Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) và NEMS (Nano ElectroMechanical Systems), việc chế tạo và khảo sát đặc trưng của vi thấu kính đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất các hệ thống quang học tích hợp. Theo ước tính, các thiết bị MEMS/NEMS ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong truyền thông, cảm biến môi trường và y sinh, đòi hỏi các thành phần quang học nhỏ gọn, chính xác và có khả năng hội tụ ánh sáng hiệu quả. Vi thấu kính trên cơ sở màng micro-nano SU-8 được xem là giải pháp tiềm năng nhờ tính trong suốt, độ bền cơ học và hóa học cao, cùng khả năng chế tạo linh hoạt.

Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình chế tạo vi thấu kính sử dụng công nghệ quang khắc và quay phủ với vật liệu SU-8, đồng thời khảo sát các đặc trưng hình thái học và quang học của vi thấu kính nhằm ứng dụng trong hệ thống quang MEMS/NEMS. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trung tâm Nano và Năng lượng, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2016-2017. Mục tiêu cụ thể là xây dựng phương pháp chế tạo đơn giản, hiệu quả, tạo ra vi thấu kính có bề mặt nhẵn bóng, tiêu cự dưới 10 mm và tỉ lệ truyền qua ánh sáng trên 80%, phù hợp cho các ứng dụng truyền thông và cảm biến.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển linh kiện quang học tích hợp kích thước micro-nano, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các hệ thống MEMS/NEMS trong thực tế, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết quang hình học cơ bản về thấu kính, bao gồm:

  • Khái niệm thấu kính hội tụ và phân kỳ: Thấu kính hội tụ có khả năng hội tụ các tia sáng song song vào tiêu điểm, trong khi thấu kính phân kỳ làm phân tán các tia sáng. Các dạng hình học phổ biến gồm thấu kính hai mặt lồi, phẳng-lồi, khum dương, hai mặt lõm, phẳng-lõm và khum âm.

  • Mô hình quang học thấu kính mỏng: Sử dụng công thức thấu kính mỏng để tính tiêu cự $f$ dựa trên chiết suất $n$ và bán kính cong các mặt thấu kính $R_1, R_2$ theo công thức: $$ D = \frac{1}{f} = (n-1) \left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \right) $$

  • Đặc trưng quang học của vi thấu kính: Tiêu cự, điểm ảnh, độ phóng đại và tỉ lệ truyền qua ánh sáng là các khái niệm chính được khảo sát để đánh giá hiệu suất của vi thấu kính.

  • Công nghệ MEMS/NEMS: Các bước chế tạo như xử lý bề mặt, quang khắc, quay phủ, ăn mòn khô và đinh hình polymer SU-8 được áp dụng để tạo hình vi thấu kính với kích thước micro-nano.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Trung tâm Nano và Năng lượng, Đại học Quốc gia Hà Nội, kết hợp với mô phỏng quang học bằng phần mềm OSLO.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng hình học thấu kính để tối ưu bán kính cong và tiêu cự, đo độ dày và hình thái bề mặt bằng thiết bị Alpha-step, khảo sát đặc trưng quang học như tỉ lệ truyền qua và tiêu cự bằng hệ đo quang học với nguồn sáng bước sóng 650 nm.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Chế tạo và khảo sát nhiều mẫu vi thấu kính với bán kính đáy 1 mm, 1,2 mm, 1,5 mm và các thể tích SU-8 từ 0,6 μl đến 1 μl nhằm đánh giá ảnh hưởng kích thước và thể tích đến đặc trưng quang học.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2017, bao gồm giai đoạn mô phỏng, chế tạo mẫu, đo đạc và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô phỏng tối ưu vi thấu kính: Vi thấu kính có bán kính đáy 1 mm với bán kính mặt cong 5 mm đạt tiêu cự 8,8 mm và tỉ lệ truyền qua ánh sáng 89,6%, phù hợp với yêu cầu đặt ra (tiêu cự < 10 mm, truyền qua > 80%). Vi thấu kính với bán kính cong 6 mm có tiêu cự 10,57 mm và truyền qua 94,9% (Bảng 3-2).

  2. Ảnh hưởng kích thước đáy và thể tích SU-8 đến độ cao vi thấu kính: Với cùng thể tích SU-8 1 μl, vi thấu kính có bán kính đáy nhỏ hơn (1 mm) có độ cao lớn hơn so với bán kính đáy lớn hơn (1,5 mm). Khi thể tích SU-8 tăng từ 0,6 μl đến 1 μl với bán kính đáy 1 mm, độ cao vi thấu kính tăng từ 0,25 mm lên 0,4 mm (Bảng 3-3, 3-4).

  3. Đặc trưng quang học thực nghiệm: Tiêu cự đo được của vi thấu kính tương ứng với giá trị mô phỏng, điểm ảnh hội tụ rõ nét, tỉ lệ truyền qua ánh sáng đạt trên 80%, đảm bảo hiệu quả hội tụ và truyền sáng trong hệ quang MEMS/NEMS.

  4. Hình thái bề mặt và độ nhẵn bóng: Các vi thấu kính chế tạo bằng SU-8 có bề mặt nhẵn bóng, cong đều và cân đối, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật để giảm thiểu quang sai và tổn hao ánh sáng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp quay phủ, quang khắc và nhỏ giọt SU-8 là hiệu quả trong việc chế tạo vi thấu kính có đặc trưng quang học tốt, đáp ứng tiêu chuẩn ứng dụng trong hệ thống quang MEMS/NEMS. Việc điều chỉnh bán kính đáy và thể tích SU-8 cho phép kiểm soát chính xác độ cao và tiêu cự của vi thấu kính, từ đó tối ưu hóa hiệu suất quang học.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng polymer phân cực hoặc thủy tinh ăn mòn khô, phương pháp sử dụng SU-8 đơn giản hơn, chi phí thấp hơn và phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm trong nước. Đặc biệt, vi thấu kính SU-8 có độ bền cơ học và hóa học cao, thích hợp cho các ứng dụng trong môi trường vi sinh và cảm biến.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tiêu cự và tỉ lệ truyền qua ánh sáng theo các thông số bán kính đáy và thể tích SU-8, cũng như bảng tổng hợp các đặc trưng hình thái và quang học của vi thấu kính.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình quay phủ và quang khắc: Điều chỉnh tốc độ quay và thời gian chiếu sáng UV để kiểm soát độ dày màng SU-8 chính xác trong khoảng 18-22 μm, nhằm đảm bảo bề mặt vi thấu kính nhẵn bóng và đồng đều. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu; Timeline: 3 tháng tiếp theo.

  2. Phát triển hệ thống đo đạc tự động: Áp dụng thiết bị đo quang học tự động kết hợp camera số để tăng độ chính xác và hiệu quả khảo sát đặc trưng vi thấu kính, giảm sai số do thao tác thủ công. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm; Timeline: 6 tháng.

  3. Mở rộng nghiên cứu vật liệu SU-8: Khảo sát ảnh hưởng của các loại SU-8 có độ nhớt khác nhau và các điều kiện nhiệt độ ủ để nâng cao độ bền và tính ổn định của vi thấu kính trong môi trường ứng dụng thực tế. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu; Timeline: 1 năm.

  4. Ứng dụng vi thấu kính trong hệ thống cảm biến Asen: Triển khai tích hợp vi thấu kính vào hệ thống quang MEMS/NEMS để nâng cao độ nhạy và độ chính xác phát hiện Asen trong nước, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và đối tác công nghiệp; Timeline: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano: Nghiên cứu phương pháp chế tạo và đặc trưng vi thấu kính, áp dụng trong các đề tài MEMS/NEMS.

  2. Kỹ sư phát triển sản phẩm MEMS/NEMS: Áp dụng quy trình chế tạo vi thấu kính SU-8 để thiết kế linh kiện quang học tích hợp, nâng cao hiệu suất sản phẩm.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực quang học và cảm biến môi trường: Tham khảo các kết quả khảo sát đặc trưng quang học và ứng dụng vi thấu kính trong phát hiện chất độc hại như Asen.

  4. Doanh nghiệp công nghệ cao và phòng thí nghiệm nghiên cứu: Áp dụng quy trình chế tạo vi thấu kính đơn giản, hiệu quả để phát triển sản phẩm mới trong lĩnh vực truyền thông và y sinh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi thấu kính SU-8 có ưu điểm gì so với các vật liệu khác?
    Vi thấu kính SU-8 có độ trong suốt cao trên dải bước sóng rộng (>400 nm), bền cơ học và hóa học, dễ chế tạo bằng quang khắc và quay phủ, phù hợp với các ứng dụng MEMS/NEMS đòi hỏi kích thước micro-nano.

  2. Phương pháp chế tạo vi thấu kính trong luận văn là gì?
    Sử dụng quy trình quay phủ SU-8 trên đế thủy tinh, quang khắc tạo giếng, nhỏ giọt SU-8 và ủ nhiệt để định hình vi thấu kính, sau đó chiếu UV để hóa rắn.

  3. Tiêu cự và tỉ lệ truyền qua ánh sáng của vi thấu kính đạt được như thế nào?
    Vi thấu kính có tiêu cự dưới 10 mm, tỉ lệ truyền qua ánh sáng trên 80%, đảm bảo hiệu quả hội tụ và truyền sáng trong hệ quang MEMS/NEMS.

  4. Làm thế nào để điều chỉnh kích thước và hình dạng vi thấu kính?
    Điều chỉnh bán kính đáy của giếng quang khắc và thể tích SU-8 nhỏ giọt, cũng như các thông số quay phủ và nhiệt độ ủ để kiểm soát độ cao và tiêu cự vi thấu kính.

  5. Vi thấu kính này có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Ứng dụng trong truyền thông quang học, cảm biến môi trường, đặc biệt là phát hiện Asen trong nước, cũng như các hệ thống quang MEMS/NEMS khác.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công phương pháp chế tạo vi thấu kính SU-8 với quy trình quay phủ, quang khắc và nhỏ giọt đơn giản, hiệu quả.
  • Vi thấu kính đạt tiêu cự dưới 10 mm, tỉ lệ truyền qua ánh sáng trên 80%, phù hợp cho ứng dụng trong hệ thống quang MEMS/NEMS.
  • Kích thước và hình dạng vi thấu kính có thể điều chỉnh linh hoạt thông qua bán kính đáy và thể tích SU-8.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của linh kiện quang học tích hợp kích thước micro-nano.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng vi thấu kính trong cảm biến phát hiện Asen và các lĩnh vực công nghệ cao khác trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng quy trình chế tạo vi thấu kính SU-8 để phát triển sản phẩm MEMS/NEMS hiệu quả, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao tính ổn định và mở rộng ứng dụng trong thực tế.