Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng trên nền silica biến tính
7. Trần Thu Hơng, Trần Kim Anh, Lê Quốc Minh Chế tạo mng (1-X) Silica-(X)Titania trên đế Silic đơn tinh thể v nghiên cứu ảnh hởng của nhiệt độ tới cấu trúc của chúng . Tạp chí Khoa học v Công nghệ, tập 42, số 2 (2004) 92-97. 8. T. Kim Anh, T. Thu Huong, T. T. Kim Chi, N. Vu , M. Hoai Nam L. T. Kieu Giang, L. Dac Tuyen, W. Strek, C. Barthou and L. Quoc Minh Luminescence and up - conversion mechanism of some photonic materials doped with Eu, Er and Yb ions. Proceedings of the first Vietnamese-Italian International Joint Workshop, November 28-29, (2005) 63-70. 9. Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Johannes Kirchhof, Claudia Aichele and Le Quoc Minh Preparation and photonic features of Erbium- activated Silica-Zirconia multilayer films derrived from sol gel process. International Conference on Engineering Physics ICEP 2006, October 9-13, (2006) 78-82. 10. Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Martin Becker, Ankha Schwuchow and Le Quoc Minh Luminescence, Lifetime and Optical Losses of Active Wave Guide Systems SiO 2 /TiO 2 and SiO 2 /ZrO 2 Derived by Sol Gel. 1 st IWOFM-3 rd IWONN Conference, Ha long, Vietnam, December 3-10, (2006) 544-547. 11. Le Quoc Minh, Nguyen Thanh Binh, Tran Thu Huong, Nguyen Thanh Huong, Nguyen Tat Thanh, Vu Thi Nghiem, Vu Doan Mien, Phan Viet Phong, Tran Kim Anh Hybrid and Composite with nanostructures for Photonic Technology 1 st IWOFM-3 rd IWONN Conference, Ha long, Vietnam, December 3-10, (2006) 480-484. 12. T. Thu Huong, T.Kim Anh, M. Hoai Nam, C. Barthou, W. Strek, L. Quoc Minh Preparation and infrared emission of silicazirconiaalumina doped with erbium for planar waveguide. Journal of Luminescence 122-123 (2007) 911-913. Bộ Giáo dục v đo tạo Viện Khoa Học v Công Nghệ việt nam Viện Khoa học Vật liệu Trần Thu Hơng Chế tạo v nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng trên nền Silica biến tính Chuyên ngnh: Vật liệu quang học, quang điện tử v quang tử Mã số : 62 44 50 05 Tóm tắt Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu h nội 2007 Công trình đợc hon thnh tại : Phòng Quang Hóa - Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học v Công nghệ Việt Nam Ngời hớng dẫn khoa học : PGS.TS. Lê Quốc Minh PGS.TS. Trần Kim Anh Phản biện 1: GS. TSKH. Đinh Văn Hong Đại học Quốc gia H Nội Phản biện 2: GS. TS. Võ Thạch Sơn Trờng Đại học Bách khoa H Nội Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng Trờng Đại học S phạm H Nội Luận án đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp nh nớc, họp tại: Hội trờng tầng 2, nh B2, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học v Công nghệ Việt Nam vo hồi 9 giờ 00, thứ năm, ngy 20 tháng 12 năm 2007. Có thể tìm hiểu Luận án tại: Th viện Quốc gia Th viện Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học v Công nghệ Việt Nam 1 Mở đầu Tính cần thiết v ý nghĩa khoa học của đề ti : Vật liệu mới đóng vai trò quyết định trong xây dựng v phát triển các linh kiện công nghệ cao. Trong đó, công nghệ truyền thông đơng đại dựa trên vật liệu sợi dẫn ánh sáng - cáp quang l một thí dụ điển hình. Tín hiệu, dới dạng tia sáng đợc truyền dẫn với khoảng cách hng trăm, thậm chí hng ngn km, trong hệ thống mạng cáp quang bao bọc hnh tinh chúng ta. nh sáng, tín hiệu thông tin sau khi truyền ở những khoảng cách lớn nh vậy sẽ bị suy giảm mạnh về cờng độ. Chính vì vậy, các hệ khuếch đại tín hiệu l không thể thiếu. Thông thờng trong mạng thông tin cáp quang vẫn dùng khuếch đại quang điện (khuếch đại O/E), trong đó tín hiệu quang đợc chuyển thnh tín hiệu điện v ngợc lại. Trong những năm gần đây, xuất hiện kiểu khuếch đại quang học có tín hiệu vo ra đều l ánh sáng. Khuếch đại quang học có nhiều u điểm : ổn định, ít bị nhiễu bởi điện từ trờng v dễ tơng thích với công nghệ truyền tin siêu tốc, bằng cách gộp v tách theo bớc sóng. Đến nay, khuếch đại trên cơ sở sợi quang sử dụng Erbi l yếu tố phát quang (Erbium Doped Fiber Amplification - EDFA) đợc sử dụng ngy cng phổ biến trong mạng thông tin quang. Tuy nhiên, các công nghệ khuếch đại quang sợi EDFA, vẫn có một số nhợc điểm: Do phải sử dụng sợi dây di hng chục mét, dẫn đến kích thớc linh kiện cồng kềnh, bị ảnh hởng nhiều của tác động cơ học v nhiệt độ. Mặt khác, xét theo góc độ tích hợp chức năng, các khuếch đại quang sợi sẽ có nhiều hạn chế khi tính đến việc thu nhỏ kích th ớc v giảm giá thnh linh kiện. Chính vì vậy, gần đây các nghiên cứu tập trung tìm kiếm vật liệu dẫn sóng quang planar tích cực nhằm chế tạo các linh kiện tích cực cho mạng thông tin quang. 2 Mục đích của luận án: Chế tạo v nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng trên nền Silica biến tính nhằm hớng tới ứng dụng chế tạo khuếch đại quang cho vùng cửa sổ quang học thứ 3 vùng hồng ngoại khoảng 1500 nm của công nghệ thông tin quang hiện đại. Đối tợng nghiên cứu của đề ti: Đối tợng nghiên cứu của luận án l các vật liệu nền SiO 2 /TiO 2 , SiO 2 /ZrO 2 có thể điều chỉnh đợc chiết suất v vật liệu dẫn sóng tích cực SiO 2 /TiO 2 : Er 3+ , SiO 2 /ZrO 2 : Er 3+ với các yếu tố nâng cao Al 3+ v Yb 3+ cho khả năng phát quang mạnh ở vùng cửa sổ thứ 3 của công nghệ thông tin. Nội dung v phơng pháp nghiên cứu: Luận án đợc tiến hnh bằng phơng pháp thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu để giải thích đợc các hiện tợng xảy ra trong quá trình chế tạo vật liệu v xác định đợc các tính năng cần thiết. Luận án sử dụng phơng pháp sol gel để tổng hợp các hệ vật liệu có thể điều chỉnh đợc chiết suất, cụ thể Silica/Titania v Silica/Zirconia từ các hợp chất cơ kim l alkoxy Silic, Titan hay Zircon. Quá trình hoạt hóa sử dụng các ion đất hiếm nh Erbi đã đợc tiến hnh ngay trong quá trình phản ứng thuỷ phân v ngng tụ. Mng đa lớp đợc chế tạo bằng công nghệ quay phủ hoặc nhúng phủ. Sử dụng các phơng pháp nghiên cứu cấu trúc vi mô, hình thái học v tính chất quang để tìm mối liên hệ giữa đặc tính dẫn sóng tích cực v cấu tạo phân tử, trạng thái rắn của vật liệu, nhằm giải thích v tìm điều kiện tối u cho phép chế tạo vật liệu dẫn sóng tích cực phù hợp với yêu cầu chế tạo khuếch đại quang planar. Đặc biệt, luận án đã sử dụng phơng pháp quang phổ hiện đại - quang phổ m-line để đánh giá hiệu suất dẫn sóng, độ tổn hao, một yếu tố quyết định cho vật liệu dẫn sóng tích cực planar. 3 Bố cục của luận án: Luận án gồm 134 trang, bao gồm : Phần mở đầu, 4 chơng nội dung với 72 hình vẽ, 14 bảng biểu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố v cuối cùng l ti liệu tham khảo. Các kết quả chính của luận án đã đợc công bố trong 12 bi báo trên các tạp chí v báo cáo tại hội nghị chuyên ngnh trong nớc v quốc tế. Chơng 1. Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu v cấu trúc dẫn sóng quang từ quá trình sol gel 1.1. Giới thiệu Các nghiên cứu về vật liệu mới, trớc hết cần phải tiến hnh nghiên cứu tơng tác giữa ánh sáng v các vật liệu, đặc biệt l sự truyền dẫn ánh sáng trong các cấu trúc quang học. 1.2. Dẫn sóng quang học 1.2.1. Cấu trúc dẫn sóng Các cấu trúc dẫn sóng quang học bao gồm một lõi trong đó ánh sáng bị giam giữ v vỏ hay đế bao quanh (Hình 1.1). Trong đó chiết suất của lõi (n 1 ) lớn y x z x = -a Vỏ n0 n0 Lõi n1 x x = o x = a n n1 n0 Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của một dẫn sóng quang học hơn chiết suất của vỏ (n 0 ).Với cấu trúc nh vậy tia sáng đợc truyền dẫn đến cuối của cấu trúc dẫn sóng v bị phản xạ ton phần ở các biên ngăn cách giữa lõi v vỏ. 1.2.2. Các dạng cấu trúc dẫn sóng cơ bản Bao gồm: Dẫn sóng dạng sợi , dẫn sóng tầng v dẫn sóng kênh. 1.2.3. Dẫn sóng planar Dẫn sóng quang planar dạng tầng l hoạt động của các chùm tia dạng tấm bị giam giữ hai chiều, chúng có thể lan truyền theo hớng 4 song song với bề mặt của lớp dẫn sóng có chiết suất cao. Khi một mng mỏng có chiết suất cao hơn đế, tia sáng luôn bị phản xạ từ mặt ngăn cách v bị giam giữ trong mng dẫn. Hình 1.1 trình by cấu trúc dẫn sóng quang theo bậc (SI). Lớp trên thờng l không khí hay có thể sử dụng một lớp vật liệu có chiết suất nhỏ hơn. Quá trình ánh sáng truyền dẫn trong cấu trúc dẫn sóng planar Điều kiện thực hiện phản xạ ton phần ở biên phân cách lõi vỏ có thể mô tả bằng biểu thức : n 1 sin (/2 - ) n 0 . Trong đó góc ở trong biểu thức 2 0 2 11 sinsin nnn = , chúng ta có điều kiện tới hạn cho phản xạ ton phần từ biên phân cách nh sau : 2 0 2 1 1 sin max nn = (1.1) Sự sai khác về chiết suất giữa lõi v vỏ trong thực tế thờng l nhỏ: n 1 - n 0 = 0,01. Do vậy góc max trong biểu thức (1.1) có thể lấy gần đúng l : 2 0 2 1max nn (1.2) Nh vậy, góc theta l góc cực đại của dẫn sóng ở cửa vo v thờng gọi l khẩu độ số ( NA). Sai lệch chiết suất tỷ đối giữa 2 hai chiết suất n 1 v n 0 sẽ l : 1 01 2 1 2 0 2 1 2 n nn n nn = (1.3) Giá trị thờng đợc tính theo phần trăm. Nh vậy, (NA) liên hệ với hiệu chiết suất tỷ đối theo biểu thức: = 2 1ã nNA m (1.4) Từ đó có thể rút ra góc lớn nhất để thực hiện truyền sóng trong lõi l: 2/ 1maxmax n 25 3. Le Quoc Minh, N. T. Huong, T. T. Huong, H. T. Khuyen, P. M. Tuan, M. H. Nam, N. T. Binh, T. K. Anh, C. D. Thuy, C. Barthou, M. Dumont and N. C. Thanh Development of sol gel materials for photonics and optical telecommunication application. Proceedings of the Sixth German- Vietnamese Seminar on Physics and Engineering, Chemnitz, 25 - 31, May (2003) 120-123. 4. Tran Thu Huong , Tran Kim Anh, Carlos Barthou, Vo Thach Son and Le Quoc Minh Fluorescent properties of Silica(92)- Titania(08) / Alumina (X) and Silica(83)-Zirconia(17) / Alumina (X) doped with Er 3+ and Yb 3+ . Proceedings of the Sixth German-Vietnamese Seminar on Physics and Engineering, Chemnitz, 25 - 31, May 2003 pp.172-176. 5. Tran Kim Anh, Le Quoc Minh, Nguyen Vu, Tran Thu Huong , Nguyen Thanh Huong, Charles Barthou and Wieslaw Strek Nanomaterials containing rare earth ions Tb, Eu, Er and Yb: Preparation, optical properties and application potential J. of Luminescence 102-103 (2003) 391-394. 6. T. K. Anh, N. Vu, T. T. Huong , L. Q. Minh, "Nanomaterials containing rare earth ions for infrared card and planar waveguide application, given at 2 nd International workshop on Nanophysics and Nanotechnology (IWONN04), Hanoi, October 22-23, (2004) 161-164. 24 cờng phân hủy nhóm OH, l các yếu tố góp phần tăng hiệu suất huỳnh quang của ion Er 3+ . 8. Các kết quả nghiên cứu khoa học với quy trình công nghệ tổng hợp, phủ mng, quy trình gia nhiệt đạt trình độ cao, luận án đã khẳng định công nghệ chế tạo vật liệu mới SiO 2 /TiO 2 (92/08)/ Al (10%) Er (0,75%) Yb (0,825%) v SiO 2 /ZrO 2 (83/17)/ Al (6%) Er (0,75%) Yb (0,825%) l một trong các vật liệu dẫn sóng tích cực có triển vọng nhất nhằm hớng tới ứng dụng chế tạo khuếch đại quang cho công nghệ thông tin, với các chỉ số cụ thể : Cực đại huỳnh quang tại 1530 nm, độ rộng bán phổ > 50 nm, thời gian sống phát quang đến 7,4 mili giây, tổn hao dẫn sóng thấp nhất : 0,85 dB/cm. Tóm lại, hai hệ vật liệu dẫn sóng thu đợc của luận án, thuộc loại vật liệu dẫn sóng tích cực, về mặt chất lợng tơng đơng với các công bố trên quốc tế. Nh vậy, luận án đã góp phần đáng kể vo hớng nghiên cứu tìm kiếm vật liệu dẫn sóng tích cực planar, có nhiều tiềm năng tạo ra các ứng dụng trong công nghệ thông tin v một số công nghệ liên quan. Danh mục các công trình nghiên cứu Các công trình đợc sử dụng cho nội dung luận án 1. Nguyễn Thanh Hờng, Trần Thu Hơng , Vũ Thị Nghiêm, Lâm Thanh Nhn, Charles Bathou, Trần Kim Anh, Lê Quốc Minh Nghiên cứu quá trình biến đổi vi cấu trúc trong quá trình ủ nhiệt của mng dẫn sóng Silíc/Titania v Silica/Zirconia. Báo cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn ton quốc lần thứ III, Nha Trang, 8-10/8/2001 209-215. 2. Tran Thu Huong , Lam Thanh Nhan, Tran Kim Anh and Le Quoc Minh Effects of Aluminum to Silica(92)-Titania(08) and Silica(83)-Zirconia(17) Wave-guide materials properties Proceedings of 3 rd National Conference on Optics & Spectroscopy, Nha Trang, August 11-15, (2002) 281-286. 5 Dẫn sóng tích cực Dẫn sóng tích cực l quá trình truyền sóng quang gây nên hiệu ứng phát xạ, với các tâm phát xạ l các ion đất hiếm hay các chất mầu huỳnh quang. Các nguyên tố cho khả năng phát quang mạnh, bền, đặc biệt trong vùng hồng ngoại, trong đó nguyên tố Erbi do có phổ phát quang trùng với cửa sổ thông tin thứ ba nên rất đợc quan tâm nghiên cứu. 1.3. Các vật liệu chế tạo dẫn sóng quang planar Gồm các vật liệu : Bán dẫn, thuỷ tinh, vật liệu hữu cơ cao phân tử, vật liệu lai hữu cơ v vô cơ. 1.4. Một số phơng pháp chế tạo vật liệu dẫn sóng planar Có nhiều phơng pháp để chế tạo vật liệu dẫn sóng, nh : Phơng pháp phún xạ, phơng pháp oxy hóa v nitrat hóa nhiệt, phơng pháp lắng đọng hoá học pha hơi (CVD), phơng pháp lắng đọng nhờ thuỷ phân trong ngọn lửa (FHD) Các phơng pháp pha lỏng, có nhiều u thế về khả năng chế tạo vật liệu v cấu trúc với độ đồng nhất cao, sự pha trộn cỡ phân tử, dễ điều khiển, yêu cầu nhiệt độ không cao, khả năng chế tạo mng đa lớp diện tích lớn v với công nghệ đơn giản dẫn đến giá thnh sản phẩm thấp. Đặc biệt l khả năng hoạt hoá (pha tạp) các vật liệu nền để chế tạo các linh kiện tích cực l một u điểm lớn của các phơng pháp hoá học, trong đó có phơng pháp sol gel. Hơn nữa, chúng còn có thể sử dụng lm phơng pháp tạo hình vật lý trực tiếp cho khả năng tạo đợc các mng mỏng đa lớp, các hình khối lm cơ sở cho các cấu trúc quang tử hiện đại. Xuất phát từ tình hình nêu trên, chúng tôi đã lựa chọn phơng pháp sol gel để triển khai các nghiên cứu của mình. 6 1.5. Tổng hợp sol gel Nguyên liệu đầu vo cho các hớng phát triển của phơng pháp sol gel có thể đi từ các muối kim loại dễ thủy phân, các phức chất hoặc các alkoxide kim loạiTrong đó hớng phát triển đi từ các alkoxide kim loại, ngy cng đợc dùng phổ biến, do những sản phẩm quang học chất lợng cao thu đợc so với việc sử dụng nguyên liệu đầu vo khác. Alkoxide kim loại l hợp chất cơ kim chứa gốc ankyl (có cấu tạo phân nhánh hoặc thẳng), có công thức chung: M(OR) z , trong đó M l ion kim loại có hoá trị z v R l nhóm ankyl (R=CH 3 , C 2 H 5 , iso C 3 H 7 ). Hoá học sol gel dựa trên phản ứng thuỷ phân v phản ứng ngng tụ của alkoxide kim loại M(OR) z . Đó l các phản ứng thế ái nhân đợc mô tả bằng phơng trình phản ứng tổng quát nh sau: Si(OR) n + M(X) n (OR) n-1 Si-O-M(OX) n-1 + RX (X= iso-C 3 H 7 O; M=Ti hay Zr) Sau đây l phản ứng thuỷ phân v ngng tụ của TEOS Phản ứng thủy phân: Si - O - C 2 H 5 + H 2 O Si - OH + C 2 H 5 OH Phản ứng ngng tụ : Loại ancol: Si - O - C 2 H 5 + Si-OH Si - O -Si + C 2 H 5 OH Loại nớc: Si-OH + Si-OH Si - O -Si + H 2 O 1.6. Huỳnh quang của các ion đất hiếm Các nguyên tố hiếm l những kim loại đợc đặc trng bởi sự lấp đầy lớp điện tử 4f. Dãy nguyên tố ny bắt đầu từ Lantan (La, Z = 57, [Xe] 6s 2 5d) v kết thúc bằng Lutexi (Lu, Z = 71, [Xe] 6s 2 5d 4f 14 ). 23 dầy với 60 lớp (cỡ 3 m), có độ ổn định v độ đồng nhất cao. Với điều kiện công nghệ đã xác lập, có thể chế tạo hệ mng đa lớp với độ tổn hao dẫn quang thấp đến 0,85 dB/cm. 4. Cơ chế hình thnh mng thủy tinh vô định hình của hỗn hợp oxit SiO 2 /TiO 2 v SiO 2 /ZrO 2 đã đợc nghiên cứu theo tiến trình ủ nhiệt. Đây l quá trình biến đổi hóa học, loại nớc (H 2 O) v các phân loại hữu cơ v dung môi. Đến một nhiệt độ nhất định (900 o C) xảy ra sự phá vỡ các cấu trúc không bền nhiệt hình thnh các vi tinh thể của các oxit Titan hoặc oxit Zircon. Đây chính l nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự tăng tính không đồng đều của mng, lm tăng tổn hao dẫn sóng quang do quá trình tán xạ. 5. Chúng tôi đã giải quyết vấn đề giảm đợc nhiệt độ xử lý, đồng thời xúc tiến quá trình phân hủy nhóm OH, kìm hãm quá trình hình thnh vi tinh thể của các oxit Titan v Zircon khi pha nhôm (Al 3+ ) vo hỗn hợp oxit SiO 2 /TiO 2 v SiO 2 /ZrO 2 . Tạo cơ sở chế tạo đợc các mng oxit đa lớp có độ đồng nhất cao v phát huỳnh quang mạnh vùng cửa sổ thông tin thứ 3. 6. Luận án cũng góp phần lm sáng tỏ cơ chế phát quang của ion Er 3+ . Đây l quá trình phát quang đồng thời ở vùng hồng ngoại 1500 nm do chuyển dịch từ mức năng lợng 4 I 13/2 xuống 4 I 15/2 . Các quá trình phát quang hồng ngoại l u tiên. Kết hợp các biện pháp xử lý nhiệt nhanh, dùng nhôm để pha loãng có thể đa nồng độ ion Er 3+ lên tới 0,75 %. 7. Khi có mặt ion Yb 3+ , quá trình phát quang hồng ngoại của ion Er 3+ cũng đợc tăng cờng, do quá trình truyền năng lợng từ ion Yb 3+ . Vai trò của nhôm, tác nhân pha loãng kìm hãm hình thnh vi tinh thể oxit Titan v oxit Zircon ở nhiệt độ cao, cũng nh tăng 22 hao của mng đa lớp SiO 2 /ZrO 2 (83/17) pha Er 3+ đợc trình by trong bảng 4.3. Mng SiO 2 /ZrO 2 (83/17) Er 3+ với số lớp nhúng l 60 lớp đo ở bớc sóng 632,8 nm, có độ tổn hao quang học l 0,85 dB/cm; ở bớc sóng 1330 nm, có độ tổn hao quang học l 1,88 dB/cm (d=3,5 m, n = 1,49). Bảng 4.3: Độ tổn hao quang học của một số mng đa lớp STT Tên mẫu Tổn hao quang học (dB/cm) 1. Silica/Zirconia(83/17)50lớp 1,70 (532 nm) 2,24 (632,8 nm) 2. Silica/Zirconia (83/17)Er 60lớp 0,85 (632,8 nm) 3. Silica/Zirconia (83/17)Er 60lớp 1,88 (1310 nm) Kết luận 1. Chúng tôi đã tổng hợp thnh công vật liệu dẫn sóng cấu trúc planar của SiO 2 /TiO 2 , SiO 2 /ZrO 2 v SiO 2 /TiO 2 , SiO 2 /ZrO 2 hoạt hóa với nồng độ cao của ion Er 3+ . Xây dựng đợc quy trình mới chế tạo hệ vật liệu dẫn sóng tích cực phát quang mạnh ở vùng hồng ngoại, thỏa mãn yêu cầu chế tạo linh kiện khuếch đại quang tích hợp cho công nghệ thông tin hiện đại. Tính chất dẫn sóng tích cực của hệ vật liệu dới dạng mng đa lớp đạt trình độ tiên tiến hiện nay. 2. Quá trình tổng hợp sol gel 2 giai đoạn đã đợc tìm hiểu v sử dụng để chế tạo vật liệu dẫn sóng tích cực với kỹ thuật tạo phức để kiểm soát đợc độ nhớt của dịch, chiết suất v độ truyền qua cao ở vùng cửa sổ thông tin hồng ngoại 1500 nm. 3. Công nghệ trải mng nhúng phủ (dip - coating) đợc phát triển v đã xác định đợc các điều kiện công nghệ tối u chế tạo mng 7 Sự che chắn các điện tử 4f bởi các lớp bên ngoi 5s v 5p tạo cho chúng có đặc tính ion hơn v các tính chất quang phổ rất phong phú. Ion Er 3+ có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f 11 5s 2 5p 6 . Lớp 4f có 11 điện tử, có mômen quỹ đạo L = 6, mômen spin S = 3/2. Trạng thái cơ bản của ion Er 3+ l 4 I 15/2 . Ion Er 3+ có phổ phát xạ trải rộng từ vùng khả kiến tới vùng hồng ngoại. Nó có phát xạ xanh lá cây gây bởi dịch chuyển 4 S 3/2 4 I 15/2 v đợc quan sát trong các chất huỳnh quang chuyển đổi ngợc, hoặc phát xạ mầu đỏ gây bởi dịch chuyển 4 F 9/2 4 I 15/2 với một số vật liệu nền ví dụ nh SiO 2 -TiO 2 . Ion Er 3+ đợc pha tạp trong các sợi quang học với nồng độ (vi trăm ppm) đóng vai trò quan trọng nh bộ khuếch đại quang học tại 1,55m (tơng ứng với dịch chuyển 4 I 13/2 4 I 15/2 ). Sự đảo mật độ c trú đợc quan sát giữa các mức thấp hơn 4 I 13/2 v trên mức 4 I 15/2 . Công nghệ ny đã đợc phát triển cho các khuếch đại quang học trong ngnh thông tin quang sợi khoảng cách di. Ion Yterbi (Yb 3+ ) có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f 13 5s 2 5p 6 . Có 13 điện tử ở lớp 4f. Mô men quỹ đạo L = 3, momen spin S = 1/2. Do sự tơng tác spin quỹ đạo ion Yb 3+ có 2 mức năng lợng ứng với các trạng thái cơ bản v trạng thái kích thích l J = 7/2 v J = 5/2. Vùng hấp thụ hồng ngoại của ion Yb 3+ gần 1m do sự dịch chuyển của các chuyển dời 5 F 5/2 5 F 7/2 của ion Yb 3+ . Chính vì lý do ny m nó đợc sử dụng nh chất tăng nhậy cho ion Er 3+ . Chơng 2. Chế Tạo v Kĩ thuật thực nghiệm nghiên cứu tính chất vật liệu dẫn sóng cơ sở Silica/Titania Silica/Zirconia 8 2.1. Chế tạo vật liệu dẫn sóng Hệ vật liệu đợc chế tạo trong luận án l: Silica/Titania (SiO 2 /TiO 2 ) v Silica/Zirconia (SiO 2 /ZrO 2 ). Quá trình thực nghiệm chế tạo một vật liệu dẫn sóng bao gồm 3 bớc chính : Tổng hợp dung dịch, chế tạo mng v quá trình xử lý nhiệt. p dụng phơng pháp sol gel, điều chỉnh các điều kiện phản ứng thuỷ phân v ngng tụ, chúng tôi tiến hnh điều chế hai hệ vật liệu SiO 2 /TiO 2 v SiO 2 /ZrO 2 dựa trên các hợp chất cơ kim của Silic, Titan v Zircon. Các tiền chất ban đầu sử dụng để chế tạo hai hệ vật liệu trên l TetraEthoxysilane [TEOS], Titanium isopropoxide (TPOT) v Zirconium (IV) iso propoxide [ZOP]. Đặc biệt trong phản ứng sol gel với yếu tố nền l Silic v các yếu tố điều chỉnh chiết suất l Titan hoặc Zircon, do tốc độ thủy phân của chúng rất khác nhau, nên phải tiến hnh thủy phân 2 giai đoạn. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình phản ứng tạo dịch đợc khảo sát tỷ mỷ nh xúc tác, độ pH, tỷ lệ nớc / tiền chất, thnh phần cấu tử, nhiệt độ, dung môinhằm tìm ra chế độ tối u tổng hợp dung dịch của hai hay nhiều cấu tử có độ đồng nhất cao v bền với thời gian lu giữ. Một số tác nhân tạo phức khác nhau đã đợc chọn nh axetylaxeton (ACT) với TPOT, axit methacrylic (MAA) với ZOP để kìm hãm quá trình thuỷ phân ban đầu của TPOT v ZOP, tránh kết tủa hydroxít kim loại không mong muốn. Một số biện pháp đã đợc tiến hnh lm bền vững hóa dung dịch sol thu đợc nh: Điều chỉnh pH, thay thế dung môi, hay hạ nhiệt độ xuống thấp, trong đó các dịch (1-x) SiO 2 / x TiO 2 ; (1-x) SiO 2 / x ZrO 2 đợc bảo quản ở nhiệt độ 6 o C, có thể sử dụng để phủ mng chất lợng cao trong thời gian từ 4 đến 6 tuần. Các mng đợc tạo trên đế Silic đơn tinh thể hoặc trên đế thạch anh tổng hợp. 21 1400 1450 1500 1550 1600 1650 0 30 60 90 120 150 exc = 514 nm Power = 500 mW T = 300 K Cờng độ (Đvtđ) (nm) 1 2 1400 1450 1500 1550 1600 1650 0 50 100 150 200 250 300 350 exc = 514 nm Power = 500 mW T = 300 K Cờng độ (Đvtđ) (nm) 1 2 3 Hình 4.8: Phổ huỳnh quang của SiO 2 /TiO 2 (92/08)pha Er 3+ có Al (10) [1] v SiO 2 /TiO 2 (92/08) đồng pha tạp Er 3+ , Al(10) v Yb (12,5) [2] ủ ở 950 o C Hình 4.9: Phổ huỳnh quang của mẫu SiO 2 /ZrO 2 (83/17) pha Er 3+ không có Al 3+ [3], có Al 3+ (6) [2], v đồng pha tạp Er 3+ , Al(6) v Yb (12,5) [1] ủ ở 850 o C 4.5. Thời gian sống huỳnh quang của vật liệu 2 4 6 8 10 12 14 16 1820 22 24 26 28 30 3 2 34 36 38 40 0.01563 0.03125 0.0625 0.125 0.25 0.5 1 Cờng độ (Đvtđ) Thời gian (ms) SiO 2 /TiO 2 : Er 3+ (7.4 ms) 2468101214161820222426 0.01563 0.03125 0.06 25 0.125 0.25 0.5 1 Cờng độ (Đvtđ) Thời gian (ms) SiO 2 /ZrO 2 :Er 3+ (4.6ms) Hình 4.14: Thời gian sống huỳnh quang của SiO 2 /TiO 2 (92/08) pha Er 3+ ủ ở 880 o C Hình 4.15: Thời gian sống huỳnh quang của mẫu SiO 2 /ZrO 2 (83/17) pha Er 3+ ủ ở 850 o C Hình 4.14 v 4.15 trình by thời gian sống của SiO 2 /TiO 2 (92/08) pha Er 3+ ủ ở 880 o C l 7,4 mili giây v của SiO 2 /ZrO 2 (83/17) pha Er 3+ ủ tại 850 o C l 4,9 mili giây. 4. 6. Hiệu suất dẫn sóng quang Độ dầy của mng SiO 2 /TiO 2 (92/08) Er 3+ (0,75 %) Al 3+ (10%) Yb 3+ (0,825%) cha xử lý nhiệt l 585 nm. Khi ủ tại 850 o C có độ dầy 377 nm. Tơng tự, độ dầy của mng SiO 2 /ZrO 2 (83/17) Er 3+ (0,75 %) Al 3+ (6%) Yb 3+ (0,825 %) cha xử lý nhiệt l 1,01m. Mng ủ tại 850 o C có độ dầy 0,721m. Kết quả đo độ dầy, chiết suất v độ tổn [...]... Tính chất huỳnh quang của vật liệu đợc thể hiện trên phổ huỳnh quang v thời gian sống huỳnh quang Các mẫu đợc đo trên thiết bị : TRIAX 320 (Pháp) v một số mẫu đợc đo tại Viện Vật lý Công nghệ cao, Jena (Đức) chơng 3 cấu tạo v tính chất quang của vật liệu 4.2 Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu Đã nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu SiO2/TiO2 IPA H 2O TEOS HCl v SiO2/ZrO2 pha mng đơn lớp v đa lớp Silica/ Titania... kim trên bề mặt Chơng 4 tổng hợp, cấu trúc v tính chất phát Quang của vật liệu dẫn sóng Silica/ Titania v Silica/ Zirconia pha tạp ion đất hiếm (Er3+) 4.1 Giới thiệu Dựa trên kết quả thực nghiệm chế tạo vật liệu đã trình by ở chơng III, chúng tôi thấy hai hệ vật liệu SiO2/TiO2 (92/08) v SiO2/ZrO2 (83/17) Thiết bị prism coupler 2010 Metricon ( usa) đợc sử dụng để đo đã thỏa mãn yêu cầu cơ bản của vật liệu. .. dẫn sóng planar nền Vì vậy chiết suất của vật liệu (khối v mng), đồng thời cho biết bề dầy của chúng đã đợc chọn để nghiên cứu pha tạp ion Erbi với các nồng độ mng, có thể đo tại nhiều bớc sóng lade khác nhau Độ tổn hao của khác nhau, kết hợp tối u hóa phơng pháp chế tạo, nhằm thu đợc vật các mẫu đợc đo bằng phơng pháp quang phổ m -line liệu dẫn sóng phát quang (tích cực) ở vùng hồng ngoại 1500nm Tính. .. trúc, tính chất với yêu cầu chế tạo vật liệu dẫn sóng quang sử dụng trong các linh kiện vật liệu dẫn sóng planar quang tử planar, nhằm ứng dụng trong công nghệ thông tin Cấu trúc vi mô của vật liệu đợc khảo sát qua các phép phân tích nhiệt vi sai, phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X, đo phổ hồng ngoại, tán xạ Raman, chụp AFM Hình thái học bề mặt (độ nhám, độ lợn sóng bề mặt v độ gồ ghề nhẩy bậc ) đo trên. .. OH chứa trong mẫu 4.4 Vai trò của Al3+, Yb3+ trong vật liệu TPOT + ACT + IPA (ZOP + MAA + IPA) TEOS HCl Xử lý nhiệt Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo hệ vật liệu Silica/ Titania v Silica/ Zirconia 2.1.2 Phơng pháp tạo mng Hai phơng pháp tạo mng đã đợc sử dụng: Đó l phơng pháp Hình 4.8 trình by phổ huỳnh quang của SiO2/TiO2 (92/08) pha quay phủ v phơng pháp nhúng phủ Các mng đợc chế tạo bằng Er3+ có Al (10) [1]... sóng 632,8 nm độ đặc biệt l nớc trong các lỗ vi xốp của mng gel Tại nhiệt độ 318oC tổn hao quang học l 1,70 dB/cm tại bớc sóng 532 nm; ở bớc sóng xuất hiện hiệu ứng thu nhiệt l do sự mất nớc cấu trúc trên bề mặt 632,8 nm, có độ tổn hao quang học l 2,24 dB/cm Từ kết quả độ dầy, của Silica ngậm nớc v do các chất hữu cơ bị đốt cháy; 347 oC có sự chiết suất v độ tổn hao nh trên, chúng tôi thấy hệ vật liệu. .. chiết suất l 1,50 Độ tổn hao của mng l 2,55 dB/cm tại bớc sóng 632,8 nm theo phơng 3.2 Kết quả nghiên cứu tính chất của vật liệu pháp tiếp xúc lăng kính trên hệ máy : Prism coupler 2010, Metricon Phân tích nhiệt (USA) Hình 3.2 trình by giản đồ DTA của mẫu SiO2/TiO2 (92/08) có sự Đối với mng SiO2/ZrO2 (83/17) chúng tôi trải đến 50 lớp có độ thu nhiệt tại 120oC l do sự bay hơi của các dung môi nh ancol... của các mng (bảng 2 SiO2/TiO2 (90/10) 90:10 -nt- B) cho thấy độ mấp mô bề mặt của mng chế tạo đợc đã đáp ứng 3 SiO2/TiO2 (85/15) 85:15 -nt- yêu cầu chế tạo cấu trúc dẫn sóng quang chất lợng cao 4 SiO2/TiO2 (80/20) 80: 20 -nt- 5 SiO2/TiO2 (75/25) 75: 25 -nt- Bảng B: Độ nhám của các mng SiO2/TiO2 (92/08) ủ ở nhiệt độ 880oC v SiO2/ZrO2 (83/17) ủ ở nhiệt độ 850oC Độ nhám bề mặt () Tỉ lệ mol TEOS/ ZOP Silica/ Titania... nhau đã đợc chế tạo dùng để nghiên cứu các tính chất Er 3+ + IPA Yb 3+ + IPA Al 3+ + IPA - Dung dịch SiO 2 - TiO 2 (SiO 2 - ZrO 2) pha Al 3+ , Yb 3+ v Er 3+ Tạo mng Xử lý nhiệt Hình 4.1 : Sơ đồ chế tạo vật liệu SiO2/TiO2 ( SiO2/ZrO2) pha ion đất hiếm 18 11 Độ nhám bề mặt Để hạn chế sự kết tinh của Ti (Zr) chúng tôi tiến hnh pha thêm nhôm Chúng tôi đã khảo sát các chế độ thực nghiệm v thay đổi tỷ lệ...20 9 4.3 Kết quả tính chất quang của vật liệu dẫn sóng tích cực 1 8 6 1 - 880C 2 - 800C 3 - 700C 4 - 70C exc =972nm 4 T = 300 K 3 2 0 1450 1500 2 4 1550 1600 1650 12 10 exc= 972 nm T = 300 K 1 2 8 1 850C 2 750C 3 650C 4 70C 4 3 2 4 0 nhớt CT-500 cho phép đo vùng độ nhớt thấp với nồng độ chính xác cao Quá trình tổng hợp dịch sol v 6 1450 1500 1550 chế tạo m ng đợc minh họa theo sơ đồ . Khoa học Vật liệu Trần Thu Hơng Chế tạo v nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng trên nền Silica biến tính Chuyên ngnh: Vật liệu quang học, quang điện tử v quang. thuật thực nghiệm nghiên cứu tính chất vật liệu dẫn sóng cơ sở Silica/ Titania Silica/ Zirconia 8 2.1. Chế tạo vật liệu dẫn sóng Hệ vật liệu đợc chế tạo trong luận án l: Silica/ Titania (SiO 2 /TiO 2 ). các nghiên cứu tập trung tìm kiếm vật liệu dẫn sóng quang planar tích cực nhằm chế tạo các linh kiện tích cực cho mạng thông tin quang. 2 Mục đích của luận án: Chế tạo v nghiên cứu tính chất