uffile-upload-no-title30772

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CẢM BIẾN QUANG DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ SILIC XỐP DÙNG CHO PHÁT HIỆN CHẤT HỮU CƠ ANALYSIS AND EXPERIMENT OPTICAL SENSOR BASED ON NANO POROUS SILICON FOR DETECTION OF ORGANIC CHEMICALS Nguyễn Duy Trường1, Đinh Hoàng Tùng Lâm1, Trần Văn Trung1, Hoàng Tuấn Tú1, Phạm Thị Thanh Huyền2,* TĨM TẮT Cơng nghệ silic phát triển từ cuối kỷ 20 ngày đạt tới mức độ hoàn thiện cao Những tiến gần công nghệ silic ứng dụng rộng rãi sống, việc sử dụng màng silic xốp chế tạo cảm biến quang học để phân biệt hợp chất hữu Trong báo này, chúng tơi nghiên cứu tính chất chế tạo cảm biến quang dựa màng silic xốp để phân biệt số chất hữu như: Aceton, Methanol, Etanol, Iso- propanol,… Màng silic xốp sử dụng dạng màng đơn lớp có ưu điểm đơn giản việc nghiên cứu, chế tạo Hơn màng đơn lớp có độ ổn định cao dễ phân bố phân tử so với màng silic đa lớp Khi chất hữu xâm nhập vào lỗ xốp, làm cho chiết xuất hiệu dụng màng silic thay đổi Từ phép đo phổ phản xạ kết hợp với xử lý theo phân giải Fourier phần mềm Matlab phân biệt chất hữu dung dịch đo Từ khóa: Cảm biến quang; silic xốp; màng mỏng nano mét ABSTRACT Silicon technology was developed in the late 20th century and today has reached a high level of perfection Recent advances in silicon technology have been widely used in many applications, such as using porous silicon thin film fabricating optical sensors to distinguish organic compounds In this paper, we study the properties and fabricate the optical sensors based on porous silicon thin film to distinguish organic substances such as Aceton, Methanol, Ethanol, Iso-propanol, The optical sensor is constructed from a single-layer thin film The single-layer structure has a high degree of stability and the particles are easier to distribute inside the structure than multilayer films When organic matter enters the pores, it makes the effective extraction of silicon films change The reflection spectrometry will be analyzed with Fourier resolution treatment by Matlab software Therefore we can distinguish organic substances in the measuring solution Keyword: Optical sensor; porous silicon; nano-thin film Lớp ĐT1 - K11, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: huyenhl04@gmail.com CHỮ VIẾT TẮT PS Porous Silicon 92 Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 10.2020 SEM Scanning Electron Microscope FESEM Field Emission Scanning Electron Microscopy DBR Distributed Bragg Reflectors Fabry-Pérot Giao thoa kế Fabry-Pérot FFT Fourier nH Chiết suất lớp cao nL Chiết suất lớp thấp dH Độ dày lớp cao dL Độ dày lớp thấp GIỚI THIỆU Những năm gần đây, cộng đồng khoa học công nghiệp ngày ý tới phép đo cảm biến khúc xạ với loạt ứng dụng, từ dược phẩm, y học hóa chất đến hương vị, đồ uống thực phẩm [1] Một ví dụ đồ uống có cồn, bia rượu sản xuất tiêu thụ với số lượng lớn hàng năm Hàm lượng cồn số quan trọng để kiểm sốt q trình chế biến chất lượng đồ uống có cồn [2] Kỹ thuật cảm biến quang tử gần thu hút ý ngày tăng việc thực hóa khúc xạ kế (máy đo nồng độ) siêu nhạy siêu bền Nhờ vào cảm biến quang tử, ta phân biệt hóa chất nồng độ chúng với độ nhạy cao chi phí thấp Vật liệu Silic xốp (Porous Silicon - PS) với kích thước lỗ xốp thang đo nano-mét có giá thành chế tạo thấp, hoạt động bền bỉ, bền nhiều môi trường sử dụng phổ biến kỹ thuật cảm biến quang tử Với tính chất quang học đặc biệt, PS đề xuất ứng dụng cho cảm biến khí, chất lỏng nhạy cảm với có mặt chất bên lỗ xốp Chỉ số khúc xạ lớp PS tăng lỗ xốp lấp đầy chất hữu cơ, làm quang phổ phản xạ lớp PS dịch chuyển bước sóng dài Bằng cách theo dõi độ SCIENCE - TECHNOLOGY phản xạ phổ truyền, người ta phát khác biệt nồng độ phân tử bên lỗ xốp [3-6] Từ rút khác biệt quang phổ riêng chất hóa học quang phổ chúng có thay đổi nồng độ Cảm biến quang tử dựa PS đơn lớp phương pháp đơn giản, hiệu quả, nhanh tiết kiệm chi phí để đo nồng độ hóa chất Các nghiên cứu trước đo nồng độ chất hóa học thực phẩm, chất sử dụng công nghiệp hay y học để có độ xác cần phải trình nghiêm ngặt tốn thời gian độ nhạy chưa cao Tuy nhiên, phép đo để đưa kết đo tốn chi phí lớn cần nhiều thời gian Từ người ta nghiên cưu phát triển sử dụng cảm biến PS đa lớp dựa độ phản xạ Hình dạng vị trí cực đại đỉnh giao thoa phổ ánh sáng dùng để phân tích chất cần đo đưa kết nhanh so với cách đo truyền thống Nhưng có vài vấn đề lớp xốp có cấu trúc phức tạp dễ bị sai hỏng Với PS đơn lớp chế tạo đơn giản nhanh so với đa lớp, có khả hập thụ hay phân giải bề mặt cao nên thích hợp để đo chất khó phân tán vào trung tâm lỗ xốp trường hợp cấu trúc đa lớp Trong báo này, nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang dựa màng PS đơn lớp để tiến hành phân biệt số chất hữu phổ biến như: Acetol, Metanol, Etanol, Iso- propanol, Việc sử dụng màng silic xốp đơn lớp giúp cho việc nghiên cứu, chế tạo đơn giản Hơn hết màng đơn lớp có độ ổn định cao dễ phân bố phân tử so với màng đa lớp Chúng chế tạo sử dụng cảm biến quang tử để phân biệt số hợp chất hữu dạng lỏng với thời gian đáp ứng phổ cảm biến gần cho mẫu PS dung dịch chất lỏng hữu Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt SEM), loại kính hiển vi điện tử tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật cách sử dụng chùm điện tử (chùm electron) hẹp quét bề mặt mẫu Các nghiên cứu bề mặt màng silic xốp tiến hành kính hiển vi điện tử quét đặt Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam hình Máy Hitachi S-4800 kính hiển vi điện tử quét sử dụng súng điện tử kiểu phát xạ cathode trường lạnh FESEM hệ thấu kính điện từ tiên tiến nên có độ phân giải cao, thường dùng để đo đặc trưng vật liệu cấu trúc nano 2.2 Tính chất thể quang tử Tính chất quan trọng tinh thể quang tử vùng cấm quang, vùng cấm quang vùng tần số ánh sáng lan truyền qua cấu trúc tinh thể quang tử Dựa vào vùng cấm quang ta xác định dải tần số mà tinh thể cho truyền qua dải tần mà tinh thể phản xạ lại Các vùng cấm quang sử dụng dẫn truyền ánh sáng với hốc cộng hưởng tạo ứng dụng độc đáo cấu trúc tinh thể quang tử Hình trình bày gương phản xạ Bragg với cấu trúc nhiều lớp hình thành lặp lặp lại tuần hồn cặp lớp có chiết suất khác nH (chiết suất lớp cao) nL (chiết suất lớp thấp) tương ứng độ dày dH dL Phổ phản xạ có dạng cực đại phản xạ trung tâm (cực đại chính) cực đại phụ hai bên, xen cực đại cực tiểu Vùng cực đại có bước sóng trung tâm λ Các bước sóng quanh bước sóng trung tâm λ nằm cực đại bước sóng tương ứng với cường độ phản xạ cao có nghĩa ánh sáng có bước sóng nằm dải bị phản xạ qua gương phản xạ, tức bị cấm truyền qua cấu trúc, vùng cịn gọi vùng cấm CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu kính hiển vi điện tử qt (SEM) Hình Cấu trúc tinh thể quang tử chiều với lớp sai hỏng Hình Kính hiển vi điện tử qt Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Khi sai hỏng tạo thành cấu trúc tinh thể quang tử làm thay đổi cấu trúc này, vùng cấm quang xuất dải bước sóng cho phép ánh sáng qua Sự xuất bước sóng truyền qua có nhiều tính chất đặc biệt: khả chọn lọc, giam giữ ánh sáng, khả dẫn truyền khuếch đại ánh sáng Do đó, tinh thể quang tử có sai hỏng ứng dụng nhiều thực tế Số 10.2020 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 93 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Cấu trúc sai hỏng tinh thể quang tử có cấu tạo lọc Fabry-Pérot bao gồm hai gương phản xạ Bragg giống hệt đặt đối xứng qua lớp đệm (lớp trung gian) Lớp đệm có chiết suất giống khác so với lớp sử dụng DBR Cả hai thành phần gương Bragg lớp trung gian ảnh hưởng mạnh tới đặc tính quang học cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D Lớp đệm cấu trúc có vai trị phá vỡ tính tuần hồn hàm điện mơi tinh thể quang tử, tương ứng với trạng thái cho phép vùng cấm quang Ánh sáng phản xạ trở lại thu nhánh khác sợi quang đa mode vào chia R200-7-UV-VIS Bộ chia quang kết nối với máy phân tích phổ quang học USB 4000 (Ocean Optics, USA) Bề mặt hoạt động cảm biến đường trịn đường kính khoảng 1cm Các hướng ánh sáng lựa chọn vng góc với cảm biến Nguyên lí chế dịch phổ thay đổi chiết suất lớp tuần hoàn lớp trung gian làm thay đổi chiết xuất hiệu dụng màng xốp dẫn đến dịch chuyển phổ phản xạ cảm biến 2.3 Phương pháp xác định độ dày màng phân giải Fourier Hình Sơ đồ khối hệ thống đo dịch chuyển bước sóng cảm biến quang phương pháp đo lỏng Trong báo này, giá trị chiết suất Silic lấy 3,5 khoảng bước sóng nghiên cứu vùng nhìn thấy Dải bước sóng nghiên cứu áp dụng cho phần ứng dụng cảm biến Silic xốp hỗn hợp Silic khơng khí, mà chiết suất silic xốp dự đoán thấp so với chiết suất silic khối Giá trị nằm khoảng từ đến 3,5 Việc xác định xác chiết suất trung bình silic khơng khí khơng phải đơn giản Bởi vì, trộn lẫn hợp chất hai pha quy mô chiều dài nhỏ nhiều so với bước sóng ánh sáng vùng nhìn thấy hồng ngoại, mơ hình hiệu dụng sử dụng để xác định chiết suất silic xốp Mối quan hệ chiết suất độ xốp xác định phương pháp khác Bruggeman, Maxwell-Garnett Looyenga [7, 8] Q trình đo bắt đầu sau sấy khơ cảm biến hút chân không để loại bỏ độ ẩm, tạp chất bám vào bề mặt cảm biến Một lượng dung dịch khoảng 10µl nhỏ lên bề mặt cảm biến Sau lam kính thủy tinh mỏng suốt phủ lên mẫu để tránh tán xạ ánh sáng phản xạ từ mẫu Mỗi kết thực nghiệm trung bình mười lần đo độc lập, sau đo xong, cảm biến rửa nước cất để loại bỏ hoàn toàn phân tử chất lỏng khỏi lỗ xốp sấy khô Ta quan sát thấy bước sóng cộng hưởng cảm biến lại quay nguyên vị trí ban đầu Lần đo sau lặp lại giống trình đo lần trước Phương pháp xấp xỉ Bruggeman mô tả công thức (1), công thức phù hợp với độ xốp vừa hạt có hình dạng khơng (1 − P) +P =0 (1) Trong đó: P độ xốp εSi số điện môi Silic εPSi số điện môi hiệu dụng Silic xốp (a) εvoid số điện môi môi trường bên lỗ Chiết suất bậc hai số điện môi KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Hệ thiết bị cảm biến quang tử nano xây dựng dựa cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm silic xốp Thiết bị xây dựng sở phương pháp đo lỏng (ứng dụng chất lỏng cần phân tích khơng bay hơi) để đo dung mơi chất hữu môi trường nước với nống độ thấp Cách thiết lập cho phương pháp đo lỏng đơn giản: ánh sáng trắng từ đèn Halogen vonfram với bước sóng nằm khoảng 400 < λ < 900nm vào nhánh kết hợp sợi quang đa mode với đường kính lõi 200µm Sau đó, ánh sáng chiếu lên bề mặt cảm biến 94 Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 10.2020 (b) Hình Tấm Silic nguyên mẫu trước chế tạo (a); mẫu cảm biến quang tử (b) SCIENCE - TECHNOLOGY Hình 4(a) ảnh Silic trước cắt chế tạo theo cơng nghệ điện hóa để sản xuất mẫu cảm biến Silic xốp Hình 4(b) ảnh mẫu cảm biến sau trải qua trình chế tạo xạ lớn phản xạ yếu đan xen với dải phổ đèn Halogen Điều thể tính chất quang cấu trúc tinh thể quang tử chiều đơn lớp Khi cảm biến nhúng vào chất lỏng cần đo, phổ phản xạ dịch chuyển từ dịch chuyển đo qua xử lý phổ phân giải Fourier ta xác định chiết xuất dung dịch cần đo (a) Hình Phổ phân giải FFT mẫu cảm biến dung dịch hữu (b) Hình Bề mặt mẫu cảm biến (a); Mặt cắt ngang mẫu cảm biến (b) Hình 5(a) ảnh bề mặt mẫu cảm biến chụp kính hiển vi điện tử qt Hình 5(b) ảnh mặt cắt ngang mẫu cảm biến Chúng tơi nhận thấy lớp silic xốp có lỗ xốp với độ rộng khoảng 20nm mẫu cảm biến có chiều độ dày khoảng 4µm Hình trình bày phổ phân giải FFT phổ phản xạ cảm biến nhúng vào dung dịch hữu khác Ethanol, Methanol, Iso-propanol Phổ phân giải thu cách xử lý phổ phản xạ phần mềm Matlab Các kết cho thấy mẫu cảm biến khơng đổi, phổ FFT nhúng vào dung dịch khác có đỉnh phổ khác khác với nguyên mẫu đo khơng khí Điều xảy thay đổi chiết suất hiệu dụng lớp Silic xốp nhúng vào chất lỏng Các phân tử dung dịch hữu thâm nhập vào màng Silic xốp làm thay đổi chiết suất hiệu dụng lớp Silic xốp từ thay đổi phổ phản xạ phổ phân giải FFT mẫu cảm biến Dựa vào sai khác phổ FFT ta dùng cảm biến để phân biệt hợp chất hữu khác cách thời gian ngắn có độ xác cao KẾT LUẬN Hình Phổ phản xạ mẫu cảm biến đo mơi trường khơng khí Hình phổ phản xạ mẫu cảm biến đo với mơi trường khơng khí Phổ phản xạ cho thấy vùng phản Chúng chế tạo thành công cảm biến quang tử dựa công nghệ Silic xốp phương pháp ăn mịn điện hóa Chúng tơi xây dựng đặc tính cảm biến tính tốn mơ thực nghiệm dung dịch có chiết suất biết Chúng sử dụng cảm biến để xác định dung dịch khác Methanol, Ethanol, iso-propanol phương pháp xác định độ dịch phổ phân giải FFT Dựa liệu thực nghiệm, cảm biến xây dựng ứng dụng ngành cơng nghệ thực phẩm xác định nồng độ cồn bia, rượu loại đồ uống có cồn khác Số 10.2020 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 95 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Stefano Mariani, Lucanos Marsilio Strambini, Giuseppe Barillaro, 2018 Electrical Double Layer-Induced Ion Surface Accumulation for Ultrasensitive Refractive Index Sensing with Nanostructured Porous Silicon Interferometers ACS Sensors, 595-605 [2] Wei Li, Xuerui Zhu, Xin Wang, Jie Liu, Baowen Liang, Tiesong Zheng, Jianlin Li, 2018 A rapid, sensitive and real-time monitoring of alcohol content in spirit sample based on stable TiO2-coated porous silicon interferometer Sensors and Actuators B: Chemical, 359-365 [3] Nickolai I Klyui, Ivan I Ivanov, Oleksandr S Kyslovets, Lyubov V Avksentyeva, Valeriy A Skryshevsky, 2016 Features of the use of optical reflection from thin porous silicon for detection of organic liquids Sensors and Actuators B: Chemical, 1-9 [4] Sara D Alvarez, Chang-Peng Li, Casey E Chiang, Ivan K Schuller, Michael J Sailor, 2009 A Label-Free Porous Alumina Interferometric Immunosensor ARTICLE, 3301-3307 [5] Van Hoi Pham, Huy Bui, Le Ha Hoang, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Son Pham, Quang Minh Ngo, 2013 Nano-porous Silicon Microcavity Sensors for Determination of Organic Fuel Mixtures Journal of the Optical Society of Korea 423-427 [6] Van Hoi Pham, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Van Dai Pham, Huy Bui, 2014 Nano porous silicon microcavity sensor for determination organic solvents and pesticide in water Advances in natural sciences:Nanosciences and nanotechnology, 1-9 [7] Nguyen Thuy Van, Bui Huy, Nguyen Thanh Hai, Nguyen The Anh, Do Thuy Chi, Pham Thanh Son, Pham Van Hoi, 2011 Determining thickness and refractive index of individual layers in porous silicon multilayer by reflection spectra The second academic conference on natural science for master and PhD students from Cambodia, Lao, Malaysia & VietNam, Vinh, Nghe An, VietNam, 1115 October 2011 Publishing House for Science and Technology, 146-151 [8] Philippe Brechignac, Kohzo Hakuta, In Won Lee, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai Hung, Valentin A Orlovich, 2012 Liquid sensors based on porous silicon microcavity Advances in optics photonics spectroscopy & applications, 754-759 96 Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 10.2020