Khóa luận Vật liệu tinh thể photonic dùng cho quang học vùng gần 1,5 μm ứng dụng cho thông tin quang

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ==================== Họ và tên: Lê Văn Luật VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm ỨNG DỤNG CHO THÔNG TIN QUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử và Viễn thông HÀ NỘI - 2005 SV LÊ VĂN LUẬT 1 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Họ và tên: Lê Văn Luật VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm ỨNG DỤNG CHO THÔNG TIN QUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử và Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Thu Nga Cán bộ đồng hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Hội HÀ NỘI - 2005 SV LÊ VĂN LUẬT 2 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Mục lục Mở đầu Chương 1. Các cơ sở lý thuyết về tinh thể photonic 1.1. Giới thiệu về các tinh thể photonic Các yếu tố cơ bản “lý thuyết” về các tinh thể photonic 1.1.1. Sự tương tự giữa các phương trình Schrodinger và Maxwell 1.1.2. Sự giải bằng số của bài toán 1.1.2.1. Các sóng phẳng 1.1.2.2. Phương pháp tính đến chiều xác định của tinh thể 1.1.2.3. Phương pháp tính một phần đến chiều xác định của tinh thể 1.1.3. Quy luật về chiều dài bước sóng 1.1.4. Các tính chất cơ bản 1.1.4.1. Sự tuần hoàn theo 1 chiều 1.1.4.2. Sự tuần hoàn theo 2 chiều 1.1.4.3. Sự tuần hoàn theo 3 chiều 1.1.5. Các khuyết tật 1.2. Các tinh thể photonic 1.2.1. Các phương pháp chế tạo các tinh thể photonic 1.2.2. Phương pháp điện hoá 1.2.3. Phương pháp oxy hoá chọn lọc theo chiều thẳng đứng 1.2.4. Các tinh thể photonic tự tổ chức từ opal (self-organised photonic crystals) 1.3. Sự phát xạ tự nhiên 1.4. Các ion erbium và các dịch chuyển phát xạ tại 1,530 µm Chương 2. Phương pháp chế tạo và các kỹ thuật nghiên cứu 2.1. Phương pháp mới về nuôi từ dung dịch các màng mỏng SiO2 từ Si(C2H5O)4 2.1.1. Giới thiệu phương pháp 2.1.2. Thực nghiệm chế tạo màng mỏng: 2.1.2.1. Tự tập hợp các hạt cầu SiO2 2.1.2.2. Tự tập hợp các hạt hình cầu SiO2 cấy các ion erbium 2.2. Các kỹ thuật đặc trưng các tinh thể photonic SV LÊ VĂN LUẬT 3 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 2.2.1. Kết quả qua ảnh TEM và SEM về kích thước, về tính trật tự tuần hoàn theo chu kỳ 2.2.2. Phép đo với ánh sáng trắng: phổ phản xạ trong vùng nhìn thấy đối với các tinh thể được làm từ các hạt cầu SiO2 2.3. Kỹ thuật quang huỳnh quang từ các mẫu tinh thể được làm từ các hạt SiO2:Er3+ Chương 3. Các kết quả và thảo luận 3.1. Kết quả về chế tạo mẫu và đặc trưng chúng 3.2. Kết quả về chế tạo các tinh thể photonic dạng màng trên đế Si 3.3. Phép đo với ánh sáng trắng: các phổ phản xạ 3.4. Phép đo huỳnh quang Kết luận Tài liệu tham khảo SV LÊ VĂN LUẬT 4 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Các từ viết tắt sử dụng trong luận văn D dimension chiều, hướng fcc face centre cubic lập phương tâm mặt BIP bande interdite photonique vùng cấm quang TEOS tetra-ethoxy-silane SEM scanning electro microscopy kính hiển vi điện tử quét TEM transmission electron microscopy kính hiển vi điện tử truyển qua LDOS Local density of states Mật độ cục bộ trạng thái SV LÊ VĂN LUẬT 5 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 TÓM TẮT Các nghiên cứu về tinh thể photonic nhằm mục đích ứng dụng cho viễn thông đã được trình bầy trong nội dung của bản luận văn này. Một số kiến thức cơ bản về vật lý và vật liệu tinh thể có cấu trúc tuần hoàn theo hằng số điện môi đã được trình bầy trong chương 1. Các đặc trưng về vùng cấm quang của tinh thể photonic cũng đã được nêu ra. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp tự tập hợp để chế tạo nên các mẫu tinh thể photonic từ các hạt cầu SiO2. Một số phương pháp tạo ra mẫu màng tinh thể photonic và các kỹ thuật thực nghiệm liên quan trong quá trình nghiên cứu cũng đã được trình bầy. Một số kết quả bước đầu nhận được về sự nhiễu xạ và phản xạ theo các góc nhất định và theo kích thước hạt (hay là theo chu kỳ mạng tinh thể) cũng đã được trình bầy trong bản luận văn này. Do đặc trưng cấu trúc tuần hoàn của tinh thể liên quan tới khả năng định hướng ánh sáng trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nên chúng tôi đã quan sát được một cách rõ ràng các ánh sáng phản xạ theo các góc. Phổ phản xạ là một đặc trưng quan trọng để nghiên cứu tinh thể photonic, cũng sẽ được trình bầy, cùng với vùng cấm quang đối với các mẫu mà chúng tôi đã chế tạo được. Khả năng tạo ra một tinh thể có cấu trúc tuần hoàn với vùng cấm quang hoàn toàn và rộng ở bước sóng 1,5 µm là có thể được và tạo ra các ứng dụng trong viễn thông. SV LÊ VĂN LUẬT 6 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Mở đầu Cuộc cách mạng điện tử với 50 năm đã qua có gốc rễ của nó trong cả hai lĩnh vực khoa học và công nghệ. Một mặt, đã có nhiều tiến bộ vượt bậc trong sự hiểu biết của cúng ta về vật lý các chất kim loại, điện môi và các chất bán dẫn, dẫn đến sự phát triển các linh kiện như transistor… Mặt khác, vô số các quá trình công nghệ nuôi và lắng đọng để chế tạo các màng mỏng, cấy ion và quang khắc đã cho phép tích hợp khối các chức năng điện tử ở trong một diện tích rất nhỏ, đẫn đến các microprocessor, hay microcontroler… và các bộ nhớ mật độ cao và trong các đổi mới cải tiến công nghệ khác. Sự truyền dẫn điện tử trong chất bán dẫn theo một thế năng tuần hoàn được bắt nguồn từ cấu trúc mạng nguyên tử tuần hoàn trong chất rắn. Chính nhờ điều này mà có một vùng dẫn và một vùng cấm xuất hiện trong chất bán dẫn. Khả năng của chúng ta để kiểm soát các photon, trong nhiều trường hợp, còn rất non trẻ, so với việc chúng ta đã kiểm soát được các điện tử. Các linh kiện thụ động như là các sợi quang, các linh kiện dẫn sóng, các bộ tách sóng và ghép đa bước sóng đã được phát triển tốt. Nhưng các cấu trúc phức tạp hoặc tích hợp hơn càng đòi hỏi, thì các giải pháp quang học vẫn còn chưa xuất hiện. Ví dụ, các bộ chuyển mạch toàn quang thì vẫn còn rất to và thô, và mạch tích hợp quang (IC) thì thường có kích thước cỡ milimet hoặc hơn là kích thước dưới micromet như trong công nghệ điện tử [1]. Tuy nhiên, rõ ràng là cần thiết để phát triển các vật liệu và quan điểm mới, với các chức năng quang được tăng lên cho rất nhiều các ứng dụng khác nhau. Thị trường viễn thông toàn cầu đang phát triển theo một đường cong lạ thường và được dẫn dắt bởi sự khai thác mạng internet một cách vô cùng rộng lớn, nó thâm nhập ngày càng tăng vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Sự đòi hỏi về các mạng băng thông rộng ngày càng tăng trong các năm tới. Các tiếp cận mới đối với việc điều khiển photon sẽ được phát triển trong thập niên tới, để chế tạo các linh kiện quang học cần thiết cho các mạng. Các tinh thể photonic có thể đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển này [1]. Tinh thể photonic là một vật liệu có cấu trúc tuần hoàn, mà nó biểu lộ tương tác mạnh với ánh sáng. Một ví dụ đơn giản nhất về quan điểm của loại vật liệu này là một chồng nhiều lớp của các vật liệu có hằng số điện môi cao và thấp xếp liền kề SV LÊ VĂN LUẬT 7 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 nhau. Có tương tác mạnh với ánh sáng xày ra trong vật liệu như thế nhờ sự giao thoa giữa các chùm ánh sáng mà chúng được phản xạ và được khúc xạ tại tất cả các mặt tiếp giáp ở bên trong vật liệu. Sự đáp ứng quang học cuối cùng được xác định bởi sự chồng chập cùng pha của toàn bộ các sóng quang này. Đã biết từ lâu rằng, các đống xếp chồng nhiều lớp như vậy có thể điều khiển việc chế tạo được để có, ví dụ như sợi phản xạ gần như là hoàn hảo trên một dãy bước sóng (hẹp hoặc rộng), còn được gọi là vùng cấm (stop band). Các ví dụ về tinh thể photonic 1D là các gương điện môi, các kính lọc, các cách tử sợi, các cấu trúc distributed-feedback và các laser phát xạ cộng hưởng thẳng đứng trên bề mặt (vertical-cavity sưrface-emitting lasers). Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu triển khai từ quan điểm cấu trúc các lớp tuần hoàn, đơn giản nhất là các tinh thể photonic 1D tới các cấu trúc nhiều chiều hơn. Đầu tiên là đề nghị của E.Yablonovite và John [2,3], theo hai ông này, các tính chất quang của vật liệu như thế có thể được miêu tả bởi một "cấu trúc vùng quang học". Quan điểm này có sự tương tự với cấu trúc vùng trong các vật liệu điện tử, nghĩa là trong các vật liệu với cấu trúc đặc biệt này, có thể tiên đoán sự tồn tại của vùng cấm quang, hay là, một dãy các tần số quang học không thể lan truyền trong vật liệu này. Quan điểm này đặc biệt đáng tò mò trong tinh thể photonic 3D, như được bao hàm là trong dải tần số đặc biệt, phát xạ tự nhiên sẽ có thể được loại bỏ hoàn toàn. Các nghiên cứu ban đầu đối với các cấu trúc vùng có vùng cấm hoàn toàn dẫn đến cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện (fcc), nhưng chúng không thể sinh ra kết qủa dương. Soukoulis và các cộng sự đã có một phát hiện quan trọng là đối xứng kim cương loại bỏ được sự suy biến trong các giản đồ vùng, như vậy là mở ra một vùng cấm trong các hướng tinh thể. Trong các năm gần đây, nhiều cố gắng đã đạt được kết quả chế tạo cấu trúc này. Các tinh thể photonic 2D có vẻ ít hấp dẫn hơn vì khó kiểm soát quang học được theo chiều thứ ba thì chúng lại có nhiều ưu điểm là khả năng thích hợp với công nghệ dẫn sóng quang theo mặt phẳng. Thêm nữa, các đầu dò hồng ngoại có thể được dùng để xác định tính chất bên trong của tinh thể. Cũng cần phải nói thêm rằng các khuyết tật và một vài điểm mất trật tự đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu tinh thể photonic, bởi vì chúng có thể điều khiển các tính chất đặc biệt đối với các bước sóng đặc biệt. Hiển nhiên là có rất nhiều ứng dụng của các tinh thể photonic trong vùng ánh sáng nhìn thấy hoặc trong vùng hồng ngoại tương ứng với các cửa sổ viễn thông tại SV LÊ VĂN LUẬT 8 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 1,3 µm và 1,5 µm và độ phân giải dưới micromet là cần đòi hỏi cho công nghệ sản xuất hiện nay. Các chất bán dẫn như là Si và GaAs có độ tương phản về chiết suất cao và sự hấp thụ thấp là các yêu cầu cần cho các tinh thể photonic có vùng cấm quang hoàn toàn trong hai hoặc ba chiều. Cũng vậy, các tinh thể photonic làm từ các vật liệu điện môi với chiết suất thấp hơn, như là SiO2, TiO2 và polymer, tuy không có vùng cấm quang hoàn toàn, nhưng vẫn có thể tương tác mạnh với ánh sáng, và bởi vậy có các tính chất photonic thú vị [1]. Các sợi quang học là xương sống của toàn bộ các mạng quang. Knight và các cộng sự đã tổng quát nên một quan điểm mới trong các sợi quang vi cấu trúc được tích hợp cấu trúc 2D được hình thành từ việc kéo preform sợi quang có cấu trúc. Trong các sợi này, ánh sáng được truyền trong lõi hầu như là gồm không khí, và có một số tính chất phi tuyến [1]. Sự đóng góp của nhóm Colvin bao phủ các tiếp cận để xây dựng nên các mẫu có cấu trúc chu kỳ 3D với kích thước theo micromet bằng cách dùng các hạt hình cầu tự tập hợp. Các tinh thể photonic này có thể lặp lại bằng cách dùng các kỹ thuật khác nhau, và các đặc trưng cấu trúc và quang học đã được thảo luận đến. Trong thập kỷ gần đây, các nghiên cứu về tinh thể photonic có tính thời sự rất cao, số lượng các nghiên cứu về lĩnh vực này thì ngang bằng với các nghiên cứu về carbon nanotube. Cần lưu ý rằng, các chương trình đầu tiên về việc tổng hợp các tinh thể photonic xuất hiện từ năm 1997. Hiện nay các nghiên cứu liên quan tới tinh thể photonic có thể tìm thấy trên trang web: Việc nghiên cứu tinh thể photonic căn cứ trên cơ sở về sự tương tự của điện tử và photon, cũng như là sự tương đồng của hai phương trình Maxwell và Schrodinger. Sự tuần hoàn của tinh thể rắn gây ra sự phân chia thành 3 vùng điện tử của chất rắn, thì tương ứng với sự tuần hoàn trong mạng tinh thể photonic thì một vùng cấm quang cũng xuất hiện. Trong chất bán dẫn vùng cấm liên quan trực tiếp tới mức năng lượng của các electron, thì trong tinh thể photonic vùng cấm quang liên quan trực tiếp tới bước sóng hay tần số. Nghiên cứu trong bản luận văn này liên quan đến các tinh thể photonic được chế tạo từ các hạt silica hình cầu với kích thước từ 300 nm – 400 nm, một số mẫu tinh SV LÊ VĂN LUẬT 9 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 thể photonic cũng được chế tạo từ các hạt cầu SiO2 này pha tạp các ion erbium, bằng kỹ thuật tự tập hợp, được phát triển dựa theo các công trình của J.D. Joannopoulos và A. Blanco et al, được đăng trên tạp chí Nature, các số vol. 414, Nov. 2001, p.257-258 và Vol.405, May 2000, p.437-439. Các mẫu chế tạo được đã được nghiên cứu các tính chất quang và các tính chất đặc biệt nhằm cho ứng dụng trong viễn thông quang. Bố cục của luận văn bao gồm ba chương chính. Ngoài ra, còn có phần mở đầu và kết luận về các vấn đề nghiên cứu được và còn tồn tại. Phần tài liệu tham khảo được đưa ở phần cuối cùng của bản luận văn. Cụ thể là: Chương 1. Các cơ sở lý thuyết về tinh thể photonic Chương 2. Phương pháp chế tạo và các đặc trưng quang học Chương 3. Các kết quả và thảo luận SV LÊ VĂN LUẬT 10 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Chương 1 CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TINH THỂ PHOTONIC 1.1. Giới thiệu về các tinh thể photonic Thế giới ngày nay có nhu cầu ngày càng tăng về các máy tính và thông tin liên lạc, nên chúng ta ngày càng chú ý hơn tới các linh kiện quang mà độ rộng phổ và tốc độ làm việc của nó có thể đóng góp cho rất nhiều ứng dụng to lớn khác nhau. Ta biết rằng sự thay đổi cấu trúc sẽ dẫn đến sự thay đổi tính chất. Đây chính là quan điểm đã dẫn Yablonovitch [2] tới giả thiết rằng chúng ta có thể thực hiện với photon những gì mà ta đã làm được với điện tử. Tương tác của các sóng điện từ với các cấu trúc tuần hoàn dẫn ta quay trở lại với Bragg và quan sát của ông ta rằng các mặt phẳng của các nguyên tử có thể hạot động như các gương hoàn hảo với tia X khi điều kiện Bragg được thoả mãn: λ = 2d sin (θ ± δ) (Xem hình 1) Hình 1. Một ma trận các nguyên tử nhiễu xạ tia X khi điều kiện Bragg được thoản mãn. Đối với các tia X tới bước sóng đã cho, các mặt phẳng khác nhau sẽ phản xạ tại các góc Bragg khác nhau. SV LÊ VĂN LUẬT 11 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 2. Rất nhiều con bướm với mầu sắc của nó là do sự nhiễu xạ các vi cấu trúc theo ba chiều ở trên các cánh bướm. Hình 2 cho ta thấy một ví dụ cụ thể về sự nhiễu xạ ánh sáng của các cánh bướm cho ta quan sát thấy các mầu sắc khác nhau của nó, do vi cấu trúc của các đôi cánh bướm. Các tinh thể photonic, cũng được biết như là các cấu trúc micro (microstructures) hoặc là các cấu trúc có vùng cấm quang, là các vật liệu với cấu trúc tuần hoàn về các hằng số điện môi khác nhau. Các tinh thể photonic là 1D, 2D hay 3D tuỳ theo sự tuần hoàn về hằng số điện mội, theo không gian là 1 chiều, 2 chiều hay 3 chiều. Các tinh thể photonic 3D thì tương tự với các tinh thể chất rắn. ý tưởng tổng quát là các tinh thể photonic có thể làm những việc với photon như là các tinh thể bán dẫn có thể làm với các điện tử, có nghĩa là chúng có thể tạo ra tình trạng mà ở đó các photon ở một dãy năng lượng nào đó thì không thể đi qua tinh thể được và chúng bị phản xạ khi chạm vào tinh thể hoặc là không được phép truyền qua tại tất cả các hướng ở bên trong nó. Điểm sau này rất quan trọng, vì ví dụ, ánh sáng có thể được SV LÊ VĂN LUẬT 12 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 phát ra từ một nguồn sáng, được phản xạ lại bởi tinh thể, hiển nhiên là được tái hấp thụ, rồi lại tái phát xạ, và v.v… Các nghiên cứu về tinh thể photonic thường được dẫn dắt tới các cấu trúc 3D có thể làm việc trong vùng quang học (vùng nhìn thấy hoặc hồng ngoại gần) của sóng điện từ. Có ba cách tiệm cận để tạo ra loại vật liệu này. Các tinh thể photonic là các cấu trúc tuần hoàn của vật liệu với các hằng số điện môi khác nhau. Các tinh thể photonic là 1D, 2D hay 3D tuỳ theo sự giả thiết không gian là 1 chiều, 2 chiều hay 3 chiều. Các tinh thể photonic 3D thì tương tự với các tinh thể chất rắn (xem hình 3) Hình 3. Cấu trúc tinh thể photonic 1D, 2D và 3D là các cấu trúc tuần hoàn hằng số điện môi của các vật liệu. Các cấu trúc ứng với những không gian 1D, 2D hay 3D. Cấu trúc 3D có sự phù hợp tốt, tương tự như là cấu trúc của chất rắn. Có thể coi tinh thể photonic như một mạng nhiễu xạ quang học theo 1, 2 hoặc 3 chiều. Khi đó những lý thuyết được biết đến về mạng thì hoàn toàn có thể áp dụng trong trường hợp mạng tinh thể photonic. Sự khác nhau cơ bản là một mạng thường thì được sử dụng ở bề mặt ranh giới với môi trường ngoài, trong khi đó tinh thể photonic thì cũng được dùng như vậy, nhưng ở bên trong. SV LÊ VĂN LUẬT 13 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 1.1.1. Sự tương tự nhau giữa các phương trình Schrodinger và Maxwell [4] Sự diễn biến theo không gian và thời gian của một trường điện từ được miêu tả hoàn toàn bằng các phương trình của Maxwell. Trong một môi trường không từ, hằng số điện môi tương đối ε( ), không có các nguồn của dòng điện lẫn từ trường, các phương trình Maxwell được viết (theo đơn vị CGS) [4]: rr . ( ) ( ) 0r E rε∇r rr r = (1) . ( ) 0H r∇ =r r r (2) ( ) ( )( ) 0r E rxH r c t ε ∂∇ − =∂ rr rr r r (3) 1 ( )( ) 0H rxE r c t ∂∇ − =∂ r rr r r (4) E r và là điện trường và từ trường, c là vận tốc của ánh sáng trong chân không và là vị trí trong không gian. H r rr Nếu ta giả thiết rằng môi trường là không giới hạn, hệ các phương trình này thừa nhận các lời giải hàm điều hoà ( )( , ) i t H rH r t e ω= r rr r và ( )( , ) i t E rE r t e ω= r rr r , ở đây ω là vận tốc góc của sóng. Ta có thể phân chia bài toán bằng cách xem xét hoặc là chỉ điện trường, hoặc là từ trường: 21 ( ) ( )2( ) x xH r H r r c ω ε ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ ∇ ∇ =r r r rr rr (5) ( ) 2( ) ( ) ( )2x xE r r E rcω ε∇ ∇ = r r r rr r r (6) Với các giả thiết ban đầu và bằng cách thay thế ε bằng n2 (n là chiết suất quang học), công thức ngắn gọn của phương trình của điện trường (7), trong một môi trường đồng nhất, được biểu diễn như một phương trình vi phân bậc hai, mà nó giống với phương trình Schrodinger (8) đối với một điện tử. 2 2 ( )2E n E r c ω∇ = −rr r r (7) 2 22 ( )m E Vhψ ψ= − −∇ (8) Phương trình điện từ Phương trình của hàm sóng điện Nguồn gốc thực sự của cái tên gọi “tinh thể photonic” xuất phát từ sự tương tự về hình thức giữa các phương trình chi phối sự lan truyền các sóng điện trong các tinh thể rắn và phương trình miêu tả sự lan truyền của các sóng điện từ trong một môi trường tuần hoàn. Như vậy, chiết suất đóng vai trò đối với các photon giống như thế năng đối với các điện tử. Trong trường hợp của phương trình Schrodinger, thế năng tuầnhoàn V kéo theo sự suy biến các mức năng lượng và dẫn đến những dải năng SV LÊ VĂN LUẬT 14 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 lượng mà trong đó sự lan truyền các sóng điện tử là bị cấm. Điều này cho chúng ta giả thiết rằng, nếu hằng số điện môi thay đổi một cách tuần hoàn, các vùng phổ sẽ được tạo ra để mà trong vùng đó sự lan truyền các sóng điện từ sẽ bị cấm trong vật liệu. 1.1.2. Sự giải bằng số của bài toán Sự miêu tả lý thuyết sự lan truyền ánh sáng trong các tinh thể photonic được cung cấp bởi phép tính toán cấu trúc vùng photonic từ các phương trình Maxwell. Các tính toán như thế được thực hiện bằng số (numerically) và dùng tính tuần hoàn của mạng bằng sự áp đặt các điều kiện biên tuần hoàn. Dựa trên cơ sở đã được biết từ vật lý chất rắn, các lời giải của phương trình Maxwell được biểu diễn theo cấu trúc vùng photonic hoặc là quan hệ tán sắc ω(k) (tương tự với cấu trúc vùng điện tử E(k) trong các tinh thể bán dẫn). Các mode quang trong cấu trúc này là sóng Bloch, có nghĩa là các hàm có tính chu kỳ mạng với sự bổ xung thêm một hệ số pha exp(ik.r). Cấu trúc tuần hoàn có thể nhiễu xạ sóng, bởi vậy có sự dịch chuyển quan hệ tán sắc bằng vector mạng đảo. Điều này bao hàm rằng, đối với mỗi vector k bất kỳ trong không gian đảo, quan hệ tán sắc có thể luôn bị dịch ngược lại về phía vùng Brillouin thứ nhất, bằng cách thêm hay bớt một số nguyên của vector mạng đảo. Bằng cách sử dụng tất cả các phép đối xứng của mạng, đủ để chỉ rõ cấu trúc vùng trong phần không thể rút gọn hơn chỉ của vùng Brillouin. Thông thường, cấu trúc vùng chỉ được vẽ phác thảo theo đặc tính của vùng Brillouin không thể rút gọn hơn, có nghĩa là đường đi theo tất cả các bờ biên của phần bất khả quy [12]. Trong thực tế, tất cả các cực đại hay cực tiểu của cấu trúc vùng nằm trên phần đặc tính này. Bởi vậy sự tồn tại của một dải tần số của vùng cấm photonic có thể suy ra từ việc vẽ cấu trúc theo phần đặc tính. 1.1.2.1. Các sóng phẳng Một cách lịch sử, phương pháp tính các vùng được sử dụng xuất phát trực tiếp từ vật lý chất rắn. Phương pháp này, được gọi là các sóng phẳng, sẽ được miêu tả đầu tiên bởi vì nó đề cập đến ảnh hưởng của tính chu kỳ của mạng đối với sự mở rộng ra của vùng cấm. Sự tuần hoàn của mạng cho phép áp dụng định đề Bloch để giải các phương trình (6) và (7). Phương pháp này chỉ áp dụng được với cấu trúc tuần hoàn hoàn hảo, như vậy nghĩa là không giới hạn. Ta xuất phát từ phương trình (6) SV LÊ VĂN LUẬT 15 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ( ) 2( ) ( ) ( )2x xE r r E rcω ε∇ ∇ = r r r rr r r (9) Vì ( )rε r là tuần hoàn, ( )E rr r thoả mãn định đề Bloch và có thể được triển khai thành các sóng phẳng: ( ).( )( ) i k G r G E G eE r +=∑ r r rr rrr r (10) Ở đây các vec tơ là các vectơ của mạng đảo. Cũng vậy, G r ( )rε r được phân tích thành các sóng phẳng: .( )( ) iG r G G er εε =∑ r rr rr (11) Ở đây được cho bởi: ( )Gε r .1 ( )( ) cell iG r V cell r e dr V G εε −= ∫ r rrr r (12) Bằng biến đổi Fourier, ta nhận được phương trình ma trận với số chiều không xác định như sau: ( ) ( ) 2 '2( ) ( ) ( ) G k G x k G xE G G G E G c ω ε⎡ ⎤+ + = −⎣ ⎦− ∑rr rr r r r rr r 'r (13) ở đây là một vectơ khác của mạng đảo và 'G r k r là vectơ sóng. Việc giải bài toán đối với trường điện và không là trường từ là tuỳ ý. Có các phương pháp cho phép tối ưu các tính toán và dẫn đến việc nghiên cứu về vùng Brillouin thứ nhất, mà ở đó trường điện từ và thế năng thì bị làm gián đoạn đi thành chuỗi Forier, lời giải của nó trở thành lời giải của một hệ các phương trình tuyến tính với các giá trị riêng. Lời giải của phương trình ma trận (13) có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp số khác nhau [4]. Để thực hiện các tính toán này, ta giới hạn số các sóng phẳng được dùng để phân tích. Nếu ta rút lại còn N sóng phẳng, các ma trận có 3Nx3N chiều. Chéo hoá bằng các phương pháp số tiêu chuẩn cho ta 3N giá trị riêng , chiết suất n dùng để đánh số các giá trị riêng tương ứng với bậc thứ tự của các vùng. Khi việc giải được thực hiện đối với tất cả các ( )n kω r k r của vùng Brillouin, ta nhận được giản đồ tán sắc của vật liệu, hoặc là cấu trúc các vùng của nó. Các dải tần số mà đối với chúng chẳng có vectơ sóng nào thì liên quan tới các vùng cấm. Trong đa số các SV LÊ VĂN LUẬT 16 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 trường hợp, ta giới hạn với các vectơ sóng k r theo các trục đối xứng cao của vùng Brillouin. Phương pháp này đã được sử dụng một cách rộng rãi. 1.1.2.2. Các phương pháp tính đến chiều xác định của tinh thể. Đây là phương pháp rất tổng quát để nghiên cứu sự lan truyền các sóng điện từ trong bất kỳ loại cấu trúc nào, có tuần hoàn hay không. Với phương pháp này, các phương trình Maxwell là gián đoạn trong không gian và thời gian theo sơ đồ được Yee [5] và Taflove [6] đề nghị. Cấu trúc như vậy cũng là gián đoạn. Sự tiến triển theo thời gian của trường điện từ nhận được bằng cách tích phân dần dần theo thời gian. nếu sự kích thích là xung. Phép biến đổi Fourier của sự đáp ứng của vật liệu cho ta phổ tần số của cấu trúc. Phương pháp này được sử dụng để nghiên cứu sự nhiễu xạ tại bề mặt tiếp xúc của một tinh thể photonic. 1.1.2.3. Phương pháp tính một phần đến chiều xác định của tinh thể *Các ma trận chuyển đổi Phương pháp các ma trận chuyển đổi được sử dụng rất rộng rãi để tính toán các cấu trúc tuần hoàn theo một chiều theo quang học, và nhất là cho các gương Bragg. Nó cho phép thu được các hệ số truyền qua và phản xạ của một cấu trúc với chiều dầy xác định, nhưng chiều nằm ngang không xác định. Phép tính toán được thực hiện trên việc phân tách cấu trúc thành các lớp mỏng cơ bản. Hệ số truyền qua và phản xạ được tính toán đối với mỗi một lớp mỏng đó cốt để xây dựng nên ma trận chuyển đổi. Ma trận được tính toán đối với mỗi một bước sóng và một tinh thể làm từ một chất tán sắc như vậy, có thể được nghiên cứu. Các phổ phản xạ và truyền qua đối với toàn bộ một tinh thể được tính toán bằng cách kết hợp các số thích hợp của ma trận chuyển đổi. Phương pháp này rất ích lợi để biết được phổ truyền qua hoặc phản xạ có thể được hy vọng đối với một tinh thể có kích thước xác định. [21,22] * Phương pháp mạng cách tử nhiễu xạ Phương pháp này coi một vật liệu với các vùng cấm như một tập hợp các cách tử nhiễu xạ liên tiếp nhau [4]. Trong mỗi một miền phân cách các cách tử này, trường được triển khai theo dạng Rayleigh, có nghĩa là trên tất cả các sóng phẳng có thể có, và các hệ số khác nhau của phép triển khai này thì được liên hệ với nhau trong hai lớp liền kề bởi các tính chất nhiễu xạ của cách tử mà nó đã phân cách nó, chúng được tính SV LÊ VĂN LUẬT 17 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 toán bằng lý thuyết tích phân cách tử. Lời giải của hệ các ma trận liên quan giữa các hệ số Rayleigh cho sự biết sự nhiễu xạ của toàn bộ vật liệu. 1.1.3. Quy luật về chiều dài bước sóng [4] Bài toán sóng điện từ được đặt ra thì được mô tả một cách hoàn toàn bằng các phương trình của Maxwell. Như vậy, các lời giải là chính xác nếu có một sự gián đoạn đủ nhỏ được tính đến, ngược lại với trường hợp của các điện tử trong tinh thể rắn. Sự chính xác này có là do bản chất của các photon (các bosons). Thật vậy, trong trường hợp tính thể rắn, các tính toán loại này là không thể thực hiện được bởi vì không thể tính đến tất cả các tương tác Coulombien giữa các điện tử và giữa các điện tử với trường tinh thể. Các phương trình Maxwell có một ưu điểm là cũng tuân theo quan hệ thang đo chiều dài. Phương trình sau (14) có cùng các lời giải như phương trình (6) với một hệ số nhân: 2 2 2 ( ) r rxE r E s s c x ω ε⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞∇ = −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦∇ r rr r rrr s (14) Như vậy, ta có thể suy ra từ một lời giải ( )E r r nhận được với tần số ω, một lời giải ( )r s E r nhận được với tần số ω/s, ở đây s là kích thước của độ dài. Các tính toán nhận được đối với một cách tử với độ dài cỡ là x, có thể được dùng cho cách tử kích cỡ y nếu quy luật đơn giản về chiều dài thang đo có thể áp dụng được giữa hai cấu trúc. Quy luật thang đo này dẫn dắt một cách tự nhiên với việc dùng các đơn vị không thứ nguyên để nghiên cứu các tinh thể photonic. Tần số được biểu diễn là ωa /2πc, ở đây a là chu kỳ của cách tử (mạng). Tinh thể như vậy được đặc trưng bởi tỷ lệ r/a ở đây r là kích thước của một trong những “nguyên tử” của mạng. Quy luật thang đo này cho phép dùng các kết quả đo nhận được trên những cấu trúc kích thước lớn, dễ chế tạo hơn, để đánh giá một model mà ta muốn áp dụng với các cấu trúc kích thước bé hơn. Cần lưu ý rằng vị trí tần số của vùng cấm thì được xác định một cách bản chất bởi chu kỳ của mạng điện môi. Một quy luật kinh nghiệm đơn giản cần nhớ là vị trí tính theo bước sóng của vùng cấm thì gần bằng với hai lần hằng số mạng. 1.1.4. Các tính chất cơ bản Hình 4 cho chúng ta một bức tranh so sánh về sự thoát ánh sáng ra từ linh kiện LED cổ điển, chỉ có 3-20 % ánh sáng có thể thoát ra, phần còn lại thì bị tái hấp thụ bởi vật liệu và bị biến thành mất mát do nhiệt. Các tinh thể photonic có nhiều ưu điểm hơn SV LÊ VĂN LUẬT 18 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 trong lĩnh vực giải thoát ánh sáng ra này, chúng còn có thể sinh ra ánh sáng trong bản thân vật liệu của chúng [7]. Hình 4. So sánh sự thoát ánh sáng ra khỏi một linh kiện LED “cổ điển” (a) và một linh kiện phát sáng vi cấu trúc bằng tinh thể photonic (b) Trong phần này, một vài quy tắc đơn giản liên quan đến việc mở ra các vùng cấm đối với các photon dựa theo sự bố trí hình học của tinh thể photonic sẽ được đề cấp đến. Đặc tính nhân tạo của các vật liệu với các vùng cấm quang cho ta phép tưởng tượng ra khá nhiều cấu trúc. Có một cách để phân loại ra các tinh thể photonic là theo số hướng tuần hoàn mà vật liệu có. Trường hợp đơn giản nhất là sự tuần hoàn theo một chiều và trường hợp phức tạp nhất là gần với tinh thể rắn, khi này sự tuần hoàn theo cả ba chiều. Trong thực tế, chính sự khó khăn trong việc sản xuất liên quan đến kích thước các bộ khuôn mẫu có cấu trúc tuần hoàn (motif) sẽ giới hạn sự phức tạp hình học của các cấu trúc. Các khó khăn này sẽ tăng lên một cách tự nhiên với mức độ tuần hoàn của cấu trúc. Như vậy là cần thiết lập xem với điểm nào thì sự giảm bậc tuần hoàn của tinh thể làm biến đổi các tính chất quang học của nó. 1.1.4.1. Sự tuần hoàn theo 1 chiều Một tinh thể một chiều bao gồm các mặt tuần hoàn của các lớp điện môi với chiết suất khác nhau. Trong các trường hợp đơn giản nhất, chỉ cần sử dụng có hai vật liệu với hằng số điện môi khác nhau (xem hình 3). Các cấu trúc một chiều này được biết đến một cách rộng rãi và được gọi là các gương Bragg. Đây là một trường hợp đặc biệt của vật liệu với vùng cấm quang. SV LÊ VĂN LUẬT 19 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 5. Tính tuần hoàn theo 1 chiều của các lớp với hằng số điện môi n1 và n2 [8,20] Trong mô hình này, ta giả thiết là hằng số điện môi được modul hoá và thay đổi theo hình sin như trên hình vẽ 5. 1.1.4.2. Sự tuần hoàn theo 2 chiều Đây là loại tinh thể photonic với cấu trúc tuần hoàn theo hai hướng của không gian (hình 6). Trong trường hợp này, các tính chất quang của các cấu trúc này phụ thuộc mạnh vào sự phân cực của sóng điện từ. Sóng khi này được phân chia thành hai phần đóng góp khác nhau, TE và TM. tùy theo điện trường và từ trường được chứa đựng trong mặt phẳng tuần hoàn. Hình 6. Ví dụ về mạng photonic 2-D điển hình, bao gồm các lỗ hổng được ăn mòn trong chất bán dẫn. Loại mạng là tam giác. Các hướng được chỉ dẫn bởi các mũi tên: mầu đỏ được quy cho Γ - K, mũi tên mầu xanh lá cây vạch ra theo Γ - M [7,18-20]. SV LÊ VĂN LUẬT 20 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Có nhiều kiểu cấu trúc tuần hoàn theo hai chiều. ta có thể phân chia thành 2 loại theo phương pháp chế tạo: hoặc là bằng cách sắp xếp các thanh thẳng đứng của vật liệu chiết suất cao theo một mạng tuần hoàn, các thanh này được sắp xếp “nhúng” trong một vật liệu thứ hai với hằng số điện môi thấp hơn, thường là không khí. Phương pháp thứ hai là khoét các lỗ theo một mạng trật tự từ vật liệu có chiết suất cao. Trong trường hợp lý tưởng, một tinh thể photonic phải có một dải cấm quang hoàn toàn, có nghĩa là ức chế sự lan truyền sóng đối với tất cả các hướng không gian và đối với tất cả các sự phân cực. Hình 7. Nguyên tắc của sự giam giữ ánh sáng theo hướng thứ ba bằng cách khắc một đường dẫn sóng, tạo cấu trúc dẫn sóng. a) dẫn sóng được ăn mòn sâu, được thiết kế phù hợp với “quy ước thống nhất” đối với độ phản xạ cực đại với các lớp có chiết suất cao và thấp với chiều dầy λ/4n. Cấu hình này chịu các mất mát nhiễu xạ, vì ánh sáng thì không được dẫn trong vùng chiết suất thấp và nhiễu xạ ra ngoài mặt phẳng dẫn sóng. b) Nếu các dải không khí, là các lỗ trống được ăn mòn là đủ nhỏ, thì sẽ mất mát rất ít. Tương tác mạnh giữa cấu trúc tuần hoàn và mode được dẫn có thể đi dọc theo cấu trúc dẫn sóng [7,20]. Có hai yêu cầu đối với cấu trúc 2D là sự tương phản về chiết suất càng cao thì càng tốt, và cấu trúc phải gần như là không xác định theo chiều thứ ba. Điều kiện đầu có thể thực hiện với các cấu trúc gồm chất bán dẫn và không khí, điều cần thiết thứ hai là phải khoan các lỗ với đường kính thật bé và các lỗ phải có độ sâu lớn (xem hình 7,b). SV LÊ VĂN LUẬT 21 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 1.2.4.3. Sự tuần hoàn theo 3 chiều [8] Các cấu trúc ba chiều, như tên gọi nó, thể hiện tính tuần hoàn về hằng số điện mối theo tất cả các hướng không gian. Hình 8 là một ví dụ về cấu trúc này và cách tạo ra nó và hình 9 trình bầy một ví dụ về hệ số truyền qua và vùng cấm quang từ cấu trúc này. Hình 8. Cấu trúc “Yablonovite”: một lát vật liệu được phủ nhờ một mặt nạ là một ma trận các lỗ trống sắp xếp theo hình tam giác. Mỗi một lỗ được khoan 3 lần: tại một góc 35,26o so với chiều thẳng đứng, rồi dãn ra 120o trên góc phương vị, như trên hình vẽ. Các lỗ khoan kết quả này ở phía dưới bề mặt sẽ tạo ra cấu trúc mạng fcc tuần hoàn theo 3 chiều [2,9]. SV LÊ VĂN LUẬT 22 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 9. Hệ số truyền qua với sóng micro (microwaves) của mẫu Yablonovite chỉ ra một vùng cấm quang rộng tại các tần số xung quanh 14 GHz [2,9] Đây là trường hợp gần giống nhất với tinh thể rắn. Đây cũng là trường hợp triển vọng đáng quan tâm nhất. Các cấu trúc này có thể thích hợp với tất cả các sự phân cực và tất cả các hướng lan truyền. 1.1.5. Các khuyết tật Giống như trong trường hợp các chất bán dẫn, các khuyết tật có thể được đưa vào một cách theo ý muốn trong cấu trúc photonic. Đối với chất bán dẫn, thay đổi loại nguyên tử trong mạng tinh thể sẽ là đưa các mức năng lượng được phép trong vùng dẫn. Trong các tinh thể photonic, sự tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc tuần hoàn cũng dẫn đến các mức năng lượng được phép trong vùng cấm quang, hoặc nói một cách khác là, dẫn đến các mode truyền trong vùng các tần số bị cấm trong điều kiện bình thường. Có nhiều loại khuyết tật khác nhau đã được nghiên cứu. Ta có thể thực hiện một buồng cộng hưởng trong tinh thể bằng cách tạo ra một khuyết tật giả - điểm của các chu kỳ tuần hoàn. Chính nó đưa các mode điện từ gián đoạn (cộng hưởng) ở tâm của vùng BIP của tinh thể photonic. Như vậy, khi các mode của vùng được phép trải rộng ra toàn bộ tinh thể, thì các mode của vùng cấm sẽ là mờ dần. Sự có mặt của khuyết tật được thể hiện ở chỗ có một hoặc nhiều trạng thái gián đoạn bên trong của vùng cấm quang. Hình 10 trình bầy một ví dụ về trạng thái khuyết tật nằm bên trong vùng cấm quang. SV LÊ VĂN LUẬT 23 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 10. Phổ truyền qua của tinh thể hexagonal là các cọc điện môi khi có khuyết tật và không có khuyết tật. Trong trường hợp này khuyết tật sẽ sinh ra một mode truyền qua của ánh sáng tại một bước sóng phù hợp [8]. 1.2. Các phương pháp chế tạo các tinh thể photonic [7,17] Có hai kỹ thuật cơ bản có thể lựa chọn để chế tạo ra các tinh thể photonic, một là dựa trên các kỹ thuật lithography kết hợp với các kỹ thuật ăn mòn khác nhau, và thứ hai là dựa trên kỹ thuật tự tập hợp các hạt lơ lửng hình cầu (self-assembly of colloidal particles). Ngoài ra còn một số các phương pháp khác nữa mà sẽ được trình bầy trong phần dưới đây. 1.2.1. Phương pháp khắc và ăn mòn (lithography and etching) * Kỹ thuật lithography Dùng phương pháp này , ta cần chế tạo trên một phiến chất bán dẫn, ví dụ như Si, với cấu trúc phẳng, các lỗ nhỏ của một mạng, với chu kỳ thay đổi giữa 200 và 700 nm, với sự kiểm soát chính xác dưới 100 nm kích thước và hình dạng mong muốn. Các kỹ thuật quang khắc của công nghệ vi điện tử thông thường thì không dùng được ở đây. Thông thường nhất là phải sử dụng e-beam lithography (khắc bằng chùm điện tử). Với kỹ thuật này, có thể tạo ra được các mẫu để dùng cho vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần. Tuy nhiên, ở Việt nam hiện nay chưa có thiết bị này. * Sử dụng các mặt nạ (masking) SV LÊ VĂN LUẬT 24 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Cũng là một cách để chế tạo ra các cấu trúc 2D từ các lỗ được ăn mòn sâu trong chất bán dẫn. Kỹ thuật này đòi hỏi phải ăn mòn sâu và đẳng hướng với độ phân giải cao, tuy nhiên kỹ thuật ăn mòn ướt không thể dùng được. Tuy nhiên, phương pháp ăn mòn bằng điện cực anodic, có nghĩa là ăn mòn ướt với việc sử dụng dòng điện, cũng có thể áp dụng được, tuy nhiên cũng đòi hỏi nhiều công nghệ phức tạp. Ngoài ra còn có phương pháp ăn mòn khô (Dry etching) Dưới đây là phần minh hoạ cho các kỹ thuật trên để chế tạo các tinh thể photonic 3D. Phương pháp dựa trên ăn mòn lớp điện môi tạo thành cấu trúc tuần hoàn ba chiều hay còn gọi là xếp chồng gỗ. Một mong muốn cần đạt tới là sắp xếp cấu trúc lớp - lớp như chồng gỗ, phương pháp được mô tả trên hình 11 Hình 11. Quá trình chế tạo tinh thể 3D tạo ra kiểu xếp các đống gỗ [18]. Cấu trúc như hình (e) là cấu trúc cần đạt tới. Thông thường chúng ta có thể dùng vật liệu Si hay GaAs. Phương pháp này tạo ra trên mỗi lớp một số đường vật liệu xen kẽ nhau. Những bước (b) và (c) là mẫu luôn phải đặt vuông góc với nhau. 1.2.2. Phương pháp điện hoá Có thể sử dụng để chế tạo các cấu trúc 2D macro xốp 1.2.3. Phương pháp oxy hoá chọn lọc theo chiều thẳng đứng SV LÊ VĂN LUẬT 25 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 1.2.4. Các tinh thể photonic tự tổ chức giống opal (self-organised photonic crystals) Hầu hết các phương pháp chế tạo kể trên đều là việc áp đặt tính tuần hoàn với độ dài quang học lên trên một vật liệu đồng nhất. Tuy nhiên, có một giải pháp khác nằm trong việc tự tổ chức, giống như bức tranh có trong tự nhiên. Opal là sự sắp xếp trật tự của các viên bi gần như là hình cầu làm từ SiO2. Các hạt cầu này có thể được tạo thành từ polystyrene, TiO2, ZrO2 hoặc Al2O3. Bogomolov và cộng sự [10] đã thiết lập ra một quy trình chuẩn, bắt đầu từ việc tạo ra các hạt lơ lửng hình cầu SiO2, theo phương pháp của Stober [11], tiếp theo là làm lắng đọng chúng một cách tự nhiên hoặc là ly tâm. Sau đó các hạt cầu silica này sẽ được sắp xếp thành các “tinh thể” trong đó các hình cầu với kích thước giống nhau sẽ đóng gói chặt thành một tập hợp rắn. Một số vùng của vật liệu này biểu lộ sự sắp xếp đều đặn cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) [7]. Trong nội dung nghiên cứu của bản luận văn này, với các phương tiện có sẵn ở Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo các mẫu tinh thể photonic loại này. Tuy nhiên, độ tương phản cực đại về chiết suất là 1,45 (SiO2):1 (không khí) là chưa đủ để cho một vùng cấm hoàn toàn. Do vậy, cần phải có thêm quá trình “chất thêm” một phần hay toàn bộ các lỗ trống trong cấu trúc opal này, để cung cấp thêm sự tương phản chiết suất lớn hơn và thu lợi thêm về tính tuần hoàn. Hình 12. Ảnh chụp của một cấu trúc tinh thể được làm từ kỹ thuật tự tập hợp các hạt hình cầu SiO2 với kích thước hạt cỡ 855 nm [15,17]. Hình ảnh dẫn ra từ các công trình khoa học đã được công bố trước đó. SV LÊ VĂN LUẬT 26 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 1.3. Sự phát xạ tự nhiên Các quan điểm về phát xạ tự nhiên và các tinh thể photonic thì được nối kết với nhau một cách chặt chẽ. Nếu một nguyên tử được đặt bên trong một tinh thể photonic, không một năng lượng nào có thể được phát xạ nếu không ánh sáng nào có thể truyền trong cấu trúc và như vậy, phát xạ tự nhiên thì bị ngăn chặn hoàn toàn. Một cách cổ điển, ảnh hưởng của cấu trúc điện môi tới phát xạ tự nhiên có thể được tính toán bằng cách xem xét một lưỡng cực điểm mà nó bức xạ năng lượng. Nếu một phần năng lượng được phản xạ trở lại tới lưỡng cực phát xạ, hiệu ứng giao xẩy ra, nó làm thay đổi lượng phát xạ ra. Lý thuyết cơ lượng tử sẽ cho một kết quả tương tự, nhưng là tính toán xác suất dịch chuyển của một nguyên tử. Phần tiếp sau sẽ trình bầy về quan điểm về mật độ cục bộ các trạng thái (LDOS). Nếu một nguyên tử bị kích thích được đặt bên trong một buồng cộng hưởng, năng lượng nó phát xạ phụ thuộc vào buồng cộng hưởng này. Để có một sự miêu tả riêng một hệ thống như thế thì cần phải xem xét hệ thống ghép cả nguyên tử và buồng cộng hưởng lại với nhau. Trong bức tranh như vậy, sự tắt dần phát xạ của nguyên tử liên quan tới các modes trong buồng cộng hưởng. Số mode trong buồng cộng hưởng phụ thuộc vào kích thước của buồng cộng hưởng và vào độ phản xạ của các bức tường của buồng cộng hưởng này. Tốc độ tắt dần của các nguyên tử tỷ lệ với số lượng của các kênh tắt dần có thể có (các mode) trong buồng cộng hưởng. Mật độ cục bộ của các trạng thái tính đến số mode có sẵn giữa các tần số ω và ω +dω, tại vị trí r trong buồng cộng hưởng. Mật độ cục bộ của các trạng thái như vậy là riêng và liên hệ trực tiếp với sác xuất phát xạ tự nhiên của một nguyên tử tại vị tí r. Như đã miêu tả ở trên, sự phát xạ tự nhiên của một nguyên tử thì bị ảnh hưởng bởi các yếu tố xung quanh chúng. Ở đây, kích thước của buồng cộng hưởng thì có thể so sánh được với bước sóng điện từ liên quan tới dịch chuyển phát xạ của nguyên tử sử dụng. 1.4. Các ion erbium và các dịch chuyển phát xạ tại 1530 nm. Như đã biết là phát xạ của erbium là nhân tố “chìa khoá” để tạo ra sự khuyếch đại trong các sợi silica, và ngày nay, các khuyếch đại sợi dựa trên thuỷ tinh silica pha tạp erbium đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp viễn thông [7,8]. Tuy nhiên, sự kết hợp giữa silic và erbium là quan điểm dường như rất quyến rũ. Đây là một điều cơ bản hiểu được, vì vậy sự kết hợp của tinh thể photonic với vùng cấm quang (PBG) + Er:Si (hoặc SiO2) là đặc biệt hứa hẹn. Do vậy, chúng tôi đã thử kết hợp đưa erbium SV LÊ VĂN LUẬT 27 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 vào tinh thể photonic chế tạo để nghiên cứu tính chất phát xạ của chúng trong cấu trúc trật tự. Từ các hạt hình cầu SiO2 với đường kính từ ~ 300 - 400 nm , được nuôi bằng phương pháp ướt, bằng cách dùng TEOS, ethanol, ammoniac và nuớc, chúng tôi đã đưa thêm một lượng thích hợp erbium ở dạng erbium clorua, với nồng độ 0,65% mol tính theo SiO2. Các hạt hình cầu này sau đó được đem dùng để chế tạo tinh thể photonic bằng các phương pháp như đã viết ở trên. Trong các tinh thể photonic như thế, hằng số điện môi thể hiện tính tuần hoàn theo chu kỳ. Nếu chiều dài của chu kỳ này thay đổi và so sánh được với các bước sóng vùng nhìn thấy vùng hoặc hồng ngoại gần, cấu trúc đó có thể phản xạ Bragg ánh sáng, dẫn đến các tính chất quang thú vị. Các tính chất như thế của một tinh thể photonic có thể được nghiên cứu bằng cách đặt một đầu dò (probe) phát huỳnh quang ở bên trong tinh thể [12]. Ví dụ, các hình cầu được cấy các ion đất hiếm phát huỳnh quang có thể được dùng để nghiên cứu các tinh thể photonic trong không gian thực với kính hiển vi confocal. Erbium cấy trong hình cầu SiO2 sẽ có các dịch chuyển vạch hẹp và có thể dùng như một đầu dò trong các tinh thể photonic [12]. Chúng tôi hy vọng là sẽ ghi được các phát xạ tương ứng với dịch chuyển 4I13/2→ 4I15/2 của Er3+ trong SiO2 tại 1,5 µm. Các hạt silica pha tạp erbium được tổng hợp như vậy là có thể được sử dụng làm các đầu dò quang học trong các tinh thể photonic với vùng cấm quang nằm ở xung quanh bước song quan trọng sử dụng trong viễn thô ng tại 1,5 µm [12]. Phần dưới đây trình bầy một vài dịch chuyển điện tử giữ các mức năng lượng, tương ứng với quá trình hấp thụ và phát xạ của ion erbium, thường hay gặp trong thực tế. Hình 13. Một số dịch chuyển điện tử giữa các mức năng lượng tương ứng với quá trình hấp thụ và phát xạ của ion erbium. SV LÊ VĂN LUẬT 28 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 SV LÊ VĂN LUẬT 29 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ CÁC KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU Các màng mỏng SiO2 có rất nhiều ứng dụng trong công nghệ điện tử và photonic. Một số kỹ thuật đã được phát triển để nuôi các lớp này như là sputter deposition, kỹ thuật bốc bay lắng đọng trong chân không và oxy hoá nhiệt. Kỹ thuật sol-gel là một loại kỹ thuật không đắt tiền, không đòi hỏi chân không hoặc nhiệt độ cao, có thể được dùng để chế tạo ra các màng SiO2 này. Phương pháp sol-gel liên hệ tới các phản ứng hoá học trong môi trường dung dịch (wet chemical) dẫn đến việc hình thành các lớp oxyt rắn đặc. Trong quá trình sol-gel, tetra-ethoxy-silane (Si(C2H5O)4), được viết tắt là TEOS, được cho tiến hành phản ứng thuỷ phân với nước, rồi chúng tự ngưng tụ lại với nhau, tuỳ theo điều kiện của phản ứng mà kết quả cuối cùng là một ”sol” chứa các hạt lơ lửng SiO2, hình tròn, kích thước thay đổi trong phạm vi từ vài nm tới vài trăm nm. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp trộn hỗn hợp của TEOS, amoniac, nước và cồn, để cho phản ứng và cuối cùng nhận được các hạt vi cầu SiO2 kích thước có thể thay đổi từ 100 nm tới ~ 400 nm. Hỗn hợp dung dịch ban đầu bao gồm 0,376 g TEOS; 7,891 g cồn; 0,805 g nước và 0,693 g amoniac [12]. Hỗn hợp trên được khuấy trộn mạnh trong 3-4 giờ, sau đó để nuôi lớn tiếp các hạt SiO2, một lượng TEOS thích hợp lại tiếp tục được đưa vào hỗn hợp dung dịch trên. Dung dịch được để yên và các hạt tiếp tục được nuôi phát triển to đến cỡ vài trăm nm trong 1 tháng. Sau cùng, các hạt tròn lơ lửng được rửa và phân bố trong dung môi cồn tuyệt đối. Sau khi nhận được các hạt SiO2 này, chúng tôi tiến hành chế tạo các tinh thể photonic trên các đế thuỷ tinh hoặc Si, theo các phương pháp được trình bầy ở phần tiếp sau. 2.1. Phương pháp mới về nuôi từ dung dịch các màng tinh thể photonic SiO2 2.1.1. Giới thiệu về phương pháp Sơ đồ nguyên lý chế tạo các mẫu tinh thể photonic được đưa ra trên hình 14. Sauk hi thực hiện các bước như trong sơ đồ, cuối cùng mẫu có thể được nung ở nhiệt độ 4000C. Bước cuối cùng cho kết qủa là độ kết tinh tốt hơn. Các vật liệu SV LÊ VĂN LUẬT 30 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 không được nung thì thường không kết tinh, cho chiết suất thấp hơn. Kết quả nung đối với vật liệu xốp sẽ co lại tới 20%. Hình 14. Sơ đồ nguyên lý quy trình chế tạo các tinh thể photonic từ kỹ thuật lắng đọng, tự tập hợp các hạt lơ lửng [17]. Ngoài ra, chúng tôi còn sử dụng hai phương pháp sau: Phương pháp 1. Dựa theo các công trình đã công bố về kỹ thuật chế tạo các tinh thể photonic từ các hạt vi cầu, bằng kỹ thuật tập hợp của J.D. Joannopoulos [13,17], chúng tôi đã sử dụng phương pháp này để chế tạo các mẫu màng tinh thể trên đế Si. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp chế tạo được đưa ra trên hình 15. Phương pháp này được gọi là phương pháp 1. SV LÊ VĂN LUẬT 31 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 15. Quá trình nuôi phát triển tinh thể photonics trên đế Si từ dung dịch bằng kỹ thuật tự tập hợp, theo phương pháp chênh lệch nhiệt độ (temperature gradient) Dựa theo phương pháp 1, các hạt silica sẽ được sắp xếp trật tự giữa chúng với nhau trên bề mặt thẳng đứng của đế Si do bề mặt lồi của dung dịch bị kéo xuống bởi sự bốc hơi của dung môi cồn. Một khi mà Silica có cấu trúc được hình thành, hoặc là như một cái khuôn mẫu, các lỗ trống giữa các hạt cầu SiO2 giồng nhau sẽ được lấp đầy bằng Silic. Loại bỏ các hạt SiO2 bằng kỹ thuật ăn mòn ướt, ta sẽ thu được cấu trúc tinh thể silic mong muốn được gắn trên chip silic. Như vậy, sau khi nhận được mẫu tinh thể photonic, chúng tôi có thể sẽ tạo ra bằng phương pháp bốc bay, một lớp Si phủ lên cấu trúc trật tự này, và sau đó dùng kỹ thuật ăn mòn để có cấu trúc trật tự về chiết suất giữa Si và không khí. Chúng tôi đã sử dụng cụ thể phương pháp này như sau: dung dịch cồn với các hạt keo SiO2 được duy trì để trên đỉnh nhiệt độ khoảng 800C còn ở dưới được duy trì khoảng 600C. Cồn sẽ bay hơi mạnh, khi bay hơi chúng mang theo các hạt SiO2 lên trên. Đế là phiến Si tinh khiết cao được nhúng trong dung dịch, việc hướng nhiết sẽ tạo ra một kích thích để sự bay hơi diễn ra mạnh, và tạo ra những chuyển động của hạt keo SiO2, để nó có thể bay lên cùng với cồn. Nhiệt độ phía trên lạnh hơn làm cho các hạt keo SiO2 nặng hơn cũng khó chuyển động hơn, đế Si lúc này sẽ hút các hạt keo SiO2. Mặt khum sẽ làm cho các hạt SiO2 có xu hướng chuyển động sát vào trong đế Si. Quá trình sẽ được thực hiện như sau. Đặt đế Si thẳng đứng hướng vuông góc mặt dung dịch được pha loãng bằng cồn. Khi đó tại lớp tiếp xúc giữa đế với chất lỏng hình thành một mặt khum do lực liên kết phân tử. Lực mao dẫn làm cho các hạt cầu có xu hướng chuyển động lại phía đế Si. Quá trình hướng nhiệt sẽ làm khô dung môi, các hạt gần mặt khum không bay hơi sẽ bám vào đế Si. Bằng phương pháp này chúng tôi đã tạo ra được nhiều mẫu, đã có những thử nghiệm đầu tiên về cơ chế định hướng ánh sáng trong cấu trúc trật tự của vật liệu. Phương pháp 2: Ngoài ra, chúng tôi cũng đã sử dụng một phương pháp xếp đặt khác, goi là phương pháp 2, để chế tạo các tinh thể photonic. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp được trình bầy trên hình 16. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sắp xếp tự nhiên của nó, nhưng thay vì dùng tác động là nhiệt chúng tôi dùng tác động là rung siêu âm. SV LÊ VĂN LUẬT 32 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Với kích thước hạt chúng tôi tạo ra cỡ 330 nm, dùng phương pháp lắng đọng tạo ra một số lớp chồng lên nhau. Kết quả cho thấy là hoàn toàn hợp lý như dự đoán và như nhiều báo cáo trước đây công bố. Trước tiên tạo ra lớp đế trên và đế dưới, trong đó đế trên là thủy tinh được làm sạch bằng cồn. Trên thủy tinh có một lỗ tròn nhỏ cỡ 3 ÷ 5 mm, gắn lỗ với một ống thủy khoảng 4 ÷ 6 mm tùy vào kích thước của lỗ trên đế thủy tinh. Để gắn ống thủy tinh vào đế chúng tôi dùng nhựa epoxy. Quá trình tạo ra lớp đế dưới đòi hỏi một quy trình phức tạp hơn, và kỹ thuật tinh xảo hơn. Có hai cách chủ yếu tạo ra lớp đế dưới, thứ nhất chúng ta dùng kỹ thuật quang khắc: Trên tấm Si tinh khiết định hướng 100 được phủ một lớp quang trở kích thước khoảng 2 x 2 (cm2) độ dày cỡ H ≈ 12 µm. Dùng kỹ thuật quang khắc tạo ra khung chắn với độ rộng đường khung cỡ 2mm. Tiếp theo trên khung vừa tạo được, tạo thêm một mặt nạ các kênh với độ sâu khoảng 180 ÷ 200 nm tùy thuộc vào đường kính của hạt cầu SiO2 tạo ra, bề rộng của kênh dẫn khoảng 100 µm cách nhau cỡ 500 µm. Như vậy, chúng ta có thể tạo ra trên thành khung hơn 30 kênh khác nhau. Như vậy bằng kỹ thuật vi điện tử ăn mòn quang khắc có thể tạo ra được các đế cần thiết. Đơn giản và rẻ tiền hơn kỹ thuật quang khắc chúng ta có thể tạo ra lớp khung dưới bằng kỹ thuật ăn mòn hóa học. Kỹ thuật dựa trên phản ứng hóa học của KOH và Si trong điều kiện sạch. Thay vì phủ lớp quang trở chúng ta có thể tạo ra khung chắn như mong muốn, nhưng kỹ thuật này có một nhược điểm so với kỹ thuật ăn mòn quang học là trong lòng lớp đế sẽ tạo ra một độ ráp nhất định nhất định, độ ráp cho phép trong đề tài của tôi là < 50nm. Quá trình tạo ra tinh thể photonic được thực hiện qua các bước sau: - Gắn đế trên vào đế dưới kín tất cả các hướng khác nhau, như thế chúng ta tạo ra một "hộp" có đường vào là ống thủy tinh gắn trên đế thủy tinh phía trên và đường ra là các kênh dẫn. - Thổi hạt, dựa trên kỹ thuật tự sắp xếp của các hạt cầu. Ống cao su gắn phía trên ống thủy tinh được thổi hai dòng, dòng dung dịch các hạt cầu được tiêm từ ống tiêm, và dòng khí N2 được thổi nhẹ từ trên xuống. Dòng N2 được thổi vào "hộp" sẽ kéo theo dung dịch các hạt cầu chuyển động về phía kênh dẫn là nơi thoát khí. Dòng khí được thổi thật nhẹ đảm bảo quá trình chuyển động của hỗn hợp khí N2 + dung dịch có chứa hạt cầu chuyển động đều về phía kênh. SV LÊ VĂN LUẬT 33 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 - Với các kênh dẫn được thiết kế như trên tạo điều kiện cho khí và dung môi thoát ra ngoài nhưng các hạt cầu được giữ lại bên trong. - Sau khi thổi, hỗn hợp sẽ tạo ra trên đế Si một màng với nhiều lớp bao gồm các hạt cầu SiO2 và dung môi. Để đảm bảo cho quá trình sắp xếp hạt được như mong muốn tiến hành rung siêu âm, quá trình rung siêu âm sẽ tạo chấn động làm cho các hạt sắp xếp không tạo ra các lỗ trống. - Cuối cùng, là để khô tự nhiên hay kèm theo nhiệt độ thấp khoảng dưới nhiệt độ bay hơi của cồn. Chúng ta có một màng mỏng các hạt SiO2 có cấu trúc trật tự. Hình 16. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp chế tạo được dùng để tập hợp các hạt hình cầu SiO2 thành mạng tinh thể [13]. Như vậy, để chế tạo các màng tinh thể photonic loại này, chúng tôi phải chế tạo các khuôn mẫu để tập hợp các hạt cầu, theo sơ đồ trên hình 16. SV LÊ VĂN LUẬT 34 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Tế bào để tập hợp các hạt cầu bao gồm hai phiến: đáy là phiến Si, kích thước 2x2 cm. Phiến đáy được chế tạo từ công nghệ quang khắc vi điện tử tại Trung tâm ITIM’S. Phiến nắp phía trên đơn giản chỉ là một tấm thuỷ tinh quang học mỏng của Nhật bản. Sử dụng hệ thống này, chúng tôi đã chế tạo được một vài mẫu màng tinh thể photonic. Sử dụng phương pháp 1, Y. Vlasov và đồng nghiệp [15] đã chế tạo được các tinh thể photonic với vùng cấm quang hoàn toàn tại gần 1,3 µm (hình 17), còn A. Bienco [16] đã nhận được tinh thể photonic ba chiều với vùng cấm quang gần 1,5 µm (hình 18). Hình 17. So sánh các kết quả quang học với tính toán. Phổ phản xạ thực nghiệm (mầu đỏ) và lý thuyết (mầu đen) theo bước sóng, của các mẫu tinh thể photonic làm từ các hạt silica 855 nm, chiết suất 1,45, chỉ ra một vùng cấm quang gần như hoàn toàn tại ~1,3 µm [15]. SV LÊ VĂN LUẬT 35 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 18. Phổ phản xạ từ opal đảo silicon. Vùng tại 1,5 µm được chỉ ra trên phổ [16] 2.2. Các kỹ thuật đặc trưng tinh thể photonic 2.2.1. Các kết quả về ảnh TEM và SEM Các nghiên cứu về ảnh TEM và SEM cho chúng tôi biết về hình ảnh thực và kích thước của các hạt hình cầu SiO2 và sự sắp xếp của chúng. Các kỹ thuật TEM hay SEM giúp chúng ta quan sát được ảnh cấu trúc của mẫu và kích thước nano của chúng. H ình 19. Sơ đồ nguyên lý c ủa kính hiển vi điện tử quyét SV LÊ VĂN LUẬT 36 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 SEM – kính hiển vi quét điện tử là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ phóng đại lớn gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học thông thường. Vì bước sóng của chùm tia điện tử thấp hơn nhiều so với kích thước bước sóng vùng ánh sáng khả kiến. 2.2.2 Phép đo với ánh sáng trắng Phổ phản xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy đối với các tinh thể chế tạo được đã được chúng tôi ghi nhận trên hệ đo OMA của Viện Khoa học Vật liệu. Sơ đồ nguyên lý của hệ được trình bày trên hình 20: Hình 20. Hệ đo phổ phản xạ của tinh thể photonic trong dải bước sóng vùng nhìn thấy. Tín hiệu ánh sáng trắng được chiếu từ đèn halogen sẽ được đưa qua một khe hẹp để làm cho tín hiệu đi tới mẫu chỉ là một chùm tính hiệu sáng hẹp. Trong trường hợp thực nghiệm của chúng tôi, chúng tôi tiến hành với việc đo góc phản xạ của tín hiệu trong khoảng 340. Tín hiệu khi phản xạ trên mẫu sẽ tới một thấu kính đặt trước bộ thu CCD, thực ra là một nguồn thu trong đó có các CCD nhằm phân tích tín hiệu. Phần mềm đi kèm thiết bị đo sẽ giúp ghi phổ, và ghi giữ tín hiệu dưới dạng số liệu. Nguồn thu tín hiệu giúp phân tích ánh sáng theo các bước sóng khác nhau và tính ra độ phản xạ đối với từng bước sóng. Dữ liệu từ CCD sẽ được đưa vào trong máy tính. Dùng phần mềm ORIGIN xử lý số liệu thu được. 2.2.3. Kỹ thuật quang huỳnh quang SV LÊ VĂN LUẬT 37 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Chúng tôi đã sử dụng hệ đo TRIAX 320 có tại Viện Khoa học Vật liệu để nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các tinh thể photonic pha tạp erbium và không pha tạp. Phương pháp đo là dựa trên máy TRIAX-320 tại phòng Vật liệu và Ứng dụng quang sợi. Hệ thiết bị đo được trình bầy trên hình 21. Hình 21. Hệ đo TRIAX-320, với nguồn kích thích 980 nm. Với hệ đo TRIAX-320, tín hiệu kích thích sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại với bước sóng cỡ 980 nm vào mẫu vật liệu. Trong trường hợp mẫu vật liệu có pha tạp erbium, ta có thể thu được phổ phát xạ huỳnh quang của ion erbium trong vật liệu. Sóng kích thích được dẫn tới lối ra của laser diode vào trong một sợi quang sẽ đến kích thích trực tiếp vào mẫu tinh thể. Chúng tôi cũng sử dụng sợi quang để thu trực tiếp tín hiệu hồng ngoại phát ra từ mẫu. Phương pháp này tương đối đơn giản, vì nó tiết kiệm được thời gian chỉnh quang học và cho phép giảm được mất mát trong việc thu tín hiệu phát ra từ mẫu. Sau đó tín hiệu thu được dẫn trong sợi quang tới thiết bị đo, đầu tiên chúng sẽ được một hệ thống gương điều khiển sao cho tất cả tín hiệu đều rơi vào khe máy. Từ khe này chúng sẽ được phân tích bằng một cách tử phù hợp với vùng phát xạ và được tách riêng từng thành phần tín hiệu tương ứng với các bước sóng. Thành phần tín hiệu này sẽ được đưa tới một detector photodiode InGaAs hoạt động trong vùng hồng ngoại. Tín hiệu từ detector được đưa trực tiếp tới bộ vi xử lý, được khuếch đại và nối với máy tính. Phần mềm đi kèm thiết bị đo sẽ xử lý các tín SV LÊ VĂN LUẬT 38 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 hiệu đo nhận được từ cách tử và detector rồi vẽ thành phổ, ghi nhận và lưu trữ file dưới dạng số liệu. Phổ được xử lý trong chương trình ORIGIN 6.0. SV LÊ VĂN LUẬT 39 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Chương 3 CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả về chế tạo mẫu và đặc trưng chúng Chúng tôi đã áp dụng và cải tiến quá trình chế tạo các hạt vi cầu SiO2, để thu nhận được các hạt hình cầu SiO2 (SiO2 colloidal) với các kích thước khác nhau, từ 100 nm tới kích thước ~ 400 nm. Các mẫu hạt SiO2 hình cầu này đã được đem chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) tại Viện Vệ sinh dịch tễ Hà Nội, và tại thiết bị của Viện Khoa học Vật liệu. Kích thước và hình dạng tròn của các hạt đã được hiện rõ trong các ảnh TEM được trình bầy trong các hình 22 và 23. Các hạt này được cất giữ trong cồn tuyệt đối. Đây là các hạt vi cầu SiO2 mà chúng tôi sẽ sử dụng để xây dựng nên cấu trúc photonic. Các hạt với kích thước to hơn sẽ được phòng thí nghiệm chế tạo trong thời gian tới. Hình 22. ảnh TEM của mẫu hạt hình cầu SiO2, được sử dụng để chế tạo ra SV LÊ VĂN LUẬT 40 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 các tinh thể photonic, kích thước các hạt ~400 nm. SV LÊ VĂN LUẬT 41 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 23. ảnh TEM của một số mẫu hạt hình cầu SiO2 cho thấy kích thước hạt ~200 nm. Ta thấy các hạt SiO2 được “nuôi” trong điều kiện môi trường dung dịch cồn và TEOS, với thời gian phản ứng và nuôi các hạt trong dung dịch, kích thước của hạt tăng dần. Kích thước của hạt cầu thay đổi theo thời gian và điều kiện nuôi phát triển tinh thể. Kết quả về các hạt với kích thước tương tự cũng được các tác giả nước ngoài công bố [23]. chúng tôi cũng tạo được những hạt với kích thước đều, cấu trúc trật tự. Cũng có thể nói là chúng tôi đã tham khảo và để cố gắng đạt được một kích thước đều và sắp xếp trật tự như trong ảnh hình 24 [23]. (a) ảnh TEM của các hạt cầu SiO2 [23] (b) ảnh TEM của các hạt hình cầu với đường kính 300 nm [23]. Hình 24. Ảnh TEM của hạt cầu SiO2 với đường kính cỡ 300nm Hình 24 cho thấy kích thước của hạt cầu mà hiện nay một số tác giả nước ngoài khác đã đạt được [23]. Với phương pháp đã được trình bày ở trên. chúng tôi đã tạo ra hạt cầu kích thước mong muốn. Hình ảnh của kích thước hạt của công trình được công bố [23] và so sánh với kích thước các hạt do chúng tôi chế tạo ra được, cho thấy kích thước đạt được cũng cỡ 300 nm. Với kích thước này, các tác giả đã có thể thu được những kết quả như mong muốn về chế tạo tinh thể photonic [23]. SV LÊ VĂN LUẬT 42 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 3.2. Kết quả về chế tạo các tinh thể photonic dạng màng trên đế Si Như đã trình bầy ở chương 2 về phương pháp chế tạo các mẫu tinh thể photonic bằng kỹ thuật tự tập hợp, dựa trên sự làm chênh lệch nhiệt độ giữa dung dịch chứa các hạt hình cầu SiO2 và phiến đế Si (phương pháp 1), và sự sắp xếp trật tự theo phương pháp thổi và rung vào một khuôn đế (phương pháp 2), chúng tôi đã chế tạo được một số mẫu màng tinh thể photonic trên đế Si. Các mẫu này đã được đem chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quýet (SEM). Các hình 25 và 26 trình bầy các kết quả của sự sắp xếp trật tự này. Các ảnh SEM được thực hiện tại khoa Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà nội. Hình 25. Ảnh SEM của mẫu màng photonic SiO2/Si, cho thấy sự sắp xếp trật tự của tinh thể (ảnh chụp từ mặt trên của mẫu). Ảnh SEM được chụp trên các mẫu vật liệu khác nhau, cho thấy sự sắp xếp của các hạt SiO2 hình cầu. Ở đây kích thước thước của các hạt cầu trong khoảng 300 – 350 nm. SV LÊ VĂN LUẬT 43 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 26. Ảnh SEM của mẫu tinh thể photonic SiO2 trên đế Si. Có thể nhìn thấy rõ kích thước của các hạt cầu SiO2 đều và cấu trúc quan sát được là hexagonal. Hình 25 và 26 cho thấy khả năng tự tập hợp của các hạt cầu SiO2. Hình 25 là ảnh quan sát trên một diện tích nhỏ, cho thấy mặt trên có cấu trúc trật tự và đều. Đây là điều mong muốn trong quá trình thực hành thí nghiệm. Hình 27 là ảnh SEM của mẫu tinh thể được tập hợp và lắng đọng trên bề mặt một lam kính thuỷ tinh. Hình 27. Ảnh SEM của mẫu tinh thểphotonic SiO2 trên đế thuỷ tinh. Cho thấy khả năng sắp xếp trật tự của các hạt cầu SiO2 trên vật liệu nhẵn. Có thể thấy rằng với kích thước 330 nm, các hạt cầu SiO2 có thể sắp xếp rất trật tự ở một miền nào đó trong khối tinh thể. Có lẽ điều này phụ thuộc vào sự chính xác của quy trình thực hành thí nghiệm của chúng tôi. Quy luật này tuân thủ theo một SV LÊ VĂN LUẬT 44 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 quy tắc thế năng thấp nhất thì vật chất tồn tại trong trạng thái bảo toàn nhất. Với tính chất là các hạt cầu, thì qúa trình tự sắp xếp sẽ tuân thủ quy luật nghiêm ngặt, đó là xung quanh một hạt cầu luôn có các hạt cầu bao quanh che kín hạt cầu đó mà cụ thể ở đây là 12 hạt cầu sẽ bám xung quanh một hạt ở vị trí bất kỳ. Đây là sự sắp xếp hoàn hảo mà trong quá trình thí nghiệm hoàn toàn có thể đạt được. Quá trình này còn sẽ thực hiện tự tập hợp tốt hơn nếu trong quá trình tự tập hợp, chúng ta thực hiện thêm một bước, đó là rung cơ học, trong phương pháp chế tạo của chúng tôi là rung siêu âm (phương pháp 2). Cũng trong công trình khoa học đã được công bố (theo hình 24), thì hình ảnh của những mẫu được quan sát trong hình 24 sẽ cho kết quả mà theo họ sự sắp xếp tuần hoàn đạt được nhiều điều như mong muốn. Các kết quả mà công trình đạt được cho thấy tính chất đúng đắn và thời sự của nó. a) b) Hình 28. Ảnh SEM của các mẫu màng hạt cầu của một số công trình khoa học được công bố. So sánh kết quả trong công trình của các báo cáo với kết quả đạt được trong công trình nghiên cứu. Các hình 26 và 27 trình bày ảnh SEM của các mẫu màng tinh thể photonic với các kích thước khác nhau. Các kích thước hạt mà chúng tôi tạo ra được là 330 nm, còn trong các công trình của các tác giả khác nhau thì cũng có kích thước khác nhau. Như hình 28 (a) thì kích thước đạt được là 270 đến 300 nm [23], (b) kích thước khoảng trên 290 nm [24]. Hình ảnh quan sát được là khá tốt, có thể tin tưởng tới các hướng tuần hoàn trong tinh thể mà quá trình thí nghiệm chúng tôi đã tạo ra. Tuy nhiên kết quả của mỗi hạt cầu theo như đánh giá trong thí nghiệm với bước sóng khoảng 1530 nm là còn chưa đủ lớn. Một điều cần thiết là có thể tạo ra những hạt cầu có kích thước lớn hơn SV LÊ VĂN LUẬT 45 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 với phương pháp nuôi các hạt cầu trong môi trường của bản thân dung dịch chứa hạt cầu và lắng đọng chúng. Hình 29. Ảnh SEM của mặt cắt mẫu tinh thể, mẫu được tách bằng tay, làm cho cấu trúc không được trật tự nữa, nhưng ta vẫn còn quan sát thấy các hạt hình cầu ở trong cấu trúc. Hình 30. Ảnh SEM của mặt cắt của mẫu tinh thể SiO2 trên đế thuỷ tinh, ảnh được chụ theo vết nứt tự nhiên trên mẫu. Ảnh SEM cho ta thấy rõ được cấu trúc trật tự của vật liệu. Có thể so sánh sự sắp xếp các hạt cầu SiO2 trên hai đế khác nhau, với mẫu trên nền Si, ta có cấu trúc không bị nứt như trên đế thuỷ tinh. Tất nhiên là cấu trúc rạn nứt như đã thấy trên đế thuỷ tinh là không mong muốn. Điều quan trọng trong quá trình thí nghiệm là phải tạo ra bề mặt cấu trúc của tinh thể phải thật phẳng. Nghĩa là cấu trúc phải trật tự trên toàn bộ mẫu như một vùng nhỏ được chụp trên hình 26. Chúng tôi đã so sánh kết quả của mình với các kết từ những công trình khoa học quốc tế được công bố [17,23,24], thì thấy các kết quả thu được là rất khả quan, các mẫu tinh thể thu được có mức độ cấu trúc trật tự gần giống như của các tác giả trên. Khả năng tự tập hợp tạo thành cấu trúc trật tự của tinh thể photonic cũng đã được kiểm chứng bằng ánh sáng phản xạ trên bề mặt tinh thể. Ở mỗi một góc khác nhau chúng ta có thể thu được màu sắc phản xạ khác nhau. Các quan sát định tính thông thường dưới ánh sang trắng, đã cho phép chúng chúng tôi kết luận về tính trật tự của mẫu tinh thể. ảnh chụp các quan sát về sự phản xạ và nhiễu xạ ánh sáng mặt trời dưới một vài góc quan sát khác nhau, được trình bầy trong các hình từ 31- 34 : SV LÊ VĂN LUẬT 46 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 31. ảnh mẫu tinh thể quan sát được dưới ánh sáng mặt trời, dưới một góc nhất định nào đó (cỡ 35o) so với phương pháp tuyến của mặt phẳng mẫu. Khi đó màu ánh sáng phản xạ từ mẫu là màu đỏ. Hình 32. ảnh mẫu tinh thể được quan sát dưới góc nhìn so với phương pháp tuyến của mẫu là khoảng 120o, dưới ánh sang mặt trời. Màu ánh sáng phản xạ là xanh lá cây. Như vậy có thể thấy rằng, với cùng một cấu trúc tinh thể photonic, ánh sáng có thể được phản xạ và nhiễu xạ khác nhau, tuỳ theo góc của tới ánh sáng. Hoặc là, ngược lại, tương ứng với một hằng số mạng nhất định, tinh thể sẽ chỉ có thể phản xạ và nhiễu xạ với một bước sóng phù hợp với hằng số mạng của tinh thể. Đây là khả năng chọn lọc ánh sáng của tinh thể photonic. Rõ ràng là màu sắc phản xạ từ tinh thể đã cho thấy khả năng phản xạ và nhiễu xạ ánh sáng của cấu trúc tuần hoàn, liên quan tới bước sóng của ánh sáng tới. Hình 31 và 32 là ảnh của một mẫu màng khác, nhưng cũng cho một kết quả quan sát được tương tự. Như vậy, với mẫu tinh thể photonic có cấu trúc trật tự và tuần hoàn về chiết suất giữa SiO2 (n=1,45) và không khí (n=1), chúng tôi cũng thu được các ánh sáng phản xạ rất đơn sắc, ứng với mỗi góc khác nhau, từ ánh sáng trắng, như được minh hoạ ở hai hình ở dưới. Điều này cho thấy mẫu nghiên cứu và kết quả quan sát được là phù hợp. SV LÊ VĂN LUẬT 47 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 33. Định hướng ánh sáng của vật liệu theo các bước sóng khác nhau. Với màu đỏ trong điều kiện ánh sáng trắng. Hình 34. Định hướng ánh sáng của vật liệu ứng với màu xanh quan sát được bằng mắt trong điều kiện ánh sáng trắng. Sự định hướng ánh sáng là một đặc trưng của cấu trúc tuần hoàn với chu kỳ tuấn hoàn cũng ở vùng bước sóng. Điều này đã được chứng minh bằng lý thuyết của Bragg (chương 1). Sự định hướng cũng được đánh giá như là bước đầu trong quá trình chế tạo, tất nhiên chỉ đối với các tinh thể photonic có khả năng nhiễu xạ trong vùng nhìn thấy. Vì khi đó mới có thể quan sát được ánh sáng phản xạ trực tiếp. Bằng cách quan sát phổ phản xạ tại các bước sóng nào ta có thể đánh giá ước lượng được miền cấm quang của tinh thể chế tạo được bằng trực quan. Một số kết quả đã được chúng tôi khảo sát cũng có những kết quả tương tự, đó là khả năng phản xạ ánh sáng theo các góc khác nhau phù hợp với điều kiện Bragg. Hình 35. ảnh của các mẫu tinh thể ế ắ Hình 36. ảnh của ba mẫu tinh thể được SV LÊ VĂN LUẬT 48 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 photonic được chiếu với ánh sang trắng [25] chiếu ánh sáng trắng và sự phản xạ của chúng. Mầu phản xạ thay đổi theo đường kính của các hạt cầu tạo ra ba mẫu tinh thể khác nhau [26]. Hình 35 - 36 mô tả sự phản xạ của tín hiệu ánh sáng trắng ở các góc khác nhau, là ví dụ minh hoạ từ công bố trong công trình [26], còn các hình từ 31 đến 34 là hình ảnh phản xạ từ các tinh thể photonic làm từ các hạt cầu kích thước khoảng 330 nm, hiện tượng phản xạ xảy ra khi điều kiện Bragg thoã mãn, phù hợp với vùng ánh sáng khả kiến. Hình vẽ chỉ rõ khả năng phản ánh sáng trắng, và định hướng phản xạ theo bước sóng của vật liệu tinh thể photonic 3D. Các màng tinh thể 3D đều được tạo ra từ phương pháp tự tập hợp lắng, hay phương pháp thổi rung siêu âm. Hình ảnh đã cho trình bày sự phản xạ được quan sát từ màng mỏng. Các vi cấu trúc này tương ứng với một khả năng nhiễu xạ và phản xạ ánh sáng mạnh của màng mỏng tinh thể photonic. Để nghiên cứu được một cách định lượng, chúng tôi đã tiến hành ghi các phổ phản xạ từ mẫu tại các góc thu khác nhau. 3.3. Các đặc trưng qua phổ phản xạ Bằng phương pháp đo phổ phản xạ với hệ đo OMA tại Viện Khoa học Vật liệu, chúng tôi đã thu được một số kết qủa trên các mẫu tinh thể photonic. Nguyên lý hệ đo đã được trình bày ở chương 2. Phương pháp đo phổ phản xạ của chúng tôi tuy còn nhiều hạn chế nhưng đã phần nào phản ánh đúng tính chất phản xạ ánh sáng ở vùng bước song, so với sự quan sát được bằng mắt. Một số kết quả về phổ phản xạ được trình bầy trong hình 38. SV LÊ VĂN LUẬT 49 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 (a) (b) (c) (d) (e) (f) SV LÊ VĂN LUẬT 50 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 38. Phổ phản xạ của các mẫu màng tinh thể photonic SiO2 lắng đọng trên đế Si. Các mẫu (a, b) là các mẫu tinh thể photonic với các hạt cầu SiO2 được sắp xếp trật tự. (c) mẫu tinh thể photonic đã được nung ở nhiệt độ 750o(1h). Các mẫu (d, e, f) là các mẫu photonic có pha tạp Erbium. (f) là mẫu màng được nung ở 750oC(1h). Các hình 38 trình bày phổ phản xạ tín hiệu ánh sáng trong vùng nhìn thấy theo một góc thu duy nhất. Trong những giới thiệu trước đây chúng tôi đã trình bày phương pháp chế tạo mẫu màng tinh thể photonic SiO2 trên đế Si bằng phương pháp lắng đọng và rung. Ở đây chúng tôi trình bày về phổ phản xạ của các mẫu màng mỏng được chế tạo từ phương pháp trên. Các vùng phổ được xác định rõ trên từng phổ khác nhau (vùng màu xám). Với những mẫu có độ dày mỏng khác nhau và các mẫu mà chúng tôi tạo ra được đều có độ dày nhiều lớp, với ảnh minh hoạ cụ thể như trên hình 29, 30. Hình ảnh quan sát được và phổ phản xạ của mẫu màng tinh thể đều cho những kết qủa phù hợp và tương tự nhau. Theo như tài liệu chúng tôi nghiên cứu được thì hằng số mạng tinh thể photonic có quan hệ khá đúng với bước sóng mà nó có thể nhiễu xạ và phản xạ [27]. Mối quan hệ giữa λmax, φ, và không gian (d111) giữa các mặt phẳng (111) được cho bởi phương trình Bragg: 2/122 111max )sin(2 φλ −= and [ 27 ] Với na là chiết suất của tinh thể tự tập hợp, ở đây trong nghiên cứu của chúng tôi, SiO2 có chiết suất na = 1,45. Với a là hằng số mạng, là khoảng cách gần nhất giữa hai hạt trong màng, khi đó ta có một cấu trúc liên quan tới d111 của a là d111 = (2/3)1/2a khi đó phương trình trên trở thành: 2/1222/1 max )sin()3/2(2 φλ −= aa n Khi đó có thể xét ví dụ về vật liệu mà chúng tôi tạo ra. Bằng cách áp dụng công thức. Ở đây, với a = 330nm, na = 1,45 và φ = 560. Chúng tôi thu được kết quả về mẫu vật liệu mà chúng tôi tạo ra theo tính toán như là λmax = 641 nm. Các phổ mà chúng tôi thu được từ phương pháp đo trên, muốn có độ chính xác cao phải có một bộ vi chỉnh, hiện nay chúng tôi tiến hành trên những cách đo đạc mà phải chỉnh thủ công, việc xác định chính xác các góc là khó khăn. Nhưng hãy chú ý đến kết quả so sánh SV LÊ VĂN LUẬT 51 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 giữa lý thuyết [27] và thực nghiệm. Các kết quả là phù hợp tốt với các kết qủa nghiên cứu của nhiều nhà khoa học, mà đặc biệt là phù hợp khá tốt với thực nghiệm. Trong các hình 39 (a, b, c), hình c mẫu màng trước khi đo đã được nung lên nhiệt độ cao. Với một nhiệt độ nung lên thì kích thước của các hạt có xu hướng giảm đi, điều này đã được kiểm chứng. Và kết quả chúng tôi thu được đối với cả quan sát và phổ cùa nó là như nhau. Hình c là kết quả từ một mẫu màng có chất lượng tốt nhất. Với các mẫu màng thu được phổ phản xạ, thì một điều đáng lưu ý là ngay cả quá trình nhiệt cũng góp phần quan trọng trong quá trình tự tập hợp của các hạt cầu SiO2. Vì khi được nung nóng các chuyển động nhiệt làm cho các hạt có xu hướng chuyển động về phía các khe hẹp, và kích thước của các hạt giảm đi 15 - 25% là điều kiện quan trọng trong việc thu được phổ của chúng, vì khoảng cách là một. So sánh kết quả thu được và kết quả nghiên cứu, từ phổ truyền qua và phản xạ trên hình 38. Tuy kết quả về phổ không cùng dạng nhưng phần nào cho thấy khả năng truyền ánh sáng của vật liệu vì theo như điều kiện Bragg, sự cấm truyền ở đây là dựa trên cơ sở phản xạ lại ánh sáng. Vật liệu như chúng ta đã nói là những vật liệu có khả năng hấp thụ càng ít càng tốt. Và cấu trúc kim cương có khả năng phản xạ là tốt nhất. Việc tiến hành đo và nghiên cứu phổ phản xạ là điều hết sức khó khăn trong điều kiện hiện nay. Vì để nghiên cứu chính xác nhất đòi hỏi phải có một dãy các góc phản xạ khác nhau theo tiêu chuẩn Bragg. Vì như thế mới có thể kiểm tra hết tín hiệu theo các góc khác nhau. Các phổ hình 39 đã được chúng tôi thực hiên đo ở một góc duy nhất 680. Và tất nhiên là chưa có kết quả chính xác nhất. Việc điều chỉnh đơn giản bằng tay sẽ không thể cho hình ảnh tốt. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi bước đầu đã cho kết quả về một loại vật liệu photonic mới, có đặc tính như vật liệu bán dẫn trong điện tử, có khả năng tạo ra một vùng cấm quang từ những phương pháp đơn giản và chi phí thấp. Một vùng cấm quang đã được tạo ra đối với mẫu màng tinh thể photonic. Kết quả này chưa phải là kết quả thực sự như mong muốn cuối cùng, chúng tôi phải tạo ra tinh thể có kích thước và chiết suất phù hợp để có một vùng cấm quang bước sóng 1530 nm. Và mục đích phải là một mạng opal đảo được lấp đầy các lỗ trống bằng lớp vật liệu Si. Phát xạ tự nhiên từ huỳnh quang của tinh thể photonic pha tạp với erbium đã được nghiên cứu. Các ion erbium thì được cấy vào lớp ngoài của các hình cầu tạo nên tinh thể, như vậy là chúng nằm ở bên trong cấu trúc tinh thể. Phát xạ từ erbium rất có SV LÊ VĂN LUẬT 52 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 thể đã bị hạn chế đi một cách mạnh mẽ, do vậy, chúng tôi đã hầu như không quan sát được phát xạ từ erbium. SV LÊ VĂN LUẬT 53 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Kết luận Quá trình nghiên cứu phương pháp chế tạo và các đặc tính quang học của các tinh thể photonic với cấu trúc tuần hoàn các hằng số điện môi. Chúng tôi đã thu được một số kết quả khoa học như sau. 1. Đã xây dựng được hai phương pháp tạo ra các mẫu tinh thể photonic theo phương pháp tự tập hợp từ các hạt hình cầu SiO2 với một vài loại kích thước khác nhau, ở dạng màng trên đế Si và thuỷ tinh. Các nghiên cứu quan sát trực tiếp về các đặc tính của chúng đã được thực hiện qua việc chụp ảnh TEM và SEM. Chúng tôi đã chế tạo được các loại hạt từ 100 nm, 200 nm và > 300 nm, tuỳ theo điều kiện nuôi các tinh thể SiO2. Đã có thể chế tạo được các hạt hình cầu với kích thước khoảng 350nm, cần thiết cho việc chế tạo các tinh thể photonic trên cơ sở opal đảo, với Si, dùng được cho bước sóng gần 1.5 µm. 2. Đã thực hiện một số nghiên cứu về quang học để đánh giá sơ bộ và xác định được vùng cấm quang học, dựa trên nghiên cứu phổ phản xạ của các mẫu màng tinh thể photonic. Cụ thể là các mẫu tinh thể photonic trên cơ sở hạt cầu SiO2 kích thước từ 300 nm đến 400 nm, tập hợp trên đế Si thể hiện một vùng cấm các bước sóng ~ 650 nm. Với các mẫu làm từ các hạt SiO2 với cùng kích thước, nhưng sau đó qua nung nhiệt, thì phổ phản xạ bị dịch về phía bước sóng ngắn hơn, với cùng một góc thu tín hiệu. Theo xu hướng nghiên cứu về việc nuôi tinh thể để làm tăng kích thước của các hạt cầu SiO2 (có thể tới ~800 nm), chúng tôi có thể tạo ra những mẫu tinh thể photonic trên cơ sở SiO2 và không khí, với một vùng cấm quang tại ~ 1,5µm. Các vấn đề nghiên cứu này cần phải có thời gian. Vì thời gian làm luận văn rất hạn chế, nên chúng tôi chưa thực hiện được việc này. Các nghiên cứu trong bản luận văn này là mới và lần đầu tiên được thực hiện ở Việt nam. Đây cũng là nghiên cứu đầu tiên về tinh thể photonic, là vật liệu liên quan đến các chuyển mạch toàn quang, sẽ được sử dụng trong công nghệ máy tính và viễn thông. Vào thời điểm khoá luận được trình bày, các nghiên cứu vẫn đang được tiếp tục SV LÊ VĂN LUẬT 54 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 thực hiện trong phòng thí nghiệm của phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi - Viện Khoa học Vật liệu. Các nghiên cứu chế tạo các tinh thể photonic trên cơ sở công nghệ khắc bằng chùm điện tử trên các phiến Si và các chất bán dẫn khác, đang được các phòng thí nghiệm, ví dụ Viện điện tử cơ bản ở Pháp (Đại học Paris Sud (XI), Pháp), đang tiến hành rất mạnh mẽ. SV LÊ VĂN LUẬT 55 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 TÓM TẮT Các nghiên cứu về tinh thể photonic nhằm mục đích ứng dụng cho viễn thông đã được trình bầy trong nội dung của bản luận văn này. Một số kiến thức cơ bản về vật lý và vật liệu tinh thể có cấu trúc tuần hoàn theo hằng số điện môi đã được trình bầy trong chương 1. Các đặc trưng về vùng cấm quang của tinh thể photonic cũng đã được nêu ra. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp tự tập hợp để chế tạo nên các mẫu tinh thể photonic từ các hạt cầu SiO2. Một số phương pháp tạo ra mẫu màng tinh thể photonic và các kỹ thuật thực nghiệm liên quan trong quá trình nghiên cứu cũng đã được trình bầy. Một số kết quả bước đầu nhận được về sự nhiễu xạ và phản xạ theo các góc nhất định và theo kích thước hạt (hay là theo chu kỳ mạng tinh thể) cũng đã được trình bầy trong bản luận văn này. Do đặc trưng cấu trúc tuần hoàn của tinh thể liên quan tới khả năng định hướng ánh sáng trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nên chúng tôi đã quan sát được một cách rõ ràng các ánh sáng phản xạ theo các góc. Phổ phản xạ là một đặc trưng quan trọng để nghiên cứu tinh thể photonic, cũng sẽ được trình bầy, cùng với vùng cấm quang đối với các mẫu mà chúng tôi đã chế tạo được. Khả năng tạo ra một tinh thể có cấu trúc tuần hoàn với vùng cấm quang hoàn toàn và rộng ở bước sóng 1,5 µm là có thể được và tạo ra các ứng dụng trong viễn thông. SV LÊ VĂN LUẬT 56 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Tài liệu tham khảo [1] Albert Polman, P. Wiltzius, MRS Bulletin, August 2001, 608-613. [2] E.Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58 (1987) p. 2059; E. Yablonovitch and T.J. Gmitter, Phys. Rev. Lett. 63 (1989) p. 1950. [3] S. John, Phys. Rev. Lett. 58 (1987) p. 2486. [4]S. Rowson, These de Doecteur en Science de l’Universite Paris XI Orsay, Materiaux a bandes photoniques interdites pour l’optique et les THz. Realisation a base de silicium, etude et caracterisation, 27/1/2000. [5] K.S. Yee, IEEE Trans.Antennas and Propagation, 14 (1966), pp.302 [6] a. Taflove, Computation Electrodynamics: The Finit-Difference Time-Domaine Method, (Norwood: Arthech House), 1995. [7] T.F. Krauss, R.M. De La Rue, Progres in Quantum Electronics 23 (1999)51-96. [8] J.M. Lourtioz et P.Gogol, Tinh thể photonic và cấu trúc nano kim loại, Lớp học chuyên đề Pháp Việt về «Các nguyên lý cơ bản của Quang điện tử học và Viễn thông Quang học », Đồ sơn, Tháng 11/2004. [9] J.B. Pendry, Photonic Gap Materials, Current Science 76, 1311-6 (1999) [10] V.N. Bogomolov, S.V. Gaponenko, I.N. Germanenko, A.M. Kapitonov, E.P. Petrov, N.V. Gaponenko, A.V. Prokoviev, A.M. Ponyavina, N.I. Silvanovich, S.M. Samoilovich, Physical Review E 55 (1997) 7619-7625. [11] W. Stober, A. Fink, E. Bohn, Journal of Colloid and Interface Science 26 (1968) 62. [12] M.J.Andried de Dood, Ph.D. Thesis Utrecht University, 4-2002. [13] J.D. Joannopoulos, Nature, Vol. 414, 15-11-2001, 257-258. [14] Nanophotonics, Paras N. Prasad, xuất bản năm 2004, trang 253. [15] Y. Vlasov et al, Nature, Vol. 414, 15-11-2001, 289-293. [16] A. Blanco et al, Nature, Vol. 405, 25May 2000, 437-440. SV LÊ VĂN LUẬT 57 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 [17] Arnot Imhof, Deybe Institute, Utrecht University, Postbus, 3508 TA Utrecht, The Netherlands. [18] S. Noda, et al., Science 289 (2000) 604. [19] UPC Review 23-24 July 2003 [20] MRS BULLETIN/AUGUST 2001 [21] Silicon photonic crystals and spontaneous emission, p6. [22] J.Phys. [Condensed Matter] 8 1094 - 1097. [23] Peigen Ni, Peng Dong, Bingying Cheng, Xinyan Li, and Daozhong Zhang Adv. Mater. 2001, 13, No. 6, March 16 [24] Kurt Wostyn, Yuxia Zhao, Gaetan de Schaetzen, Louis Hellemans, Naoki Matsuda, Koen Clays, and Andre´ Persoons Langmuir 2003, 19, 4465-4468 [25] Peng Jiang, Gordana N. Ostojic, Roxana Narat, Daniel M. Mittleman, and Vicki.Colvin Adv. Mater. 2001, 13, No. 6, March 16, 389-393 [26] Vicki L. Colvin MRS BULLETIN/AUGUST 2001 [27] Sang Hyun Park and Younan Xia Langmuir 1999, 15, 266-273 [28] Alexander C. Edrington, Augustine M. Urbas, Peter DeRege, Cinti X. Chen, Tim- othy M. Swager, Nikos Hadjichristidis, Maria Xenidou, Lewis J. Fetters, John D. Joan- nopoulos, Yoel Fink, and Edwin L. Thomas Adv. Mater. 2001, 13, No. 6, March 16. SV LÊ VĂN LUẬT 58