ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BAO CAO TONG KET KET QUA THUC HIEN DE TAI KH&CN CAP ĐẠI HỌC QUOC GIA Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế cảm biến quang tích hợp sử dụng cấu trúc plasmonic lai ghép vật liệu silic Mã số đề tài: QG.58 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Anh Tuấn Hà Nội, 2024 PHAN I. THONG TIN CHUNG 1. Tên dé tài: Nghiên cứu, thiết kế cảm biến quang tích hợp sử dung cấu trúc plasmonic lai ghép vật liệu silic 1.
Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài Chức danh, học vị, họ và Vai trò thực hiện đề TT tên Đơn vị công tác tài 1 [NCS Nguyễn Anh Tuan Trường ĐHQGH Quốc tế, Chủ nhiệm * đề tài ˆ ` Trường Quốc tế, Thành viên thực hiện 2 |PGS.TS Lê Trung Thanh DHOGH chinh PGS.TS Nguyễn Thanh Trường Quốc tế, an 3 Ting ĐHQGH Thành viên x 1.8 Trường Quốc tế, , 4 |ThS. Đô Hoang Nam ĐHQGH Thư ký khoa học 5 |TS. ¬~ Nguyễn Văn Tánh Trường ĐHQGH Quốc té, Thành viên ^ wk Truong Quốc tế, Thành viên thực hiện 6 |TS. Lê Duy Tiên DHOGH chinh 7 |ThS.
Nguyễn Mạnh Cường |Bệnh viện Tim Hà Nội |Thành viên 8 [TS. Bùi Thị Thùy Trường Đại học FPT [Thành viên 9 NCS Nguyễn Thi Hồng Truon DH Tài nguyên [Thành viên thực hiện Loan và Môi trường Hà Nội |chinh Học viện Chính sách ` ` " 10 |NCS Đỗ Thế Dương và Phát triển, Bộ Ké _ | Thành chính viên thực hiện hoạch và Đầu tư Một sô học viên va sinh viên Một số đơn vị trong và 11 ngoài DHQGHN 1. Don vị chủ trì: Trường Quốc tế, DHQGHN 1. Thời gian thực hiện: 1.
Theo hợp đồng: 24 tháng từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 12 năm 2020 1. Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 10 năm 2023 1. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Không 1. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 400 triệu đồng.
TONG QUAN KET QUA NGHIÊN CUU 1. Dat van dé Trước đây, kỹ thuật do, cảm biến sử dung sợi quang đã được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vì cảm biến dựa vào sợi quang có độ chính xác, miễn nhiễm điện từ, có độ bền cao và dễ chế tạo. Tuy nhiên, nhược điểm của cảm biến dùng sợi quang là kích thước lớn, không có khả năng tích hợp và chỉ đo được một tham số ở một thời điểm. Gần đây, việc nghiên cứu thiết kế các bộ cảm biến quang tích hợp thay vì sợi quang đã được chú ý bởi nhiều nhà khoa học trên toàn thé giới bởi ưu điểm của nó là kích thước nhỏ, dé dàng chế tạo hàng loạt, có khả năng tích hợp, có độ nhạy và độ chính xác cao.
Đề phát triển kỹ thuật cảm biến quang, một số khía cạnh được quan tâm đặc biệt đó là việc thiết kế các bộ bién năng (Transducer) nhằm tăng tín hiệu cần đo, giảm ảnh hưởng của nhiễu, thiết kế cấu trúc tiếp xúc để giảm thời gian đo, phân tích dữ liệu khi đo. Trong đó, cấu trúc cảm biến dé có độ nhạy cao và giới hạn đo thấp là vấn đề được quan tâm nhiều nhất và quan trọng nhất. Với cảm biến quang, tham số đánh giá quan trọng là độ nhạy (Sensitivity) và giới hạn đo (Detection limit). Độ nhạy là biên độ sự thay đổi của tín hiệu chuyên đối tương ứng với sự thay đổi của chất cần đo.
Về cơ bản, độ nhạy được xác định băng cường độ tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Cảm biến có độ nhạy cao cho phép phát hiện nhanh các chất ở nồng độ siêu nhỏ và cho phép chuẩn đoán được bệnh trong thời gian tiền nhiễm bệnh. Trong mấy chục năm qua, cảm biến khí H2 được ứng dụng rộng rãi như ứng dụng trong vận chuyên, lưu trữ khí H2 và các tế nao năng lượng, pin năng lượng. Khí H2 có đặc điểm không màu, không mùi, dé bắt cháy nên kỹ thuật cảm biến khí H2 thương khác so với các kỹ thuật cảm biến truyền thống.
Các kỹ thuật cảm biến khác nhau được sử dụng gần đây dé đo và phát hiện khí H2 như cảm biến sử dụng oxit kim loại, cảm biến điện hoá, cảm biến điện nhiệt và cách tử Bragg sử dụng các chất nhạy H2 như WO3 va Pt. Tuy nhiên, yêu cầu về cảm biến H2 cần có độ nhạy cao, có đặc tính lựa chọn, đặc hiệu tốt và dải đo rộng thì chỉ có thể thực hiện được băng công nghệ cảm biến quang tích hợp. Trong nghiên cứu này, đề tài thiết kế một số cấu trúc cảm biến quang tích hợp mới đo khí H2 có độ nhạy, dải đo rộng và kích thước nhỏ. Cấu trúc cảm biến được thiết kế trên ống dẫn sóng nano silic (Silicon nanowire) nên tương thích với công nghệ chế tao CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) hiện nay.
Bởi vay, thiết bị cảm biến có ưu điểm là kích thước 2 cực nhỏ, rẻ tiền, dé dang đóng gói va có khả năng chế tạo hàng loạt dùng công nghệ chế tạo mạch vi điện tử. Cảm biến quang trong nghiên cứu này có thê tích hợp trên một chip duy nhất và có thé xem như là một ứng cử viên cho nền tang phòng thí nghiệm trên một chip (Lab on chip). Giới thiệu chung về cấu trúc và nguyên lý của cảm biến quang Dé có cái nhìn khái quát về công nghệ cảm biến quang, trong Hình 1 dé tài chỉ ra sơ đồ tổng quát của một hệ thống cảm biến quang. Nguồn phát tín hiệu quang được đưa vào bộ cảm biến qua sợi quang đầu vào.
Đầu ra của bộ cảm biến được nối với một bộ thu quang. Cường độ, bước sóng, pha hay độ phân cực của tín hiệu ra sẽ thay đổi phụ thuộc vào môi trường cần đo. Băng cách đo sự thay đôi của các tham số đó, tham số môi trường cần đo có thê được xác định. a ~ ⁄ ` ⁄ ` - Soi quang / - \ Nguôn quang Vùng cân đo — Bộ thu quang ` / N 7 ` 4 ~ a Hình 1.
Cấu trúc chung của hệ thống cảm biến quang Cảm biến quang (optical sensor) có rất nhiều ưu điểm so với các cảm biến khác như tránh được nhiễu điện từd, có độ nhạy cao, tương thích với hệ thống thông tin quang, phản ứng nhanh và băng thông cực lớn. Cảm biến quang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y sinh, môi trường và quân sự. Các loại cảm biến ứng dụng trong y sinh và môi trường như cảm biến phân tử, DNA, độ pH, các chất kim loại nặng, v.thường yêu cầu đạt được một vài tham số hiệu năng cao hơn so với các loại cảm biến khác. Đặc biệt, trong lĩnh vực y sinh, cảm biến y sinh thường yêu cầu phải có độ nhạy cực cao và không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh như nhiệt độ và áp suất.
Điều này chỉ có thé đạt được khi dùng cảm biến quang. Các cảm biến quang có thé đạt được độ nhạy cao, kích thước nhỏ va giá thành rẻ.2 chỉ ra cấu trúc và nguyên tắc chung của cảm biến quang không dùng nhãn (label-free) dựa vào thay đổi chiết suất. Khi xuất hiện chất cần đo, chiết suất của vỏ ông dẫn sóng thay đổi do vậy đặc tính truyền dẫn của ánh sáng qua cấu trúc thay đổi. Nếu ta đo được sự thay đổi này, ta sẽ biết được chat cần đo.
Target molecule Buffer solution Light intensity Biorecognition molecule Hình 1.2 Nguyên tắc chung của cảm biến quang không dùng nhãn Hình 1.3 là sơ đồ tổng quát của một hệ thong cam bién quang với một SỐ ứng dụng cu thé. Nguồn phat tín hiệu quang được đưa vào bộ cảm biến qua sợi quang đầu vào. Đầu ra của bộ cảm biến được nối với một bộ thu quang. Cường độ, bước sóng, pha hay độ phân cực của tín hiệu ra sẽ thay đôi phụ thuộc vào chat và môi trường cần đo.
Bằng cách đo sự thay đổi của các tham số đó, tham số môi trường va chất cần đo có thé được xác định. Khi môi trường cần đo bao phủ xung quanh lớp vỏ của ống dan sóng, chiết suất hiệu dụng của ống dan sóng sẽ thay đổi. Bằng cách đo sự thay đổi của chiết suất hiệu dụng trong ống dẫn sóng, các tham số cần đo có thể được xác định. Interface chemistry Fiber optic fluorescence SPR chemiluminescence Pa " Planar guidewave ki =| DNAzyme Interferometer | Colorimetric = ¡ Aptamer Toxins 1 Ø af Cell aie a Targets Biorecognition molecules Optical transducers Signal processing Hình 1.Cau trúc chung và ứng dung của hệ thong cảm biến quang Yêu cầu về phân tích, định lượng nhanh, chính xác các chất sinh học như glucose, protein, DNA, virus,.ở nồng độ siêu nhỏ là một yêu cầu quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của các ngành y tế, môi trường, thực phẩm, nông nghiép,.Lay vi dụ thông qua việc phat hiện các protein đặc trưng, đột biến gen, kháng nguyên và kháng thể trong bệnh phẩm, cho phép chuẩn đoán nhanh, chính xác nhiều bệnh nguy hiểm như ung thư, lây nhiễm 4 virus, sản phẩm đột biến gen, tiêu đường,.
Những thành tựu đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh, hóa học đến nay đã xác định được khoảng gần 200 chất đánh dấu sinh học (biological maker) [5]. Như vậy mở ra khả năng mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong các ngành liên quan như sinh học, y học, dược phẩm, nông nghiệp, môi trường. Các loại cảm biến ứng dụng trong y sinh và môi trường như cảm biến phân tử, DNA, độ pH, các chất kim loại nặng, v.thường yêu cầu đạt được một vài tham số hiệu năng cao hơn so với các loại cảm biến khác. Đặc biệt, trong lĩnh vực y sinh, cảm biến y sinh thường yêu cầu phải có độ nhạy cực cao và không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh như nhiệt độ và áp suất.
Điều này chỉ có thé đạt được khi dung cảm biến quang tích hợp. Cảm biến quang có thể được chia ra làm hai kiểu dựa vào cơ chế cảm biến và cau trúc cảm biến. Cơ chế cảm biến quang Dựa vào các hiện tượng vật lý ứng dụng trong các bộ cảm biến, người ta chia ra các loại cảm biến sau: a) Cảm biến huỳnh quang Khi ánh sáng truyền qua sợi quang được bao phủ bởi môi trường (ví dụ như phân tử y sinh) cần đo, các phân tử của môi trường sẽ được kích thích từ trạng thái có mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hơn. Các phân tử ở trạng thái này không bên, có xu hướng chuyền về các mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon.
Hiện tượng này gọi là hiện tượng kháng thé huỳnh quang và có thé được sử dụng dé phát hiện sự có mặt của phân tử y sinh nào đó.