nhau được nhúng trong thủy tinh. Đầu thế kỷ 20, Robert Wood quan sát thấy các dải tối và sáng bất thường khi chiếu ánh sáng phản xạ trên gương có lưới nhiễu xạ. Năm 1956, David Pines đưa ra lý thuyết giải thích sự mất năng lượng của electron khi đi qua kim loại là do dao động tập thể của electron tự do. Ông gọi đó là plasmon.

1.1. Lịch sử phát triển của Plasmon Bề Mặt Từ Cổ Đại Đến Hiện Đại

Nghiên cứu về plasmon đã trải qua một quá trình phát triển dài. Năm 1957, Rufus Ritchie công bố nghiên cứu về sự mất năng lượng electron trong màng mỏng, chứng minh sự tồn tại của các mode plasmon gần bề mặt kim loại. Một năm sau, John Joseph Hopfield giới thiệu thuật ngữ 'polariton' để mô tả sự kết hợp giữa electron và ánh sáng bên trong môi trường trong suốt. Đến năm 1968, Andreas Otto và Erich Kretschmann đề xuất hai phương pháp kích thích plasmon bề mặt trên màng kim loại. Từ đây, lĩnh vực nghiên cứu plasmon phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự tiến bộ của kỹ thuật nano, phân tích vật lý và mô phỏng. Số lượng công bố khoa học về plasmon tăng nhanh từ giữa những năm 1990.

1.2. Ứng dụng tiềm năng của Waveguide Plasmon trong quang học nano

Waveguide plasmon, đặc biệt là waveguide plasmon bề mặt, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong quang học nano. Khả năng kiểm soát và dẫn truyền ánh sáng ở kích thước nano giúp tạo ra các thiết bị quang học nhỏ gọn và hiệu quả hơn. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm cảm biến sinh học độ nhạy cao, linh kiện quang học tích hợp, và nguồn sáng nano. Mặc dù là một lĩnh vực đầy hứa hẹn, nghiên cứu về plasmon ở Việt Nam còn hạn chế, với một số nhà khoa học tập trung vào tính toán lý thuyết về plasmon khối và plasmon cục bộ.

II. Nguyên Lý Hoạt Động Waveguide Plasmon Bề Mặt SPPs Chi Tiết

Các Surface plasmon polariton (SPPs) hình thành từ sự liên kết mạnh mẽ giữa sóng điện từ và dao động tập thể của electron tại giao diện giữa kim loại và vật liệu điện môi. Xem xét một giao diện đơn giản giữa kim loại (z < 0) với hàm điện môi phức 𝜀₁(𝜔) và chất điện môi (z > 0) với hàm điện môi thực 𝜀₂. Phương trình Maxwell mô tả hiện tượng này. Chọn trục x theo hướng truyền sóng, ta có phương trình lan truyền sóng tại mặt phẳng z = 0: 𝐸 = 𝐸₀exp[𝑖(𝑘𝑥𝑥 + 𝑘𝑧𝑧 − 𝜔𝑡)].

2.1. Công thức tính toán và phương trình Maxwell cho SPPs

Giải phương trình Maxwell với điều kiện liên tục của trường tại giao diện, ta thu được thành phần tiếp tuyến của vector sóng SPP: 𝑘𝑥 = 𝑘₀√(𝜀₁𝜀₂/(𝜀₁ + 𝜀₂)), với 𝑘₀ = 𝜔/𝑐 là vector sóng trong chân không. Hàm điện môi của kim loại có dạng 𝜀₁(𝜔) = 𝜀′₁(𝜔) + 𝑖𝜀″₁(𝜔). Để 𝑘𝑥 là số phức, cần có 𝜀′₁ < 0 và |𝜀′₁| > 𝜀₂. Đây là điều kiện để xảy ra SPP tại giao diện. Vì tính liên tục của 𝑘𝑥 qua giao diện, ta có 𝑘𝑧𝑖 = √(𝜀𝑖𝑘₀² − 𝑘𝑥²) (i = 1,2). Do sự giam cầm tại bề mặt, SPP phân cực p và 𝑘𝑧 thuần ảo. Điều này có nghĩa SPP chỉ xuất hiện dưới dạng sóng ngang từ (TM) và 𝑘𝑥 lớn hơn số sóng ánh sáng trong chân không.

2.2. Chiều dài lan truyền và độ suy giảm của sóng SPPs

Phần ảo của vector sóng tiếp tuyến 𝑘″𝑥 đặc trưng cho sự suy giảm của SPP. Chiều dài lan truyền mà cường độ giảm xuống 1/e được định nghĩa bởi 𝐿𝑆𝑃𝑃 = 1/(2𝑘″𝑥). Trong trường hợp kim loại có độ suy hao thấp và |𝜀′₁| ≫ 𝜀₂, chiều dài lan truyền được tính gần đúng bởi 𝐿𝑆𝑃𝑃 ≈ (𝜀′₁²/𝜀″₁)λ. Bạc có chiều dài lan truyền từ 50 - 300 μm cho bước sóng trong khoảng 0.5 - 1.5 μm. Các cấu trúc đa lớp, SPP xuất hiện tại mỗi giao diện đơn. Nếu khoảng cách giữa các giao diện lân cận tương đương hoặc nhỏ hơn độ xuyên sâu của mode giao diện, tương tác giữa SPP tạo ra các mode liên kết.

III. Thiết Kế Mô Phỏng Waveguide Plasmon Hình Tam Giác Hướng Dẫn

Để đạt được mạch quang tử với mật độ tích hợp cao, cần phát triển các thành phần quang học thu nhỏ. Một hướng nghiên cứu gần đây tập trung vào phát triển waveguide quang học nano có khả năng lan truyền sóng với độ giam cầm trường mạnh. Ba loại waveguide nano điển hình đã được phát triển: dây nano quang tử, waveguide tinh thể quang tử và waveguide nano plasmon. Hai loại đầu tiên bị giới hạn do hiện tượng nhiễu xạ quang học cổ điển. Ngược lại, waveguide nano plasmon có thể phá vỡ giới hạn nhiễu xạ và cho phép giam cầm bước sóng sâu, đây là một ứng cử viên rất hấp dẫn cho mật độ tích hợp cực cao.

3.1. Ưu điểm của Waveguide Plasmon so với Waveguide truyền thống

Một waveguide nano plasmon cung cấp một cách để hợp nhất điện tử và quang tử, có khả năng hiện thực hóa các mạch tích hợp quang điện tử cực nhỏ để tiêu thụ điện năng thấp và tạo tín hiệu tốc độ cao, xử lý cũng như phát hiện. Vô số waveguide nano plasmon đã được đề xuất và chứng minh trong những năm qua, bao gồm waveguide nano khe kim loại, waveguide dải, waveguide rãnh V kim loại, waveguide hình nêm và waveguide lai. Nghiên cứu này tập trung vào xem xét cấu trúc và đặc điểm của waveguide hình nêm cũng như các ứng dụng của chúng. Cấu trúc waveguide hình nêm được đề xuất để đáp ứng mục tiêu đạt được kích thước mode nhỏ hơn bước sóng trong khi vẫn giữ chiều dài lan truyền tương đối cao.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất Waveguide Plasmon hình tam giác

Xem xét sự phụ thuộc của các đặc tính mode của WPP như một hàm của các tham số hình học liên quan, cho thấy khi chiều cao của hình nêm giảm, chỉ số hiệu dụng mode neff (tức là vector sóng mode chia cho vector sóng trong chân không) có xu hướng đến chỉ số hiệu dụng của SPP trên bề mặt phẳng (đối với h < hc, neff đạt đến chỉ số hiệu dụng của SPP và mode không còn được dẫn hướng). Chú ý rằng chỉ số hiệu dụng thấp tương đương với một trường mở rộng hơn. Kích thước mode và chiều dài lan truyền giảm khi chiều cao hình nêm tăng lên. Hành vi của các đặc tính mode WPP (∞) khi góc  tăng lên gợi nhớ đến những gì xảy ra khi chiều cao h giảm. Tuy nhiên, có một sự khác biệt lớn: không có góc tới hạn nào mà trên đó mode không còn được dẫn hướng. Khi  tăng đến 180 o, chiều dài lan truyền, n eff và kích thước mode có xu hướng đến những của SPP trên bề mặt phẳng. Kích thước mode tăng nhanh khi góc tăng lên, nhưng các mô phỏng số cho thấy dẫn sóng bất kể góc lớn đến đâu (bất cứ khi nào < 180 o).

IV. Chế Tạo Waveguide Plasmon Bề Mặt Quy Trình Kết Quả

Các bước để chế tạo waveguide hình nêm bao gồm: phủ một lớp oxit silic và lớp cản quang lên tấm silicon, chiếu và triển khai lớp cản quang, sau đó chuyển mẫu vào oxit. Tiếp theo, khắc V trong silicon, lắng đọng vàng sau khi loại bỏ oxit, lắng đọng niken và cuối cùng hòa tan chất nền silicon. Cấu trúc waveguide hình nêm được đề xuất để đáp ứng mục tiêu đạt được kích thước mode nhỏ hơn bước sóng. Tuy nhiên, do tổn thất ohmic trong kim loại, điều này dẫn đến chiều dài lan truyền tương đối ngắn trong waveguide hình nêm thông thường.

4.1. Phương pháp chế tạo Waveguide Plasmon sử dụng khắc ướt và lắng đọng kim loại

Một số waveguide plasmon bề mặt lai đã được phát triển trong những năm qua, khai thác khả năng giam cầm ánh sáng chặt chẽ của hình nêm kim loại trong khi đạt được chiều dài lan truyền tương đối dài. Các waveguide lai khai thác các đặc tính dẫn hướng vượt trội của plasmon hình nêm kết hợp với độ tương phản chỉ số khúc xạ cao gần các đầu hình nêm, kích thước mode có thể được ép vào các không gian nhỏ hơn đáng kể so với các đối tác hình nêm thông thường của chúng.

4.2. Các kỹ thuật khắc và lắng đọng kim loại trong chế tạo Waveguide Plasmon

Các waveguide lai sử dụng các đặc tính của hình nêm để giảm thiểu thêm kích thước của mode được dẫn hướng. Các nghiên cứu tối ưu hóa cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ giam cầm mode hoặc chiều dài lan truyền so với các waveguide khác. Việc kiểm soát chính xác các thông số chế tạo là rất quan trọng để đạt được hiệu suất mong muốn.

V. Ứng Dụng Tiềm Năng Waveguide Plasmon Cảm Biến Linh Kiện Quang Học

Waveguide plasmon có nhiều ứng dụng tiềm năng nhờ khả năng kiểm soát ánh sáng ở kích thước nano. Các ứng dụng bao gồm cảm biến sinh học độ nhạy cao, linh kiện quang học tích hợp mật độ cao và nguồn sáng nano. Độ nhạy cao của plasmon đối với sự thay đổi môi trường xung quanh cho phép phát triển các cảm biến có khả năng phát hiện các phân tử sinh học với nồng độ rất thấp. Kích thước nhỏ gọn của waveguide plasmon cho phép tạo ra các linh kiện quang học tích hợp với mật độ cao hơn so với các linh kiện truyền thống.

5.1. Cảm biến sinh học dựa trên Waveguide Plasmon Nguyên lý và ưu điểm

Cảm biến sinh học dựa trên waveguide plasmon hoạt động dựa trên sự thay đổi của các đặc tính plasmon khi các phân tử sinh học liên kết với bề mặt waveguide. Sự thay đổi này có thể được phát hiện thông qua sự thay đổi của chỉ số khúc xạ hoặc sự hấp thụ ánh sáng. Ưu điểm của cảm biến plasmon bao gồm độ nhạy cao, khả năng phát hiện các phân tử nhỏ và khả năng hoạt động trong thời gian thực.

5.2. Linh kiện quang học tích hợp sử dụng Waveguide Plasmon

Linh kiện quang học tích hợp sử dụng waveguide plasmon cho phép tạo ra các mạch quang học phức tạp trên một chip duy nhất. Các linh kiện này có thể bao gồm bộ chia, bộ ghép, bộ điều biến và máy dò ánh sáng. Kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao của waveguide plasmon giúp tăng mật độ tích hợp và giảm tiêu thụ năng lượng của các mạch quang học.

VI. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Waveguide Plasmon Bề Mặt Tiềm Năng

Nghiên cứu về waveguide plasmon tiếp tục phát triển với mục tiêu cải thiện hiệu suất và mở rộng ứng dụng. Các hướng nghiên cứu tương lai bao gồm phát triển các vật liệu mới cho waveguide plasmon với độ suy hao thấp hơn, thiết kế các cấu trúc waveguide phức tạp hơn để tăng cường độ giam cầm ánh sáng và khám phá các ứng dụng mới trong các lĩnh vực như y sinh học, năng lượng và viễn thông. Sự kết hợp giữa waveguide plasmon và các công nghệ nano khác có thể mở ra những khả năng hoàn toàn mới.

6.1. Vật liệu mới cho Waveguide Plasmon Giảm suy hao và tăng hiệu suất

Vật liệu là yếu tố quan trọng trong việc xác định hiệu suất của waveguide plasmon. Các vật liệu kim loại truyền thống như vàng và bạc có độ suy hao tương đối cao. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào phát triển các vật liệu mới, bao gồm các hợp kim, oxit dẫn điện trong suốt (TCO) và vật liệu topo, với độ suy hao thấp hơn và hiệu suất cao hơn.

6.2. Tích hợp Waveguide Plasmon với công nghệ nano khác

Sự tích hợp giữa waveguide plasmon và các công nghệ nano khác, chẳng hạn như nano dây, nano hạt và vật liệu hai chiều, có thể tạo ra các thiết bị quang học mới với các tính năng độc đáo. Ví dụ, tích hợp waveguide plasmon với nano dây có thể tăng cường độ giam cầm ánh sáng và tạo ra các nguồn sáng nano hiệu quả hơn. Tích hợp với vật liệu hai chiều có thể cho phép điều khiển ánh sáng ở quy mô nguyên tử.

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, lĩnh vực plasmonics đã thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của cộng đồng khoa học nhờ khả năng vượt qua giới hạn nhiễu xạ quang học, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang học nano và tích hợp quang-điện tử. Theo báo cáo của ngành, số lượng bài báo liên quan đến "surface plasmon" tăng trưởng nhanh chóng từ năm 1960 đến 2008, phản ánh sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo nano, kỹ thuật phân tích vật lý và mô phỏng số. Tuy nhiên, tại Việt Nam, nghiên cứu về plasmonics còn khá hạn chế, chủ yếu tập trung vào các tính toán lý thuyết về plasmon khối và plasmon cục bộ.

Luận văn này tập trung nghiên cứu và chế tạo các cấu trúc sóng dẫn plasmon polariton bề mặt dạng nêm (wedge plasmon polariton waveguides) sử dụng công nghệ ăn mòn ướt (wet etching) trên nền tảng wafer SOI (Silicon-on-Insulator). Mục tiêu chính là thiết kế, mô phỏng và thực hiện các cấu trúc sóng dẫn có khả năng hội tụ trường điện từ ở kích thước dưới bước sóng, đồng thời duy trì độ dài truyền dẫn hợp lý nhằm ứng dụng trong các mạch quang nano tích hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các cấu trúc sóng dẫn dạng tam giác và hình thang với các tham số hình học như độ dày lớp kim loại, góc nêm, chiều cao và môi trường bao quanh, trong khoảng thời gian từ 2014 đến 2016 tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị quang học nano như microresonator, nanolaser, và cảm biến quang học với khả năng hội tụ trường điện từ cực nhỏ, góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ plasmonics tại Việt Nam và trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết nền tảng về plasmon polariton bề mặt (Surface Plasmon Polaritons - SPPs), mô hình sóng dẫn plasmon nêm (Wedge Plasmon Polariton - WPP) và các cấu trúc sóng dẫn lai (hybrid wedge waveguides). Các khái niệm chính bao gồm:

• Surface Plasmon Polaritons (SPPs): Sóng điện từ bề mặt phát sinh từ sự tương tác mạnh giữa sóng điện từ và dao động tập thể của electron tự do tại giao diện kim loại - môi trường điện môi. SPPs có tính chất phân bố trường điện từ giảm dần theo hàm mũ vuông góc với bề mặt, chỉ tồn tại dưới dạng sóng điện từ phân cực ngang (TM).

• Wedge Plasmon Polariton (WPP): Chế độ sóng dẫn plasmon trên cấu trúc nêm kim loại, cho phép hội tụ trường điện từ tại đầu mút nêm với kích thước cực nhỏ, đồng thời duy trì khả năng truyền dẫn xa hơn so với các cấu trúc sóng dẫn khác.

• Hybrid Wedge Waveguides: Cấu trúc lai kết hợp giữa nêm kim loại và lớp điện môi có chiết suất cao nhằm giảm tổn hao ohmic và kéo dài độ dài truyền dẫn, đồng thời giữ được khả năng hội tụ trường điện từ ở kích thước nano.

Các mô hình toán học được xây dựng dựa trên phương trình Maxwell, với điều kiện biên liên tục tại giao diện, và được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM). Các tham số quan trọng như chỉ số khúc xạ hiệu dụng, độ dài truyền dẫn, kích thước mode được tính toán và phân tích chi tiết.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình sóng dẫn plasmon được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm mô phỏng điện từ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các cấu trúc sóng dẫn tam giác và hình thang với các biến đổi tham số như độ dày lớp kim loại (10-200 nm), góc nêm (từ 54.7° đến 135°), chiều cao sóng dẫn (0.3-1.5 µm) và chiết suất môi trường bao quanh (1.0-1.5).

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng điện từ: Sử dụng FEM với kích thước lưới nhỏ nhất khoảng 1 nm tại vùng đầu nêm để đảm bảo độ chính xác cao. Số lượng phần tử trên bước sóng được đặt là 60 để cân bằng giữa độ chính xác và hiệu suất tính toán.

• Phân tích tham số: Thay đổi từng tham số hình học và môi trường để đánh giá ảnh hưởng đến các đặc tính sóng dẫn như chỉ số khúc xạ hiệu dụng, độ dài truyền dẫn và kích thước mode.

• Quy trình chế tạo: Thực hiện trên wafer SOI (100) bằng kỹ thuật ăn mòn ướt anisotropic sử dụng dung dịch KOH, kết hợp với kỹ thuật phủ kim loại bằng sputtering để tạo lớp kim loại mỏng trên bề mặt sóng dẫn.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2014 đến 2016, với các bước chính gồm thiết kế mô hình, mô phỏng, chế tạo thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng độ dày lớp kim loại: Khi độ dày lớp kim loại tăng từ 10 nm đến 200 nm, chỉ số khúc xạ hiệu dụng (n_eff) giảm dần, trong khi độ dài truyền dẫn tăng lên và hội tụ trường điện từ giảm nhẹ. Đặc biệt, tại độ dày khoảng 20 nm, hiện tượng cộng hưởng giữa mode plasmon nêm và mode bậc cao trong sóng dẫn silicon gây ra tổn hao tối đa, làm giảm đáng kể độ dài truyền dẫn. Ví dụ, độ dài truyền dẫn tại 20 nm giảm xuống mức thấp nhất, trong khi ở 150 nm trở lên, hiện tượng cộng hưởng này gần như biến mất.

2. Ảnh hưởng góc nêm: Với góc nêm nhỏ (khoảng 54.7°), chỉ số khúc xạ hiệu dụng cao hơn và độ dài truyền dẫn ngắn hơn so với góc lớn (135°). Khi góc nêm tăng, kích thước mode tăng nhanh, làm giảm khả năng hội tụ trường điện từ, tuy nhiên sóng dẫn vẫn được duy trì cho đến góc gần 180°. Ví dụ, tại góc 54.7°, kích thước mode khoảng vài trăm nanomet, trong khi tại 135°, kích thước mode tăng lên đáng kể.

3. Ảnh hưởng chiều cao sóng dẫn: Khi chiều cao sóng dẫn tăng từ 0.3 µm đến 1 µm, chỉ số khúc xạ hiệu dụng và độ dài truyền dẫn đều tăng, đạt đến giá trị bão hòa khi chiều cao vượt quá 1 µm. Chiều cao thấp làm giảm sự cộng hưởng giữa các mode, dẫn đến giảm hiệu quả truyền dẫn.

4. Ảnh hưởng môi trường bao quanh: Khi chiết suất môi trường bao quanh tăng từ 1.0 (không khí) lên 1.5 (polymer hoặc chất lỏng), chỉ số khúc xạ hiệu dụng tăng, trong khi độ dài truyền dẫn và kích thước mode giảm nhanh chóng. Điều này cho thấy sóng dẫn rất nhạy cảm với môi trường, mở ra tiềm năng ứng dụng trong cảm biến quang học.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên liên quan đến sự tương tác giữa sóng plasmon và các mode điện từ trong cấu trúc sóng dẫn silicon, cũng như ảnh hưởng của tổn hao ohmic trong kim loại. Hiện tượng cộng hưởng tại độ dày kim loại 20 nm làm tăng tổn hao do sự trùng khớp wavenumber giữa mode plasmon và mode bậc cao, gây giảm độ dài truyền dẫn. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về sóng dẫn plasmon nêm, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của việc tối ưu hóa tham số hình học để cân bằng giữa hội tụ trường và tổn hao.

Việc tăng góc nêm làm giảm khả năng hội tụ trường điện từ nhưng kéo dài độ dài truyền dẫn, phù hợp với các ứng dụng cần truyền dẫn xa hơn. Chiều cao sóng dẫn và môi trường bao quanh cũng là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính sóng dẫn, cho phép điều chỉnh linh hoạt theo yêu cầu ứng dụng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự biến thiên của chỉ số khúc xạ hiệu dụng, độ dài truyền dẫn và kích thước mode theo từng tham số hình học và môi trường, giúp trực quan hóa mối quan hệ và hỗ trợ thiết kế tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa độ dày lớp kim loại: Khuyến nghị sử dụng lớp kim loại có độ dày từ 60 nm đến 150 nm để giảm thiểu hiện tượng cộng hưởng gây tổn hao, đồng thời duy trì khả năng hội tụ trường điện từ tốt. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm, thời gian: 3-6 tháng.

2. Điều chỉnh góc nêm phù hợp: Ưu tiên thiết kế góc nêm trong khoảng 54.7° đến 90° để cân bằng giữa độ hội tụ và độ dài truyền dẫn, phù hợp với mục tiêu ứng dụng cụ thể như nanolaser hoặc cảm biến. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và chế tạo, thời gian: 6 tháng.

3. Kiểm soát môi trường bao quanh: Sử dụng lớp phủ điện môi có chiết suất phù hợp để tăng khả năng cảm biến và điều chỉnh đặc tính sóng dẫn, ví dụ polymer hoặc chất lỏng có chiết suất từ 1.3 đến 1.5. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển sản phẩm, thời gian: 3 tháng.

4. Ứng dụng công nghệ ăn mòn ướt anisotropic: Áp dụng kỹ thuật ăn mòn ướt KOH trên wafer SOI (100) để tạo bề mặt nêm với góc 54.7° có độ nhẵn cao, giảm thiểu tổn hao do bề mặt thô ráp. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm chế tạo, thời gian: 6 tháng.

Các giải pháp trên cần được phối hợp đồng bộ nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định của sóng dẫn plasmon nêm, phục vụ cho các ứng dụng trong mạch quang tích hợp và thiết bị quang nano.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu và quang học nano: Có thể áp dụng các kết quả mô phỏng và phương pháp chế tạo để phát triển các thiết bị plasmonic mới, nâng cao hiệu suất và tính ứng dụng.

2. Kỹ sư thiết kế mạch quang tích hợp: Sử dụng các thông số và mô hình sóng dẫn để thiết kế các thành phần quang học kích thước nano, như sóng dẫn, microresonator, nanolaser.

3. Chuyên gia phát triển cảm biến quang học: Khai thác tính nhạy cảm của sóng dẫn plasmon với môi trường bao quanh để phát triển cảm biến sinh học, hóa học với độ nhạy cao.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành khoa học vật liệu, quang học và kỹ thuật điện tử: Tham khảo để hiểu rõ cơ sở lý thuyết, phương pháp mô phỏng và quy trình chế tạo các cấu trúc plasmonic tiên tiến.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm, nâng cao kiến thức chuyên môn hoặc mở rộng hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực plasmonics.

Câu hỏi thường gặp

1. Surface Plasmon Polaritons (SPPs) là gì?
   SPPs là sóng điện từ bề mặt phát sinh từ sự tương tác giữa sóng điện từ và dao động tập thể của electron tự do tại giao diện kim loại - điện môi, có khả năng hội tụ trường điện từ dưới giới hạn nhiễu xạ.

2. Tại sao chọn công nghệ ăn mòn ướt KOH để chế tạo sóng dẫn?
   KOH là dung dịch ăn mòn anisotropic mạnh, tạo ra bề mặt tinh thể phẳng, góc nêm 54.7° ổn định, giúp giảm tổn hao do bề mặt thô ráp, phù hợp với yêu cầu chế tạo sóng dẫn plasmon nêm.

3. Độ dày lớp kim loại ảnh hưởng thế nào đến sóng dẫn?
   Độ dày kim loại ảnh hưởng đến chỉ số khúc xạ hiệu dụng, độ dài truyền dẫn và kích thước mode. Đặc biệt, độ dày khoảng 20 nm gây cộng hưởng với mode bậc cao, làm tăng tổn hao.

4. Làm thế nào để kích thích sóng plasmon trên sóng dẫn nêm?
   Có thể sử dụng các phương pháp như coupling qua lăng kính (prism coupling), coupling qua sóng dẫn hoặc sử dụng mạng nhiễu xạ để đạt điều kiện bảo toàn vector sóng, kích thích sóng plasmon.

5. Ứng dụng thực tế của sóng dẫn plasmon nêm là gì?
   Sóng dẫn plasmon nêm được ứng dụng trong các thiết bị quang học nano như nanolaser, microresonator, cảm biến quang học với khả năng hội tụ trường điện từ cực nhỏ và truyền dẫn hiệu quả.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công các cấu trúc sóng dẫn plasmon nêm trên nền wafer SOI sử dụng công nghệ ăn mòn ướt KOH.
• Phân tích chi tiết ảnh hưởng của các tham số hình học và môi trường bao quanh đến đặc tính sóng dẫn, cung cấp cơ sở cho việc tối ưu thiết kế.
• Phát hiện hiện tượng cộng hưởng giữa mode plasmon và mode bậc cao tại độ dày kim loại khoảng 20 nm, ảnh hưởng đến tổn hao sóng dẫn.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa độ dày kim loại, góc nêm, chiều cao sóng dẫn và môi trường bao quanh nhằm nâng cao hiệu suất sóng dẫn.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong các thiết bị quang học nano tích hợp và phát triển quy trình chế tạo với độ chính xác cao hơn.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để phát triển prototype thiết bị nanolaser và cảm biến plasmonic, đồng thời mở rộng nghiên cứu về sóng dẫn hybrid và tương tác lượng tử trong plasmonics. Đề nghị các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực liên hệ để hợp tác phát triển ứng dụng thực tiễn.