Điều khiển ánh sáng bằng tinh thể quang tử Opal - Lê Đắc Tuyên

Lê Đắc Tuyên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 190(14): 97 - 102 97 ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG BẰNG TINH THỂ QUANG TỬ OPAL Lê Đắc Tuyên1,*, Nguyễn Thị Hiền2 1Trường Đại học Mỏ - Địa chất, 2Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên TĨM TẮT Tinh thể quang tử là cấu trúc tuần hồn của các vật liệu điện mơi, cĩ thể tạo ra vùng cấm quang học tác động và điều khiển ánh sáng. Với ưu điểm nổi bật về cấu trúc ba chiều và phương pháp chế tạo đơn giản, tinh thể quang tử nhân tạo opal được chế tạo bằng quy trình tự sắp xếp trên cơ sở các quả cầu silica. Hình thái học của mẫu chế tạo được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao. Vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal được nghiên cứu và phân tích bằng phổ phản xạ và truyền qua. Chúng tơi cĩ thể điều chỉnh vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal bằng cách thay đổi kích thước quả cầu hoặc gĩc tới của ánh sáng. Các kết quả nghiên cứu chứng tỏ vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal cĩ thể điều khiển được cường độ huỳnh quang của nguyên tố đất hiếm. Tinh thể quang tử opal kết hợp với kim loại tạo ra cấu trúc tuần hồn của các đĩa kim loại cĩ thể hấp thụ ánh sáng. Từ khĩa: Tinh thể quang tử opal; điều khiển ánh sáng; hấp thụ sĩng điện từ MỞ ĐẦU* Tinh thể quang tử (photonic crystals) là một vật liệu quang học mới trên cơ sở cấu trúc tuần hồn của chất điện mơi [1,2]. Tinh thể quang tử tương tác với photon tương tự cách mà chất bán dẫn tác động lên electron. Bởi vậy, chúng ta cĩ thể áp dụng rất nhiều tính chất đã biết của electron cho photon. Photon nhanh hơn cũng như tổn hao năng lượng ít hơn electron vì tương tác giữa chúng yếu hơn, nên một thiết bị như diode hay transistor quang học sẽ hoạt động nhanh và tốn ít năng lượng hơn diode hay transistor điện tử thơng thường. Điều này giải thích vì sao tinh thể quang tử được kỳ vọng rất lớn và được quan tâm nghiên cứu cho các thiết bị quang điện tử và quang tử [3,4]. Do cấu trúc tuần hồn của chiết suất, ánh sáng bị phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách giữa các mơi trường, nên tinh thể quang tử cĩ thể tạo ra vùng cấm quang (photonic band gap). Tinh thể quang tử chặn các photon (ánh sáng) cĩ năng lượng nằm trong vùng cấm quang và cho phép các photon khác truyền qua. Sự tồn tại của vùng cấm quang đã tạo ra nhiều hiện tượng quang học mới và thú vị, cũng như được sử dụng để điều khiển ánh sáng [1-4]. * Email: ledactuyen@humg.edu.vn Ứng dụng nổi bật của tinh thể quang tử là sợi quang học dùng trong thơng tin quang, mạch tổ hợp và tách sĩng trong bộ xử lý tín hiệu quang học [5-7]. Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng chỉ sử dụng tinh thể quang tử một chiều (1D) và hai chiều (2D). Tinh thể quang tử ba chiều (3D), cĩ ưu điểm ở khả năng điều khiển ánh sáng theo cả ba chiều khơng gian, đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cho các ứng dụng thực tế [6-8]. Tinh thể quang tử nhân tạo opal được tạo thành từ các quả cầu silica kích thước nano mét sắp xếp theo trật tự của mạng lập phương tâm mặt (fcc) xếp chặt. Với ưu điểm nổi bật về cấu trúc ba chiều và phương pháp chế tạo đơn giản, tinh thể quang tử opal là ví dụ điển hình được sử dụng nghiên cứu tính chất quang cũng như làm cơ sở cho việc nghiên cứu những tinh thể quang tử khác [8,9]. Hơn nữa, việc nghiên cứu chúng cho ta những hiểu biết cơ bản về sự tương tác giữa ánh sáng và mơi trường rắn. Trong bài báo này, chúng tơi trình bày phương pháp chế tạo, tính chất quang, vùng cấm quang và khả năng điều khiển ánh sáng của tinh thể quang tử opal. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Quả cầu silica với kích thước khác nhau được chế tạo bằng phương pháp hĩa học tổng hợp Lê Đắc Tuyên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 190(14): 97 - 102 98 được phát triển bởi Stober [10]. Các quá trình thủy phân và ngưng tụ xảy ra liên tiếp khi TEOS (tetraethoxysilane - Si(OC2H5)4) được hịa trộn trong mơi trường của hỗn hợp NH4OH, H2O,và C2H5OH. Cĩ thể tĩm tắt quá trình này bằng các phương trình phản ứng hĩa học: Phản ứng thủy phân của TEOS với H2O, sau đĩ là quá trình ngưng tụ tạo SiO2. Si(OC2H5)4 + 4H2O  Si(OH)4 + 4C2H5OH Si(OH)4  SiO2 + 2H2O Các phản ứng xảy ra trong thời gian 4 giờ với sự hỗ trợ của máy khuấy từ và nhiệt độ ổn định tại 300C. Kết quả thu được là dung dịch huyền phù màu trắng bạc cĩ chứa các quả cầu SiO2. Các quả cầu đơn phân tán SiO2 được tách ra từ dung dịch bằng máy li tâm và rửa lại bằng H2O để chuẩn bị cho quá trình chế tạo tinh thể quang tử opal. Kích thước của quả cầu SiO2 cĩ thể được điều khiển bằng nồng độ hĩa chất tham gia phản ứng. Các quả cầu Eu 3+ /SiO2 cấu trúc lõi/vỏ cũng được chế tạo tương tự. Quá trình ngưng tụ SiO2 tạo thành vỏ bao bọc mầm Eu3+. Tinh thể quang tử nhân tạo opal được chế tạo bằng quy trình tự sắp xếp các quả cầu SiO2 thơng qua phương pháp lắng đọng trọng lực với hỗ trợ của nhiệt độ. Với cấu trúc của quả cầu Eu3+/SiO2 lõi/vỏ được tiếp tục nung ở 900 0C trong 2 giờ nhằm tăng cường khả năng phát huỳnh quang của Eu3+. Hình thái học và cấu trúc của tinh thể quang tử opal được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao. Vùng cấm quang của tinh thể được nghiên cứu thơng qua phổ phản xạ và phổ truyền qua đo bằng quang phổ S2000 (Ocean). Phổ huỳnh quang được đo bằng máy quang phổ MicroHR (Jobin Yvon). KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng khảo sát hình thái học của mẫu chế tạo. Hình 1(a) trình bày ảnh SEM của quả cầu SiO2, các quả cầu SiO2 cĩ độ đồng nhất cao và đơn phân tán. Sự phân bố kích thước hạt được mơ tả trên hình 1(b), kích thước trung bình của quả cầu khoảng 424 nm với độ lệch chuẩn 12 nm (~3%). Các quả cầu với độ đồng nhất cao là điều kiện cần để cĩ thể chế tạo được những tinh thể quang tử opal chất lượng cao. Hình 1(c) là giản đồ nhiễu xạ tia X của các quả cầu silica. Đỉnh phổ nhiễu xạ tại 2 = 22  cho thấy silica cĩ dạng vơ định hình. Hình 1. (a) Ảnh SEM của quả cầu nano SiO2, (b) Phân bố kích thước hạt, (c) Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu SiO2 Hình 2(a) là ảnh SEM bề mặt của tinh thể quang tử opal sau khi các quả cầu SiO2 tự sắp xếp bằng quá trình lắng đọng trọng lực. Các quả cầu xếp chặt theo cấu trúc mạng lập phương tâm mặt với họ mặt (111) song song với bề mặt của mẫu. Các quả cầu SiO2 trên mặt (111) cĩ đối xứng lục giác. Hình 2(b) trình bày phổ phản xạ và phổ truyền qua theo phương vuơng gĩc với mặt (111) của tinh thể quang tử opal. Tại bước Lê Đắc Tuyên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 190(14): 97 - 102 99 sĩng mà ánh sáng phản xạ mạnh thì độ truyền qua yếu và ngược lại. Vùng cấm quang ức chế, khơng cho ánh sáng truyền qua, nên ánh sáng bị phản xạ mạnh tại đĩ. Vị trí của vùng cấm quang trong tinh thể quang tử opal cĩ thể dự đốn bằng lý thuyết nhiễu xạ Bragg [11]: 111 = 2d111 ( – sin 2)1/2 trong đĩ 111 là bước sĩng phản xạ từ mặt (111); d111 (=0,816 D) là khoảng cách giữa hai mặt (111), phụ thuộc vào đường kính D của quả cầu; Chiết suất hiệu dụng được xác định neff = fnsphere +(1 - f)nvoid = 1,33, với nsphere và nvoid lần lượt là chiết suất của SiO2 (nsphere = 1,45) và khơng khí (nvoid = 1), hệ số lấp đầy của cấu trúc fcc xếp chặt f = 0,74;  là gĩc tới của ánh sáng. Đường kính quả cầu đo trực tiếp bằng ảnh SEM là D = 320 nm phù hợp với kết quả tính theo cơng thức Bragg từ phổ phản xạ là 324 nm. Hình 2. (a) Ảnh SEM bề mặt (mặt 111) của tinh thể quang tử opal, (b) Phổ phản xạ và phổ truyền qua theo phương vuơng gĩc với mặt (111) của tinh thể quang tử opal với đường kích quả cầu D = 320 nm Trong cơng thức Bragg thì neff phụ thuộc vật liệu chế tạo, ta cĩ thể thay đổi vùng cấm quang bằng cách thay đổi đường kính D của quả cầu hoặc gĩc tới của ánh sáng. Khi kích thước quả cầu tăng thì vùng cấm quang dịch về phía bước sĩng dài, nhưng khi gĩc tới của ánh sáng tăng thì vùng cấm quang bị dịch về bước sĩng ngắn hơn. Chúng ta cần lựa chọn kích thước quả cầu cũng như gĩc tới phù hợp với bước sĩng của ánh sáng. Hình 3 trình bày phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal với các kích thước khác nhau của quả cầu SiO2. Kích thước của quả cầu được đo trực tiếp bằng ảnh SEM. Đỉnh phổ phản xạ thay đổi từ 546 đến 921 nm khi kích thước quả cầu tăng từ 250 đến 424 nm. Bước sĩng phản xạ thay đổi tương ứng với mầu của mẫu quan sát được. Điều này chứng tỏ vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal cĩ thể điều khiển được thơng qua kích thước của quả cầu. Hình 3. Phổ phản xạ theo phương vuơng gĩc với mặt (111) của tinh thể quang tử opal phụ thuộc kích thước của quả cầu SiO2 Tinh thể quang tử opal chế tạo từ các quả cầu Eu 3+ /SiO2 lõi/vỏ đồng thời cĩ khả năng phát sáng và tạo ra vùng cấm quang [12]. Với những lựa chọn phù hợp ta cĩ thể điều khiển sự phát sáng của tinh thể quang tử opal bằng cách thay đổi gĩc chiếu sáng. Hình 4(a) trình bày phổ quang huỳnh quang của quả cầu Eu 3+ /SiO2 lõi/vỏ được kích thích bằng bước sĩng 395 nm với cơng suất trung bình 1 mW. Phổ huỳnh quang gồm những vạch phát xạ hẹp tương ứng với phát xạ của Eu3+ từ các chuyển mức bên trong lớp 4f là 5D0 – 7 Fj (j = Lê Đắc Tuyên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 190(14): 97 - 102 100 0, 1, 2, 3). Đỉnh phát quang mạnh nhất tại 612 nm (ứng với chuyển dời 5D0 – 7 F2) được lựa chọn để khảo sát sự ảnh hưởng của vùng cấm quang lên cường độ sáng. Hình 4(b) trình bày phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal theo các gĩc khác nhau từ 0 – 45. Vùng cấm quang bị dịch về phía bước sĩng nhỏ khi gĩc tới tăng. Cường độ huỳnh quang của đỉnh phát xạ 612 nm phụ thuộc vào gĩc đo được trình bày trên hình 4(c). Với các gĩc đo từ 0 - 30 , đỉnh phát xạ 612 nm cĩ cường độ yếu hơn so với các gĩc khác vì lúc này bước sĩng phát xạ trùng với vùng cấm quang. Tại gĩc 20 , đỉnh phát xạ 612 nm cĩ cường độ nhỏ nhất vì nĩ trùng hồn tồn với vùng cấm quang. Cường độ sáng mạnh hơn khi đỉnh phát xạ khơng trùng với vùng cấm quang như quan sát với gĩc 40. Như vậy hiệu ứng vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal cĩ thể thay đổi, điều khiển cường độ sáng. Cường độ huỳnh quang của tinh thể quang tử opal phụ thuộc theo gĩc phát xạ tương ứng với vùng cấm quang, cĩ thể được sử dụng trong việc chọn lọc cũng như điều khiển cường độ ánh sáng. Sử dụng tinh thể quang tử opal, chúng tơi chế tạo cấu trúc đĩa vàng tuần hồn như trên hình 5(a). Tính chất quang của cấu trúc đĩa vàng được so sánh với tinh thể quang tử SiO2 opal thơng qua phổ phản xạ của chúng. Hình 5(b) trình bày phổ phản xạ của SiO2 opal (đường liền nét) và cấu trúc đĩa vàng (đường nét đứt) theo phương vuơng gĩc bề mặt mẫu với kích thước của quả cầu là 285 nm. Phổ phản xạ của cấu trúc đĩa vàng nghịch đảo với tinh thể quang tử opal. Kết quả này cho thấy dường như cấu trúc đĩa kim loại tuần hồn đã hấp thụ ánh sáng chiếu đến. Tính chất này khác so với màng kim loại thơng thường là phản xạ ánh sáng. Đây là tính chất thú vị đang được tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới. Hình 4. (a) Phổ phản xạ theo các gĩc khác nhau của tinh thể quang tử opal trên cơ sở quả cầu Eu 3+ /SiO2 lõi/vỏ đường kính 290 nm, (b) Phổ huỳnh quang của Eu3+/SiO2 lõi/vỏ, (c) Sự phân bố cường độ huỳnh quang của tinh thể quang tử opal phụ thuộc gĩc đo (chuyển mức 5D0 - 7 F2 của Eu 3+ ) Hình 5. (a) Ảnh SEM bề mặt của cấu trúc đĩa vàng tuần hồn, (b) Phổ phản xạ theo phương vuơng gĩc của cấu trúc opal và đĩa vàng. Lê Đắc Tuyên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 190(14): 97 - 102 101 KẾT LUẬN Các quả cầu SiO2 và Eu 3+ /SiO2 lõi/vỏ cĩ độ đồng nhất cao, đơn phân tán được tổng hợp bằng phương pháp hĩa học. Tinh thể quang tử opal được chế tạo bằng phương pháp tự sắp xếp và vùng cấm quang của chúng cĩ thể thay đổi thơng qua kích thước quả cầu hoặc gĩc tới của ánh sáng. Chúng tơi đã chứng tỏ khả năng điều khiển ánh sáng bằng tinh thể quang tử opal thơng qua hiệu ứng vùng cấm quang học. Cường độ huỳnh quang của tinh thể quang tử opal phụ thuộc mạnh vào vùng cấm quang, chúng cĩ thể được điều khiển bằng cách thay đổi gĩc chiếu sáng. Cấu trúc đĩa trịn kim loại tuần hồn được chế tạo trên cơ sở tinh thể quang tử oapl cĩ khả năng hấp thụ ánh sáng. Tinh thể quang tử opal cĩ thể được dùng trong các ứng dụng về chiếu sáng hay chọn lọc ánh sáng. LỜI CÁM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và cơng nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02- 2017.67 và Trường Đại học Mỏ - Địa chất (HUMG) trong đề tài mã số T17 - 39. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneuve, and S. Fan (1997), “Photonic crystals: putting a new twist on light”, Nature, 386, pp. 143-149. 2. J. M. Lourtioz, H. Benisty, V. Berger, J. M. Gérard, D. Maystre, and A. Tchelnokov (2008), Photonic crystals: Towards nanoscale photonic devices, 2 nd ed. Springer. 3. E. Yablonovitch (2001), “Photonic Crystals: Semiconductors of Light”, Sci. Am., 285, pp. 47- 55 (2001). 4. J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn, and R. D. Meade (2008), Photonic Crystals Molding the Flow of Light, 2 nd ed. Princeton University. 5. P. Russell (2003), “Photonic crystal fibers”, Science, 299, pp. 358–362. 6. S. Aki, K. Maeno, K. Sueyoshi, H. Hisamoto, and T. Endo (2018), “Development of a polymer/TiO2 hybrid two-dimensional photonic crystal for highly sensitive fluorescence-based ion sensing applications”, Sens. and Actuators B: Chem., 269, pp. 257-263. 7. T. Kohoutek, M. Parchine, M. Bardosova, H. Fudouzi, and M. Pemble (2018), “Large-area flexible colloidal photonic crystal film stickers for light trapping applications”, Opt. Mater. Express, 8, pp. 960-967. 8. J. F. Galisteo-Lĩpez, M. Ibisate, R. Sapienza, L. S. Froufe-Pérez, Á. Blanco, and Cefe Lĩpez (2011), “Self-Assembled Photonic Structures”, Adv. Mater., 23, pp. 30–69. 9. M. V. Vasnetsov, V. A. Pas’ko, T. N. Orlova, D. A. Plutenko, A. D. Kudryavtseva, N. V. Tcherniega (2018), “Photonic Bandgap Deformation in a Nonideal Synthetic Opal Photonic Crystal”, J. Exp. Theor. Phys., 126, pp. 579-591. 10. W. Stưber, A. Fink, and E. Bohn (1968), “Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range”, J. Colloid Interface Sci., 26, pp. 62-69. 11. S. G. Romanov, T. Maka, C. M. Sotomayor Torres, M. Müller, R. Zentel, D. Cassagne, J. Manzanares-Martinez, and C. Jouanin (2001), “Diffraction of light from thin-film polymethylmetacrylate opaline photonic crystals”, Phys. Rev. E., 63, pp. 056603(1-5). 12. L. D. Tuyen, J. H. Lin, C. Y. Wu, P. T. Tai, J. Tang, L. Q. Minh, H. C. Kan, and C. C. Hsu (2012), “Pumping- power- dependent photoluminescence angular distribution from an opal photonic crystal composed of monodisperse Eu 3+ /SiO2 core/shell nanospheres”, Opt. Express, 20, pp. 15418-15426. Lê Đắc Tuyên và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 190(14): 97 - 102 102 ABSTRACT MANIPULATION OF LIGHT BASED ON OPAL PHOTONIC CRYSTAL Le Dac Tuyen 1* , Nguyen Thi Hien 2 1Hanoi University of Mining and Geology, 2University of Science - TNU Photonic crystals are periodic modulation of dielectric constant, which can be created photonic bandgap engineering to control the light propargation. From the point of view of three dimensionality and simple techniques, artificial opal photonic crystal was fabricated based on self- assembly mechanism of SiO2 nanospheres. Spherical and structural characterizations were conducted by scanning electron microscopy. Photonic bandgap was characterized and analyzed by reflection and transmission spectra measurements, which can be tuned by varying diameter of spheres or angle of light illumination. The experiments demonstrated that photonic bandgap can be manipulated photoluminescence intensity of Eu 3+ ions. We used SiO2 opal photonic crystal as a template to corrugate golden caps with periodicity structure which absorbed electromagnetic wave. Keywords: Opal photonic crystals, manipulation of light, absorption of electromagnetic wave. Ngày nhận bài: 14/11/2018; Ngày hồn thiện: 26/11/2018; Ngày duyệt đăng: 15/12/2018 * Email: ledactuyen@humg.edu.vn