Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên cơ sở màng đa lớp silic xốp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thúy Vân NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO BỘ LỌC QUANG (BĂNG RỘNG VÀ BĂNG HẸP) DỰA TRÊN CƠ SỞ MÀNG ĐA LỚP SILIC XỐP LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI – 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thúy Vân NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO BỘ LỌC QUANG (BĂNG RỘNG VÀ BĂNG HẸP) DỰA TRÊN CƠ SỞ MÀNG ĐA LỚP SILIC XỐP Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Huy HÀ NỘI – 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu……………………………………………………………………… CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ 1.1 Tinh thể quang tử 1.1.1 Khái niệm tinh thể quang tử 1.1.2 Các đặc tính thơng số quan trọng tinh thể quang tử 1.1.3 Các ứng dụng tinh thể quang tử 1.2 Tinh thể quang tử chiều dựa silic xốp 1.2.1 Tinh thể quang tử chiều thiết kế lọc giao thoa 1.2.2 Cơ sở cho trình hình thành lọc giao thoa sở màng silic xốp đa lớp…………………………………………………………………… 11 1.2.2.1 Sự hình thành silic xốp…………………………………………… 12 1.2.2.2 Kích thước hình thái học lỗ xốp……………………………… 14 1.2.2.3 Các thơng số anot hóa…………………………………………… 16 1.2.3 Đặc điểm silic xốp……………………………………………… 17 1.2.3.1 Độ xốp (P)………………………………………………………… 17 1.2.3.2 Chiết suất hiệu dụng……………………………………………… 18 1.2.3.3 Tốc độ ăn mòn…………………………………………………… 20 KẾT LUẬN CHƯƠNG I……………………………………………………… 22 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA BỘ LỌC QUANG 23 2.1 Cơ sở tốn học để phân tích mơ màng đa lớp………………… 23 2.1.1 Phương pháp ma trận truyền………………………………………… 24 2.1.2 Chương trình mơ phỏng……………………………………………… 25 2.2 Kết mô lọc quang học giao thoa dựa tinh thể quang tử LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chiều……………………………………………………………………… 29 2.2.1 Kết mô lọc quang học giao thoa chiều băng rộng dựa tinh thể quang tử chiều….………………………………… 29 2.2.2 Kết mô lọc quang học giao thoa chiều băng hẹp dựa tinh thể quang tử chiều….………………………………… 36 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2…………………………………………………………… 41 CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG…………… 43 3.1 Nguyên lý, qui trình chế tạo màng đa lớp phương pháp ăn mịn điện hóa…………………………………………………………………………… 43 3.1.1 Nguyên lý chế tạo………………………………………………… 43 3.1.2 Chế tạo lọc quang học dựa màng đa lớp silic xốp…………… 44 3.2 Thiết kế chế tạo lọc quang học giao thoa dựa tinh thể quang tử chiều……………………………………………………………………… 47 3.2.1 Thiết kế lọc quang học giao thoa băng rộng……………………… 47 3.2.2 Thiết kế lọc quang học giao thoa băng hẹp……………………… 48 3.3 Các kết chế tạo lọc quang học giao thoa dựa quang tử chiều…………………………………………………………………………… 51 3.3.1 Các kết chế tạo lọc quang học giao thoa băng rộng dựa tinh thể quang tử chiều…………………………………………………… 51 3.3.2 Các kết chế tạo lọc quang học giao thoa băng hẹp dựa tinh thể quang tử chiều……………………………………………………… 61 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68 Kết luận luận văn 69 Danh mục cơng trình cơng bố tác giả…………………………………… 71 Tài liệu tham khảo 72 Phụ lục………………………………………………………………………… 74 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Danh sách từ viết tắt 1D,2D,3D direction, directions, directions DBRs Distributed Bragg Reflectors Fcc Face centered cubic FDTD Finite Difference Time Domain FWHM Full Width at Half Maximum FE-SEM Field - Scanning Electron Microscopy HF acid Hydrogen Flouride acid IC Integrated Circuit PBG Photonic Bandgap PCs Photonic Crystals PWM Plane Wave Method LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Tinh thể quang tử loại vật liệu có nhiều nét tương đồng tinh thể bán dẫn - vật liệu làm nên cách mạng phát triển công nghiệp vi điện tử (IC) Chính nhờ phát triển ngành cơng nghiệp chế tạo máy tính cá nhân gọn, nhẹ với tốc độ cao, hệ thống thông tin viễn thông siêu tốc băng thông rộng Tinh thể quang tử cấu trúc không gian tuần hồn vật liệu có số điện mơi khác Sự biến đổi tuần hồn số điện môi làm xuất vùng cấm quang (photonic bandgap - PBG) cấu trúc vùng (được hiểu mối liên hệ tần số số sóng) tinh thể quang tử PBG tinh thể quang tử có vai trị giống vùng cấm lượng tinh thể điện tử Chúng ta sử dụng tinh thể quang tử để điều khiển, giam giữ kiểm sốt ánh sáng khơng gian ba chiều Tinh thể quang tử cấm hồn tồn sóng điện từ có bước sóng PBG lan truyền qua mà khơng phụ thuộc vào phân cực ánh sáng Tinh thể quang tử tạo dẫn sóng bị mát lượng để hướng dòng ánh sáng truyền theo hướng cụ thể (thậm chí với chỗ rẽ cong đến 900)… Trên thực tế, tinh thể quang tử xem linh kiện then chốt cho mạch tích hợp quang thơng tin quang hệ thống máy tính lượng tử tương lai Với khả kiểm soát lan truyền xạ tự phát ánh sáng, tinh thể quang tử có ảnh hưởng to lớn đến phát triển công nghệ chế tạo lọc quang, chuyển mạch quang tốc độ cao, hốc quang, điốt quang, laser ngưỡng thấp, ống dẫn sóng với nhánh rẽ ánh sáng đột ngột ứng dụng thơng tin quang sensor hóa, sinh học… Trong loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử chiều loại tinh thể đơn giản Tuy nhiên tinh thể chiều lại có ưu điểm riêng dễ dàng chế tạo hơn, sử dụng để nghiên cứu số khía cạnh tinh thể quang tử nhiều chiều dẫn đến ứng dụng linh kiện mà chúng khơng u cầu phải cấm hồn tồn (về hướng) lan truyền qua hay xạ ánh sáng Tinh thể quang tử chiều với chiết suất đồng lớp biết đến tên gọi phản xạ Bragg phân bố hay thông dụng lọc quang học giao thoa Loại lọc linh kiện quang học thông dụng, trước thường chế tạo phương pháp phún xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hay bay nhiệt cách oxít để tạo màng mỏng đa lớp có chiết suất thay đổi tuần hồn Ngày nay, dựa cơng nghệ điện hóa phiến silic chế tạo màng silic xốp đa lớp có tính lọc quang học giao thoa Các lọc quang băng rộng hoạt động dựa nguyên lý phản xạ Bragg chế tạo từ màng silic xốp đa lớp đạt độ rộng phổ từ vài chục đến vài trăm nano mét Trên sở lọc quang băng rộng này, chế tạo lọc băng hẹp có độ rộng phổ vài nano mét với độ suy hao thấp dạng buồng vi cộng hưởng Ưu điểm lọc chế tạo phương pháp tích hợp thuận lợi với cơng nghệ vi điện tử để tạo mạch tích hợp quang với vùng phổ hoạt động trải rộng từ nhìn thấy, qua hồng ngoại đến tận vùng siêu vi ba Với lý đồng thời dựa vào trang thiết bị có phịng thí nghiệm chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Nghiên cứu chế tạo lọc quang (băng rộng băng hẹp) sở màng đa lớp silic xốp.” Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn gồm có ba chương với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan tinh thể quang tử chiều Chương 2: Mơ đặc tính quang học lọc quang Chương 3: Kết thực nghiệm thảo luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU Việc tìm chất bán dẫn (tinh thể điện tử) mở thời kỳ cho phát triển công nghiệp vi điện tử Điều dẫn đến việc giảm giá thành, tăng tốc độ hoạt động linh kiện thiết bị điện tử Tuy nhiên, ngày khó khăn để trì tốc độ tăng trưởng tác động bất lợi điện trở, điện dung điện cảm kí sinh mà dây dẫn kim loại vi mạch gây kích thước vi mạch giảm xuống tới cỡ nanomet Để tiếp tục nâng cao tốc độ hoạt động tính linh kiện thiết bị, đời cơng nghệ để bổ xung, thay cho công nghệ điện tử điều cần đặt Việc bổ xung chức quang học vào chức điện có vi mạch với việc thay phần tử mang thông tin có ích từ điện tử sang quang tử nhằm tạo thiết bị hoạt động với tính mới, ưu việt tiền đề cho đời công nghệ - công nghệ quang tử Cơ sở công nghệ loại tinh thể - tinh thể quang tử Trong chương này, trước hết chúng tơi trình bày cách khái lược tinh thể quang tử, ứng dụng chủ yếu số nội dung mà cho thiết yếu tinh thể quang tử Tiếp theo, chúng tơi trình bày cách chi tiết đặc trưng tinh thể quang tử chiều loại tinh thể chọn làm đối tượng nghiên cứu Luận văn Phần cuối trình bày công nghệ chế tạo màng silic xốp đa lớp sở cho việc chế tạo lọc quang học giao thoa băng rộng băng hẹp có cấu trúc tinh thể quang tử chiều 1.1 Tinh thể quang tử 1.1.1 Khái niệm tinh thể quang tử: Tinh thể quang tử cấu trúc tuần hoàn không gian vật liệu với số điện môi khác xếp xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com theo chu kỳ thang chiều dài so sánh với bước sóng ánh sáng nghiên cứu Sở dĩ gọi “ tinh thể ” tạo nên xếp tuần hoàn đơn thể đối tượng “ tinh thể ” quang tử Như biết, đặc tính vật lý vật chất mà có tác động lên chuyển động quang tử chiết suất, tính tuần hồn đơn tử mà vừa nói tuần hồn chiết suất Tính tuần hồn chiết suất làm cho tinh thể quang tử giam giữ ánh sáng hạn chế cách hoàn toàn xạ tự nhiên nguồn ánh sáng nằm tinh thể dải tần số hay dải bước sóng định mà ta thường gọi vùng cấm quang (PBG) Ví dụ, ngăn khơng cho ánh sáng truyền qua; định xứ photon (với tần số định) vùng đặc trưng; điều khiển trình xạ cưỡng bức; định hướng dịng ánh sáng theo hướng cụ thể, chí thay đổi đột ngột hướng truyền ánh sáng mà gây tổn thất lượng 1.1.2 Các đặc tính thông số quan trọng tinh thể quang tử Tinh thể quang tử đăc trưng số thông số sau: Số chiều: Một chiều (1D), hai chiều (2D) ba chiều (3D) tùy thuộc vào tuần hoàn chiết suất theo chiều khơng gian (hình 1.1) Hình 1.1 Giản đồ minh họa cấu trúc tinh thể tinh thể quang tử 1D, 2D, 3D Các tinh thể có cấu trúc tuần hồn số điện mơi (chiết suất) cấu tạo từ vật liệu khác theo chiều không gian Sự đối xứng: tinh thể quang tử nói chung có tính đối xứng Cách xếp đơn thể cấu trúc tinh thể quang tử xác định tính đối xứng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mạng tinh thể Hình 1.2 minh họa vài đối xứng ba chiều thấy mạng Bravais cấu trúc tinh thể quang tử Hình 1.2 Minh họa cách xếp đơn tinh thể tạo nên cấu trúc tinh thể quang tử với đối xứng khác a) lập phương đơn, b) lục giác đơn, c) lập phương tâm thể, d) lập phương tâm mặt, e) lục giác xếp chặt, f) mạng kim cương Hình 1.3 Một mạng fcc với đối xứng cho thấy cấu trúc liên kết khác a) b) hạt cầu điện khơng khí, c) d) hạt cầu khơng khí điện mơi Hằng số mạng (a): chu kỳ không gian đơn thể cấu tạo nên tinh thể quang tử tương tự số mạng tinh thể thông thường cấu tạo nên dãy đặn nguyên tử Trong trường hợp mạng lập phương số thường lấy cạnh hình lập phương Hệ số lấp đầy (f): tỷ lệ thể tích đơn thể tạo nên tinh thể quang tử thể tích tinh thể quang tử Chiết suất hiệu dụng (neff): bậc hai số điện môi hiệu dụng (εeff) Hằng số điện mơi hiệu dụng tính giá trị trung bình số điện mơi vật liệu tạo thành tinh thể quang tử: εeff = (1-f)ε1 + fε2 (1.1) f tỉ lệ lấp đầy, ε1 ε2 tương ứng số điện môi chất (khe hở đơn tinh thể tạo nên tinh thể quang tử) đơn tinh thể LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 64 80 70 Do phan xa (%) 60 50 40 30 20 10 400 500 600 700 800 Buoc song (nm) Hình 3.19 Phổ phản xạ vi hốc cộng hưởng 1D với 20 lớp silic xốp Bước sóng trung tâm vi hốc cộng hưởng 643,27nm độ rộng tương ứng dải truyền qua 20nm Việc chế tạo thực nghiệm vi hốc cộng hưởng 1D từ lớp silic xốp cho vi hốc cộng hưởng có độ rộng dải truyền qua hẹp (cỡ khoảng 2nm) thiết kế trình mơ khó khăn độ rộng dải truyền qua bị phụ thuộc lớn không đồng lớp silic xốp Các điều kiện q trình ăn mịn điện hóa bị thay đổi chút so với tính toán thiết kế độ dày mẫu, chiết suất lớp thay đổi thành phần nồng độ dung dịch điện hóa ảnh hưởng lớn tạo khác biệt kết thực nghiệm so với kết mơ Nhìn chung, vi hốc cộng hưởng 1D chế tạo từ silic xốp với độ rộng dải truyền qua 20nm hoạt động vùng nhìn thấy mẫu tốt cho phép áp dụng cảm biến quang, cảm biến sinh học laser vi hốc cộng hưởng Để xem xét ảnh hưởng số chu kỳ N lên phổ phản xạ lọc, tiến hành chế tạo mẫu có tất điều kiện nồng độ HF, mật độ dòng ăn mòn, chiều dày chiết suất lớp đệm, khác số chu kỳ DBR Hình 3.20 trình bày phổ phản xạ lọc chế tạo với chế độ hệt (nồng độ HF 16%, tỷ lệ mật độ dòng ăn mòn 15/50mAcm-2, độ dài quang học lớp đệm λ/2) khác số chu kỳ DBR trên/dưới 6,5/7 (a) 8,5/9 (b) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 65 90 Do phan xa (%) 80 70 b 60 a 50 40 30 20 500 600 700 800 buoc song (nm) Hình 3.20 Phổ phản xạ hai vi hốc cộng hưởng có điều kiện chế tạo giống số chu kỳ DBR trên/dưới khác 6,5/7 (a) 8,5/9 (b) So sánh phổ phản xạ hai lọc thấy hai dải truyền qua bị lệch chút (khoảng 21nm) Về nguyên tắc, bước sóng thiết kế hai lọc phải giống hệt nhau, nhiên trình thực nghiệm số chu kỳ tăng lên, q trình ăn mịn điện hóa bị ảnh hưởng độ sâu mẫu dẫn đến vào sâu bên tốc độ ăn mịn khơng ổn định làm thay đổi chút bước sóng thiết kế dải truyền qua Nhưng phổ phản xạ cho thấy số kết luận phù hợp với kết luận rút từ tính tốn mơ số chu kỳ tăng lên cường độ đỉnh phổ phản xạ tăng lên (từ 78% phổ a đến 84% phổ b) độ tương phản dải truyền qua (độ sâu dải truyền qua) giảm (giảm từ 20% phổ a xuống cịn 14% phổ b) Hình 3.20 cho thấy số chu kỳ tăng lên độ rộng nửa cực đại dải truyền qua giảm (từ khoảng 12,3nm tương ứng với phổ a xuống khoảng 8,8nm tương ứng với phổ b) Kết hoàn toàn phù hợp với kết luận rút từ tính tốn mô Để khảo sát vi hốc cộng hưởng khác tiến hành chế tạo lọc có hai dải truyền qua vùng cực đại phản xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 66 Cavity 11 Jan 146 80 Do phan xa (%) 70 60 50 540nm 576nm 40 30 20 10 400 500 600 700 800 Buoc song (nm) Hình 3.21 Phổ phản xạ vi hốc cộng hưởng 1D gồm hai dải truyền qua vùng cực đại phổ phản xạ 540nm 576nm Hình 3.21 trình bày phổ phản xạ vi hốc cộng hưởng 1D có hai dải truyền qua vùng cực đại phổ phản xạ 540nm (với độ sâu dải phản xạ 15%, cực đại phản xạ 72%) 576nm (với độ sâu dải phản xạ 31%, cực đại phản xạ 76%) Để chế tạo lọc có hai dải truyền qua sử dụng trình ăn mịn điện hóa để chế tạo ba DBR có độ dài quang học lớp λ/4 xen ba DBR hai lớp đệm có độ dài quang học λ/2 λ’ /2 gần để tạo sai hỏng nằm vùng cấm quang học Như khẳng định chế tạo thành công lọc quang học băng hẹp dựa tinh thể quang tử 1D hoạt động vùng nhìn thấy, lọc thể rõ giam giữ ánh sáng theo chiều (thông qua phổ phản xạ) Đây kết tốt để ứng dụng linh kiện cảm biến quang, cảm biến sinh học laser vi hốc cộng hưởng Hình 3.22 trình bày phổ phản xạ mơ thực nghiệm mẫu lọc quang học băng hẹp với bước sóng thiết kế λ=644nm; số chu kỳ N=4; chiết suất lớp n1=2,1 n2=1,75; bề dày lớp d1=76.7nm; d2=92nm Từ hình vẽ cho thấy phù hợp tương đối tốt phổ phản xạ mẫu lọc chế tạo thực nghiệm phổ phản xạ mô phỏng, khác biệt thấy chỗ chân phổ phản xạ thực nghiệm cao so với chân phổ phản xạ mô phỏng, điều LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 67 giải thích chế tạo đo đạc mẫu, mẫu lọc quang học gắn liền với đế silic mà thân đế silic có hệ số phản xạ cao, khoảng 30-40% Sự phù hợp mô thực nghiệm cho thấy thông số trình chế tạo lọc quang học (chiết suất độ dày lớp) tương ứng với thơng số dự đốn trước thơng qua q trình chế tạo (mật độ dịng thời gian ăn mịn) Bên cạnh đó, phù hợp cịn cho thấy khả dự đốn trước kết q trình thực nghiệm thơng qua mơ Pho phan xa cua bo loc quang hoc bang hep thuc nghiem va mo phong (1) thuc nghiem (2) mo phong (2) mo phong (1) thuc nghiem Do phan xa (R) 0.8 0.6 0.4 0.2 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 Buoc song (nm) Hình 3.22 So sánh phổ phản xạ thực nghiệm (1) mô (2) mẫu lọc quang học băng hẹp dựa PC 1D với bước sóng thiết kế λ=644nm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 68 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chúng xây dựng quy trình chế tạo thành cơng màng silic đa lớp đồng diện tích cỡ cm2 phương pháp ăn mịn điện hố phiến silic loại p+, có định hướng tinh thể (100) dung dịch HF 16% với vi cấu trúc bao gồm lỗ xốp đồng nằm khoảng đến 50 nm tương ứng với thay đổi mật độ dòng khoảng từ 15mA/cm2 đến 150 mA/cm2 Sự phụ thuộc tốc độ ăn mòn vào mật độ dòng ăn mòn phụ thuộc chiết suất vào mật độ dòng ăn mòn nghiên cứu cho kết tương tự với cơng bố tác giả nước ngồi Chúng chế tạo thành công lọc quang học băng rộng sở màng silic xốp đa lớp hoạt động vùng phổ từ hồng ngoại đến vùng nhìn thấy với hệ số phản xạ lên tới 80% Phổ phản xạ lọc chế tạo có phù hợp định với kết nhận từ tính tốn mơ ảnh hưởng độ tương phản chiết suất lớp liền kề số chu kỳ N lọc Sự sai lệch phổ thực nghiệm mơ xảy với lọc có số chu kỳ nhỏ lớn giải thích thơng qua thay đổi cấu trúc lớp xốp bề mặt đáy lọc Chúng chế tạo thành công lọc băng hẹp hoạt động vùng ánh sáng nhìn thấy dựa PC 1D phương pháp ăn mịn điện hố phiến silic Các lọc quang học có độ phản xạ cao, khoảng từ 50% đến 80% Các kết thực nghiệm cho thấy số chu kỳ lọc quang băng hẹp tăng lên cường độ đỉnh phổ phản xạ tăng lên độ rộng nửa cực đại dải truyền qua giảm Các kết luận rút phù hợp với tính tốn mô LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 69 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN Luận văn đạt mục tiêu đề với kết sau: Luận văn trình bày cách hệ thống khái niệm, đặc trưng ứng dụng quan trọng tinh thể quang tử nói chung đặc biệt tinh thể quang tử chiều dựa màng silic xốp đa lớp Luận văn xây dựng quy trình ăn mịn điện hố ổn định, tạo màng xốp đa lớp đồng diện tích mẫu đường trịn có đường kính 10mm Luận văn chứng minh phương pháp ma trận truyền phương pháp hữu ích đơn giản cho việc mô màng đa lớp Dựa vào phương pháp này, chúng tơi mơ đặc tính quang học lọc quang cách thay đổi thông số đầu vào chiết suất độ dày lớp, số chu kì, góc tới khoảng bước sóng Các đặc trưng phổ phản xạ lọc quang học giao thoa băng rộng băng hẹp nghiên cứu vùng bước sóng từ 600nm đến 3000 nm Đã tìm quy trình ổn định, phù hợp để chế tạo lọc quang học băng rộng có chất lượng tốt hoạt động vùng dải phổ rộng từ vùng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại Các lọc có cấu trúc trật tự dẫn đến hình thành vùng cấm quang theo phương truyền, độ phản xạ cao Vùng cấm quang lọc quang học phù hợp với tính tốn từ mơ Ngồi ra, chúng tơi nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố độ tương phản chiết suất, số chu kỳ đến phổ phản xạ lọc quang học Kết cho thấy: - Khi tăng độ tương phản chiết suất lớp cực đại phổ phản xạ mở rộng - Khi số chu kỳ tăng lên cường độ phản xạ tăng dần đến độ bán rộng cực đại trung tâm giảm Các kết cho thấy phù hợp mô thực nghiệm Đã chế tạo thành công lọc quang băng hẹp sở PC 1D Các lọc có vùng bước sóng hoạt động trải dài vùng nhìn thấy có độ phản xạ từ 50% đến 80% Phổ phản xạ từ mơ thực nghiệm có phù hợp với LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 70 chứng tỏ chất lượng lọc chế tạo Các kết thực nghiệm cho thấy số chu kỳ lọc tăng lên cường độ đỉnh phổ phản xạ tăng lên độ rộng nửa cực đại dải truyền qua giảm Các kết luận rút phù hợp với tính tốn mô LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 71 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Pham Van Hoi, Do Thuy Chi, Bui Huy and Nguyen Thuy Van (2011), “SiliconRich Silicon Oxide Thin Films Fabricated by Electro-Chemical Method”, Book chapter of Optoelectronics-Materials and Techniques, Publisher: InTech, September 2011, Edited by: Padmanabhan Predeep, pp.27-54 Bui Huy, Pham Van Hoi, Phan Hong Khoi, Nguyen Thuy Van and Do Thuy Chi (2011), “ Porous silicon as a promising material for photonics”, Int J Nanotechnol., 8, Nos.3/4/5, pp 360-370 Thuy Chi Do, Huy Bui, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Hai Nguyen and Van Hoi Pham (2011), “A microcavity based on a porous silicon multilayer”, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol., 2, 035001 (5pp) Do Thuy Chi, Bui Huy, Nguyen Thuy Van and Pham Van Hoi (2011), “Investigation of 1D Photonic Crystal Based on Nano-porous Silicon Multilayer for Optical Filtering”, Communications in Physics, 21, No.1, pp.89-96 Bui Huy, Do Khanh Van, Pham Van Hoi, Pham Thanh Binh, Nguyen Thuy Van, Pham Duy Long, Do Hung Manh, Do Thuy Chi (2009), “ Wavelengthselective property of 1D photonic crystal based on porous silicon multilayer”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS-2009), Đà Nẵng, Việt Nam, tr 531-534 Bui Huy, Pham Van Hoi, Nguyen Thuy Van, Pham Duy Long, Do Thuy Chi, Bui Trung Ninh and Do The Anh (2010), “Optical interference filter based on porous silicon”, THE FIRST ACADEMIC CONFERENCE ON NATURAL SCIENCE FOR MASTER AND PhD STUDENTS FROM CAMBODIA-LAOSVIETNAM Vientiane, Laos.23 – 27 March 2010, pp.355-359 Do Thuy Chi, Bui Huy, Pham Van Hoi, and Nguyen Thuy Van (2010), “ Study and fabrication of microcavity based on porous silicon multilayer”, International conference on photonics and Application, Hanoi November 8-12, 2010 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Bruyant, G Lérondel, P.J Reece, and M Gal, (2003), "All-silicon omnidirectional mirrors based on one-dimensional photonic crystals ", Appl Phys Lett 82, p3227 [2] A.Uhlir, (1956), "Elect rolytic Shaping of Gemanium and Silicon", Bell System Technology Journal 35, pp.333-347 [3] Bui Huy, Pham Van Hoi, Phan Hong Khoi, Nguyen Thuy Van, and Do Thuy Chi, (2011), "Porous silicon as a promising material for photonics", Int J Nanotechnol 8, pp.360-370 [4] C C Striemer, (2004), "Applications of silicon nanostructures compatible with existing manufacturing technology", Ph.D dissertation, University of Rochester [5] Canham, L.T., (1990), "Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical disolution of wafers", Appl.Phys.Lett 57, p1046 [6] C Mazzoleni and L Pavesi Appl Phý Lett, 67, 2983 (1995) [7] D.A.G Bruggeman, (1935), "Berechnung Verschiedener Physikalischer Konstanten von Heterogenen Substanzen", Ann Phys (Leipzig) 24, pp.636679 [8] Do Thuy Chi, Bui Huy, Nguyen Thuy Van, and Pham Van Hoi, (2011), "Investigation of 1D Photonic Crystal Based on Nano-porous Silicon Multilayer for Optical Filtering", Communications in Physics 21, pp.89-96 [9] Elisabet Xifré Pérez, Thesis presented for the qualification of Ph.D – Design, fabrication and characterization of porous silicon multilayer optical devices, 2007 [10] E K Squire, P A Snow, P.St Russell, L.T Canham, A.J Simons, and C.L Reeves, (1999), "Light emission from porous silicon single and multiple cavities", J Luminescence 80, p125 [11] H Looyenga, (1965), "Dielectric constants of heterogeneous mixtures", Physica 31, pp.401-406 [12] H S Nalwa, (2001),Silicon Based Materials and Devices 2: Properties and Devices Academic Press, San Diego [13] J C Maxwell Garnett, (1904), "Colours in metal glasses and in metallic films", Phil Trans R Soc Lond 203, pp.385-420 [14] J Volk, J Balazs, A.L Tóth, and I Bársony, (2004), "Porous silicon multilayers for sensing by tuneable IR-transmission filtering", Sens Actuators B 100, pp.163-167 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 73 [15] L Pavesi, (1997), "Porous silicon dielectric multilayers and microcavities", La Rivista del Nuovo Cimento 20, pp.1-76 [16] Müller, P., (1972), "“IUPAC Manual of Symbols and Technology”", Pure Appl Chem 31, p578 [17] R Herino, G Bomchil, K Barla, C Bertrand, and J L Ginoux, (1987), "Porosity and pore size distributions of porous silicon layers", J Electrochem Soc 134, pp 1994-2000 [18] Saleh, B.E.A., Teich, M.C (2007), Fundamentals of Photonics, 2nd Edition, Chapter 7, John Wiley&Son, Inc., NewYork [19] Sharon M Weiss, Tunable Porous Silicon Bandgap Structures: Mirrors for optical interconnects and optical switching, 2005 [20] Taflove, A and S.C Hagness, (2000), "Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method", Artech House Inc.Boston [21] Thuy Chi Do, Huy Bui, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, T.H Nguyen, and Van Hoi Pham, (2011), "A microcavity based on a porous silicon multilayer", Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 2, p035001 [22] Taflove, A and S.C Hagness, (2000), "Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method", Artech House Inc.Boston [23] V Lehmann and U Gosele, (1991), "Porous silicon formation: A quantum wire effect", Appl.Phys.Lett 58, p856 [24] W Theiβ (1997), "Optical properties of porous silicon", Surf Sci Rep 29, pp.91-192 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 74 PHỤ LỤC Chƣơng trình mơ lọc quang học giao thoa băng rộng: lamda=(500:3500); step=3000; N=input('Number of bi-layer: '); d1=input('Thickness of first layer: '); d2=input('Thickness of second layer: '); n0=1; ns=3.5; n1=input('Refractive index of first layer: '); n2=input('Refractive index of second layer: '); teta0=input('Incident angle: '); tetas=asin((n0*sin(teta0))/ns); teta1=asin((n0*sin(teta0))/n1); teta2=asin((n0*sin(teta0))/n2); m0=[1 1;n0*cos(teta0) -n0*cos(teta0)]; ms=[1 1;ns*cos(tetas) -ns*cos(tetas)]; for (r=1:step+1), x=lamda(r); p1=[exp(i*2*pi*n1*d1*cos(teta1)/x) 0;0 exp(-i*2*pi*n1*d1*cos(teta1)/x)]; p2=[exp(i*2*pi*n2*d2*cos(teta2)/x) 0;0 exp(-i*2*pi*n2*d2*cos(teta2)/x)]; M=[1 0;0 1]; for (a=1:2*N+1), if mod(a,2)==0 n(a)=n2; d(a)=d2; teta(a)=teta2; p=p2; else n(a)=n1; LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 75 d(a)=d1; teta(a)=teta1; p=p1; end, m11=1; m12=1; m21=n(a)*cos(teta(a)); m22=-n(a)*cos(teta(a)); m=[m11 m12; m21 m22]; M=M*m*p*inv(m); end, D=inv(m0)*M*ms; R(r)=(abs(D(2,1)/D(1,1)))^2; end figure(1) plot(lamda,R,'-r','LineWidth',2) grid on axis([500 3500 1.2]) title('Reflection Spectrum of Multilayer','Fontsize',18) xlabel('Wavelength (nm)','Fontsize',18) ylabel('Reflectivity (%R)','Fontsize',18) hold on grid on Chƣơng trình mơ lọc quang học giao thoa băng hẹp: lamda=(200:1200); step=1000; N=input('Number of bi-layer: '); d1=76.7;%input('Thickness of first layer: '); d2=92;%input('Thickness of second layer: '); LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 76 n0=1; ns=3.5; n1=2.1;%input('Refractive index of first layer: '); n2=1.75;%input('Refractive index of second layer: '); teta0=input('Incident angle: '); nss=1.75;%input('Refractive index of space layer: '); dss=184;%input('Thickness of space layer: '); tetas=asin((n0*sin(teta0))/ns); teta1=asin((n0*sin(teta0))/n1); teta2=asin((n0*sin(teta0))/n2); m0=[cos(teta0) cos(teta0);n0 -n0]; ms=[cos(tetas) cos(tetas);ns -ns]; for(r=1:step+1), x=lamda(r); p1=[exp(i*2*pi*n1*d1*cos(teta1)/x) 0;0 exp(-i*2*pi*n1*d1*cos(teta1)/x)]; p2=[exp(i*2*pi*n2*d2*cos(teta2)/x) 0;0 exp(-i*2*pi*n2*d2*cos(teta2)/x)]; M=[1 0;0 1]; for (a=1:2*N+1), if mod(a,2)==0 n(a)=n2; d(a)=d2; teta(a)=teta2; p=p2; else n(a)=n1; d(a)=d1; teta(a)=teta1; p=p1; end, m11=cos(teta(a)); m12=cos(teta(a)); LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 77 m21=n(a); m22=-n(a); m=[m11 m12; m21 m22];%dynamical matrices M=M*m*p*inv(m); end, %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % nss=1.55; % dss=500*1e-9; % 775*1e-9 dss=775*1e-9=lambda/2 nhung dieu kien ta can la nss*dss=lambda/2 tetass=asin((n0*sin(teta0))/nss); mss=[cos(tetass) cos(tetass);nss -nss]; ps=[exp(i*2*pi*nss*dss*cos(tetass)/x) 0;0 exp(-i*2*pi*nss*dss*cos(tetass)/x)]; m11=cos(tetass); m12=cos(tetass); m21=nss; m22=-nss; m=[m11 m12; m21 m22]; M1=m*ps*inv(m); %%%%% M2=[1 0;0 1]; for (a=1:2*N), if mod(a,2)==0 n(a)=n2; d(a)=d2; teta(a)=teta2; p=p2; else n(a)=n1; d(a)=d1; LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 78 teta(a)=teta1; p=p1; end, m11=cos(teta(a)); m12=cos(teta(a)); m21=n(a); m22=-n(a); m=[m11 m12; m21 m22]; M2=M2*m*p*inv(m); end, %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% D=inv(m0)*M*M1*M2*ms; % theo cau truc cua cavity: n0 + (n1*d1_n2*d2)x N lan + lop lambda/2 + (n1*d1_n2*d2)x N lan + substrate(ns) R(r)=(abs(D(2,1)/D(1,1)))^2; end % R1(r)=(abs(F(2,1)/F(1,1)))^2; % end figure(1) plot(lamda,R,'r','linewidth',0.5); % Chon kich thuoc line cua thi grid on axis([450 1200 1.1]) title('Reflectivity Spectrum of microcavity structure','fontsize',18) xlabel('Wavelength (nm)','fontsize',18) ylabel('Reflectivity','fontsize',18) saveas(gca,['Cavity.png'],'png') % Save hinh ket qua duoi dang anh, luu thu muc dang chay chuong trinh hold on LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... dựa vào trang thiết bị có phịng thí nghiệm tơi chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: ? ?Nghiên cứu chế tạo lọc quang (băng rộng băng hẹp) sở màng đa lớp silic xốp. ” Ngoài phần mở đầu kết luận, luận. .. động dựa nguyên lý phản xạ Bragg chế tạo từ màng silic xốp đa lớp đạt độ rộng phổ từ vài chục đến vài trăm nano mét Trên sở lọc quang băng rộng này, chế tạo lọc băng hẹp có độ rộng phổ vài nano... GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thúy Vân NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO BỘ LỌC QUANG (BĂNG RỘNG VÀ BĂNG HẸP) DỰA TRÊN CƠ SỞ MÀNG ĐA LỚP SILIC XỐP Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: