Mục tiêu của đề tài
Tìm hiểu về tính chất, cấu trúc vật liệu Nanophotonics.
Phương pháp tổng hợp vật liệu Nanophotonics.
Ứng dụng của vật liệu Nanophotonics.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
Công nghệ nano và vật liệu nanophotonics đang trở thành những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, với tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong nhiều ngành như vật lý, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện quang, kỹ thuật quy trình và kỹ thuật y sinh Sự ảnh hưởng sâu rộng của nanophotonics thúc đẩy nghiên cứu chuyên sâu, mở ra nhiều ứng dụng mới trong tương lai Bài viết cũng đề cập đến các phương pháp sản xuất vật liệu có kích thước nano, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng của nanophotonics.
Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài của nhóm cung cấp kiến thức cơ bản về công nghệ nano và vật liệu Nanophotonics, cùng với các phương pháp sản xuất vật liệu kích thước nano Bên cạnh đó, nó cũng cho thấy sự đa dạng trong các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu nanophotonics, từ đó tạo cơ sở cho việc tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực này Kết quả của đồ án hy vọng sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho giảng viên và sinh viên trong quá trình giảng dạy và học tập.
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOPHOTONICS
Tổng quan về công nghệ và vật liệu nano
2.1.1 Khái quát về công nghệ nano
Công nghệ nano là việc sử dụng các loại vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử cho các mục đích sử dụng đa dạng Định nghĩa công nghệ nano hiện đại phản ánh khả năng điều khiển vật chất với ít nhất một kích thước từ 1 đến 100 nanomet, nơi các hiệu ứng cơ lượng tử đóng vai trò quan trọng Công nghệ nano phân tử cho phép thao tác chính xác các nguyên tử và phân tử để chế tạo các sản phẩm có quy mô vĩ mô, trong khi các nghiên cứu và công nghệ xử lý các tính chất đặc biệt của vật chất dưới ngưỡng kích thước đã cho cũng được bao gồm trong định nghĩa này.
"công nghệ kích thước nano" để chỉ phạm vi rộng của các nghiên cứu và ứng dụng có đặc điểm chung là kích thước
Công nghệ nano bao gồm nhiều lĩnh vực khoa học đa dạng như hóa học hữu cơ, sinh học phân tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ năng lượng, kỹ thuật, chế tạo vi mô và kỹ thuật phân tử Nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực này rất phong phú, từ việc mở rộng thiết bị vật lý thông thường đến các phương pháp mới dựa trên tự lắp ráp phân tử, cũng như phát triển vật liệu mới ở quy mô nano và điều khiển vật chất ở cấp độ nguyên tử.
Công nghệ nano hứa hẹn sẽ có những tác động rõ rệt trong tương lai, với khả năng tạo ra nhiều vật liệu và thiết bị mới Những ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng, bao gồm y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh học, năng lượng và các sản phẩm tiêu dùng.
2.1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
Phương pháp từ trên xuống là một kỹ thuật quan trọng trong việc chế biến vật liệu, sử dụng các phương pháp nghiền và xử lý cơ học để biến đổi vật liệu có kích thước lớn thành các hạt nano Kỹ thuật này giúp tối ưu hóa các tính năng của vật liệu, mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ nano.
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics
Phương pháp nghiền được đánh giá là đơn giản, chi phí thấp nhưng hiệu quả cao, có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu lớn, đặc biệt là vật liệu kết cấu Trong quy trình này, vật liệu dạng bột được trộn với các viên bi cứng trong một cái cối, với các loại máy nghiền như nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Hiện nay, phương pháp quang khắc cũng được sử dụng phổ biến để tạo ra các cấu trúc nano.
Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý hình thành vật liệu nano dựa trên việc sử dụng các nguyên tử ion, và phần lớn vật liệu nano hiện nay được chế tạo theo phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể bao gồm các kỹ thuật vật lý, hóa học hoặc sự kết hợp của cả hai.
Phương pháp vật lý là kỹ thuật tạo ra vật liệu nano từ nguyên tử hoặc thông qua chuyển pha Nguyên tử hình thành vật liệu nano được sản xuất bằng các phương pháp như bốc bay nhiệt, phún xạ và phóng điện hồ quang Trong phương pháp chuyển pha, vật liệu được nung nóng và sau đó làm nguội nhanh chóng để đạt được trạng thái vô định hình, từ đó trải qua quá trình xử lý nhiệt để chuyển từ vô định hình sang tinh thể (kết tinh) Phương pháp này thường được áp dụng để sản xuất các hạt nano và màng nano, chẳng hạn như trong ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học là một kỹ thuật tạo ra vật liệu nano từ các ion, với tính đa dạng cao do sự thay đổi kỹ thuật chế tạo tùy thuộc vào loại vật liệu cụ thể Các phương pháp hóa học có thể được phân loại thành hai nhóm chính: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng, như phương pháp kết tủa và sol-gel, và từ pha khí, chẳng hạn như nhiệt phân Phương pháp này cho phép sản xuất nhiều dạng vật liệu nano khác nhau, bao gồm hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano.
Phương pháp kết hợp là kỹ thuật sản xuất vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học, bao gồm điện phân và ngưng tụ từ pha khí Phương pháp này cho phép tạo ra nhiều dạng vật liệu nano khác nhau như hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano.
2.1.3 Các thiết bị và kỹ thuật trong nghiên cứu cấu trúc nano
Kính hiển vi quét xuyên hầm (STM) là một thiết bị quan trọng, cho phép máy tính tạo ra và phóng đại hình ảnh của nguyên tử và phân tử từ vật chất Công nghệ này mở ra khả năng nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc và tính chất của vật liệu ở cấp độ nguyên tử.
Kính hiển vi điện tử tinh thể bằng tia X sử dụng tia X để tạo độ tương phản và khả năng xuyên thấu cho các mẫu vật có kích thước từ 1-2 micromet Phương pháp này cho phép chụp ảnh tổng thể các tế bào nhỏ và cấu trúc dưới tế bào trong các tế bào sinh học, mang lại cái nhìn sâu sắc về cấu trúc và chức năng của chúng.
Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là một thiết bị quan trọng giúp điều khiển máy tính của máy quang phổ, cho phép thực hiện các thí nghiệm như phổ NMR có hai chu kỳ và đơn giản hóa nhiều thí nghiệm khác Hiện nay, máy quang phổ từ hạt nhân được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và phân tích các loại hóa chất, trở thành công cụ thiết yếu trong các phòng thí nghiệm.
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) là một công nghệ quan trọng trong nghiên cứu khoa học và công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực kích thước nano và công nghệ sinh học Quang phổ lực nguyên tử đo lường lực tương ứng với khoảng cách khi sử dụng AFM, giúp cung cấp thông tin chi tiết về bề mặt và cấu trúc của vật liệu ở cấp độ nguyên tử.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một công cụ linh hoạt, cho phép kiểm tra và phân tích cấu trúc vi mô cùng với đặc điểm thành phần hóa học Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện nay.
Kính hiển vi truyền qua điện tử (TEM) là một kỹ thuật tiên tiến được sử dụng để phân tích và nghiên cứu các cấu trúc tinh vi cũng như xác định các nguyên tố trong mẫu vật So với kính hiển vi ánh sáng, TEM cung cấp độ phân giải siêu cao, cho phép quan sát chi tiết hơn về các thành phần của vật liệu.
Vật liệu nanophotonics
2.2.1 Sơ lược về vật liệu nanophotonics 2.2.1.1 Giới thiệu về vật liệu photonics
Nghiên cứu ánh sáng ở quy mô nano đã trở thành một lĩnh vực sôi động, cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát ánh sáng ở các thang đo nhỏ hơn nhiều so với bước sóng quang học Điều này giúp vượt qua các giới hạn do nhiễu xạ ánh sáng gây ra, điều mà các thiết bị truyền thống không thể thực hiện Bằng cách sử dụng kim loại và điện môi cấu trúc nano được thiết kế chính xác thành kiến trúc nano hai chiều (2D) và ba chiều (3D), ánh sáng có thể được phân tán, khúc xạ, hạn chế, lọc và xử lý theo những cách mới mẻ, hấp dẫn hơn so với vật liệu tự nhiên và hình học thông thường.
Kiểm soát ánh sáng ở quy mô nano không chỉ mở ra nhiều hiện tượng mới mà còn tạo ra ứng dụng quan trọng trong công nghệ vi mạch, điện toán quang học, năng lượng mặt trời và y tế, hứa hẹn nhiều khám phá thú vị trong tương lai.
Quang học nano, hay nanophotonics, là lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu về hành vi của ánh sáng ở quy mô nanomet, cũng như sự tương tác giữa ánh sáng và các vật thể có kích thước nanomet.
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics sáng Nó là một nhánh của quang học, kỹ thuật quang học, kỹ thuật điện và công nghệ nano
Các cấu trúc điện môi như nanoantenna và các thành phần kim loại có khả năng vận chuyển và tập trung ánh sáng thông qua các phân cực plasmon bề mặt.
2.2.1.2 Tìm hiểu vật liệu nanophotonics
Nanophotonics (quang âm nano) là nghiên cứu về các đặc điểm kích thước của ánh sáng ở quy mô nanomet và sự tương tác của các vật thể nano với ánh sáng Là một nhánh của quang học, kỹ thuật quang học, kỹ thuật điện và công nghệ nano, nanophotonics thường liên quan đến các cấu trúc điện môi như nanoanten và các thành phần kim loại, cho phép vận chuyển và tập trung ánh sáng thông qua các phân cực plasmon bề mặt.
Do giới hạn của các thiết bị quang học truyền thống như kính hiển vi quang học quét trường gần và kính hiển vi xuyên hầm được kích thích quang, việc nâng cao độ phân giải gặp khó khăn do giới hạn nhiễu xạ Điều này dẫn đến việc ánh sáng chỉ có thể hội tụ thành một vết với đường kính khoảng vài trăm nanomet Vì vậy, nhiều nghiên cứu hiện nay tập trung vào các vật liệu và hiện tượng ở kích thước nanomet, đòi hỏi phải áp dụng các kỹ thuật mới thay vì kỹ thuật truyền thống Ngành nanophotonics đang được thúc đẩy phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu này.
Phạm vi nghiên cứu của nanophotonics bao gồm hai chủ đề chính:
Nghiên cứu tính chất kỳ lạ của ánh sáng ở kích thước nano
Chế tạo ra những thiết bị có hiệu suất cao cho các ứng dụng trong kĩ thuật.
Nghiên cứu hiện nay mở ra cơ hội cách mạng hóa ngành viễn thông với các thiết bị không giao thoa, có tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng thấp, như công tắc điện quang và công tắc quang học trên chip Đây là lĩnh vực công nghệ nano mới, hứa hẹn tiềm năng phát triển lớn trong tương lai.
Một số hình ảnh về hệ thống nanophotonic:
Hình 2-2 Một nguyên mẫu chip quang tử silicon do tập đoàn IBM phát triển [15]
Mạng lưới thần kinh bằng chip quang tử sử dụng nền tảng chip silicon quang tử, mở ra khả năng xử lý thông tin siêu nhanh cho các ứng dụng như radio, tín hiệu điều khiển và tính toán khoa học.
Hình 2-4 Laser tinh thể quang tử công suất cao [16]
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics
Hình 2-5 minh họa sự khác biệt giữa đèn LED không có và có sự tăng cường phát xạ Bên trái là đèn LED không có tăng cường, trong khi bên phải cho thấy sự cải thiện phát xạ nhờ vào sự tán xạ ánh sáng từ các hạt nano bạc (Ag) được nhúng.
Tấm silicon đen với bề mặt quang học điện môi giúp tăng cường ghép và bẫy ánh sáng, trong khi tấm không có bề mặt quang điện môi không đạt được hiệu quả tương tự trong ứng dụng năng lượng mặt trời.
2.2.2 Tính chất, cấu trúc của nanophotonics 2.2.2.1 Cấu trúc nanophotonics
Cấu trúc nanophotonic như tinh thể quang tử (PC) và vùng cấm quang tử (PBG) có hằng số điện môi thay đổi định kỳ trên khoảng cách tương đương với bước sóng ánh sáng cụ thể 𝜆 Các PC có thể được chế tạo dưới dạng một chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D) Khi ánh sáng truyền qua PC, hiệu ứng xảy ra khác biệt so với môi trường đồng chất, nhờ vào giao thoa triệt tiêu qua tán xạ Bragg, tối đa hóa sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt PC với không khí Do đó, tinh thể quang tử được coi là vật liệu quan trọng trong việc điều khiển ánh sáng.
Cấu trúc nano lai là hệ thống bao gồm các hạt nano với bản chất khác nhau như chất keo kim loại, chấm lượng tử bán dẫn, oxit và hạt nano polymer, kết hợp với các phân tử chức năng như photochromic, photoluminescent, electroluminescent và hoạt động từ tính Khoảng cách giữa các hạt nano ảnh hưởng lớn đến cấu trúc của chúng, và có thể được điều chỉnh thông qua việc sử dụng các miếng đệm với kích thước tuyến tính khác nhau Một miếng đệm có hình dạng xác định có thể tác động đến các thông số hóa lý của cấu trúc lai Bằng cách áp dụng quang, điện, nhiệt, và các chất nhạy cảm với pH làm chất đệm, có thể tạo ra vật liệu với đặc tính điều khiển động Ví dụ, các phân tử quang sắc có khả năng thay đổi kích thước tuyến tính khi bị chiếu xạ ánh sáng đã được đề xuất làm chất đệm.
Hình 2-7 Cấu trúc phân tử nanophotonic [19]
Các cấu trúc nano lai có khả năng hình thành theo dạng 3D có trật tự hoặc theo hệ thống fractal, với đặc điểm là cấu trúc nhiều lớp trong không gian Х chiều, đồng thời sở hữu tính năng điều khiển động.
Hình 2-8 Cấu trúc 3D của phân tử nano và định hướng nguyên tố [20]
2.2.2.2 Tính chất tổng hợp ổn định và chức năng hoạt hóa hạt nano Đặc điểm cấu trúc miếng đệm: Đối với một hợp chất để làm việc như một bộ đệm, nó phải bao gồm ít nhất hai nhóm thế để liên kết nó với cả bề mặt của các hạt nano và với phân tử chức năng Liên kết có thể là do tương tác Van der Waals, hydro liên kết, tương tác ion và affine, cộng hóa trị liên kết, và sự hình thành phức tạp; hơn nữa, một số cơ chế ràng buộc có thể được tham gia Các hợp chất phân tử thấp được liên kết tốt nhất với bề mặt của một vật liệu vô cơ bởi các nhóm thay thế dễ bị tương tác cộng hóa trị, affine, tĩnh điện hoặc ion Các chất thay thế có bản chất khác nhau có
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics thể cung cấp liên kết có chọn lọc: ví dụ như nếu một trong số chúng tương tác với các hạt nano và hạt khác, với phân tử chức năng Một cách tiếp cận như vậy hình thành cơ sở của sự tự tổ chức của các cấu trúc.
Ứng dụng của vật liệu nanophotonics
2.3.1 Ứng dụng trong quang học 2.3.1.1 Cấu trúc định kỳ chống phản xạ
Lấy cảm hứng từ đặc tính AR của mắt bướm đêm, nghiên cứu đã chỉ ra rằng các cấu trúc bề mặt có khả năng giảm phản xạ trên dải bước sóng lớn Cấu trúc nano trên cánh ve sầu không chỉ giúp chúng trong suốt mà còn hỗ trợ lẩn trốn khỏi kẻ săn mồi, đồng thời thể hiện tính ưa nước, kháng khuẩn và khả năng tự làm sạch Bề mặt nanophotonics có hệ số phản xạ khoảng 30% trong hồng ngoại gần và trung bình Mặc dù lớp phủ có thể được lắng đọng để giảm phản xạ, hiệu quả chỉ đạt được trong một mức độ nhỏ của dải quang phổ Một cấu trúc nhân tạo, bao gồm dãy kim tự tháp nano kích thước 1 μm, đã được nghiên cứu do tính khả thi trong việc tạo ra thông qua ăn mòn hóa học.
Hình 2-9 (a) Độ trong suốt của cánh ve sầu (b) Cấu trúc nano của cánh ve sầu [26]
Ảnh hưởng của cấu trúc chống phản xạ (AR) được giới hạn trong dải hồng ngoại II, từ 3 đến 5 μm Quan sát từ mắt bướm đêm cho thấy bề mặt chống phản xạ có hai mức độ kết cấu: một cấu trúc tuần hoàn lục giác bước sóng ngắn và một mẫu lục giác "bán tinh thể" sắp xếp ngẫu nhiên Tính toán cho thấy hiệu ứng AR có thể mở rộng dưới 3 μm, vào vùng có thể nhìn thấy Các kết quả thực nghiệm đã cho thấy hiệu suất ấn tượng.
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics cấu trúc hình nón phẳng và phẳng trên cùng được tạo ra bằng phương pháp in thạch bản cực tím sâu và khắc plasma trên silicon (Hình 2-9 a và b) Thay vì tạo mẫu trên đỉnh của hình nón bằng cấu trúc tuần hoàn, bề mặt có thể được làm thô (Hình 2-9 c).
Hình 2-10 (a) Ảnh chụp TEM đầu phẳng được cắt ngắn (b) Chi tiết trên đầu phẳng (c) Bề mặt gồ ghề [27]
2.3.1.2 Kiểm soát bề mặt gồ ghề với số liệu thống kê
Trong các hệ thống quang học, độ nhám bề mặt làm giảm hiệu suất do gây ra tán xạ ánh sáng Việc kiểm soát độ nhám bề mặt cho phép thu được các hàm quang học thống kê Các bề mặt quang học thô ngẫu nhiên có thể được sử dụng để cải thiện độ sâu tiêu điểm của hệ thống hình ảnh, chứng minh khả năng chế tạo các bề mặt gồ ghề với các số liệu thống kê xác định, từ đó kiểm soát sự phân bố ánh sáng phân tán dựa trên tính chất của vật liệu nanophotonics.
Ứng dụng chính của công nghệ này nằm trong truyền thông quang học, đặc biệt là trong mạng viễn thông và mạng lưới tàu điện ngầm Tiềm năng của chip thu phát công suất và chi phí thấp đã tạo ra cơ hội cho các ứng dụng kết nối tầm ngắn trong tính toán hiệu năng cao và trung tâm dữ liệu Ngoài ra, công nghệ này cũng được áp dụng hiệu quả trong hệ thống cảm biến và quang phổ.
2.3.1.4 Chức năng quang học khác
Các chức năng phổ biến trong lĩnh vực quang học bao gồm vận chuyển ánh sáng, lọc bước sóng và ghép nối các phần tử và sợi ngoài chip Những chức năng này được gọi là chức năng thụ động vì ánh sáng không bị thay đổi trong quá trình xử lý Ngoài ra, các chức năng hoạt động liên quan đến các yếu tố quang điện như nguồn sáng, bộ điều chế tín hiệu và bộ tách sóng quang.
Các thiết bị nanophotonics phổ biến bao gồm ống dẫn truyền và định tuyến ánh sáng, bộ lọc bước sóng, khớp nối với sợi quang, cùng với các công nghệ chuyển đổi quang điện và quang điện tử, cũng như laser.
2.3.2 Pin năng lượng mặt trời
Việc sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay gặp nhiều hạn chế, bao gồm thiếu vật liệu hiệu quả về kinh tế và thiết kế sáng tạo để thu hồi nhiệt thải Một sơ đồ nhiệt điện nanophotonic (TNPh-pyro) với siêu vật liệu nhiều lớp và vật liệu pyroelectric đã được phát triển để đồng thời loại bỏ nhiệt thải và chuyển đổi quang nhiệt thành điện năng Khác với các cấu hình nhiệt điện truyền thống, thiết kế này sử dụng bức xạ cận hồng ngoại (NIR) phản xạ ngược, giúp tái sử dụng nhiệt thải và tăng cường sản xuất nhiệt điện mà không hấp thụ quá mức nhiệt mặt trời, đồng thời giữ độ trong suốt của thiết bị Nghiên cứu cho thấy khả năng làm mát phản xạ năng lượng mặt trời lên đến 4,1 o C, trong khi hiệu suất nhiệt điện tử từ hiệu ứng phản xạ ngược cho thấy mức tăng điện áp mạch hở (VOC) 152 % và dòng điện ngắn mạch (ISC) 146 % Hơn nữa, thành phần quang hoạt (TiO2/Cu) trong siêu vật liệu nhiều lớp cung cấp chức năng phân hủy quang hiệu quả cho ô nhiễm không khí.
Hình 2-11 a) Sơ đồ khái niệm nanophotonic-ferroelectric cho TNPh, b) Con đường lắng đọng dẫn đến TNPh, c) Ảnh chụp nguyên mẫu TNPh-pyro [31]
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics
Hình 2-12 a) Sơ đồ ba chiều của thiết kế nanophotonic cho TNPh, b) Ảnh SEM của mặt cắt TNPh, c) Bề mặt của TiO 2 /Cu trung tính, d) Hình ảnh TEM của SiO 2 [32]
Hình 2-13 a) Mẫu nhà có mái che được lắp đặt TNPh (trái) và cửa sổ kính (phải) c) Hình ảnh hồng ngoại của hai nhà chụp lúc 11:30 [33]
Quang học từ lâu đã được xem là phương pháp nhạy cảm nhất để cảm nhận môi trường xung quanh, và những đặc tính này đã được ứng dụng vào các thiết bị cảm biến hiện đại với trọng tâm là độ nhạy cao Nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị cảm biến nhạy bén và ít xáo trộn đã thúc đẩy sự phát triển của các nền tảng mới, vượt qua hiệu suất của các cảm biến hiện tại Đặc biệt, trong các ứng dụng như cảm biến môi trường phân tán, phát hiện hóa chất độc hại, và cảm biến sinh học cho chẩn đoán sức khỏe, yêu cầu về chi phí thấp, tiêu thụ điện năng thấp, và tính đa mục đích là rất quan trọng Những yêu cầu này đã thúc đẩy sự phát triển các phương pháp cảm biến tích hợp nhỏ gọn, với nền tảng quang học tích hợp trở thành lựa chọn hàng đầu cho việc triển khai các thiết bị và hệ thống cảm biến hiện đại.
Nền tảng nanophotonic có tiềm năng lớn nhờ vào tính nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, khả năng tích hợp đa chức năng và độ nhạy cao, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cảm biến Sự tương tác mạnh mẽ giữa vật chất và ánh sáng trong nền tảng này cho phép thực hiện nhiều cơ chế cảm nhận khác nhau như thay đổi chiết suất, phát xạ huỳnh quang và tán xạ Raman.
Hình 2-14 minh họa các thành phần cơ bản của nền tảng cảm biến quang tử tích hợp Tín hiệu quang trong vùng tương tác bị ảnh hưởng bởi cơ chế cảm biến, và đầu ra từ giai đoạn này được phân tích qua nhiều phổ bằng quang phổ kế trên chip, giúp nhận diện các dấu hiệu đặc trưng do quá trình cảm biến tạo ra.
2.3.4 Sản xuất chip với mạng lưới thần kinh nhân tạo quang học
Mạng lưới thần kinh nhân tạo
Mạng lưới thần kinh nhân tạo đang trở thành xu hướng nổi bật trong lĩnh vực điện toán, cho phép máy tính học hỏi nhiều kỹ năng mà trước đây chỉ có con người như nhận diện đối tượng, khuôn mặt, và xử lý ngôn ngữ tự nhiên Những kỹ năng này ngày càng trở nên phổ biến trong công việc của máy móc Do đó, việc phát triển các mạng lưới thần kinh mạnh mẽ hơn đang thu hút sự chú ý lớn, nhằm mở rộng giới hạn của trí tuệ nhân tạo.
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics mạch điện hoạt động giống như các tế bào thần kinh, vì vậy nó còn được gọi là các chip neuromorphic (chip mô phỏng não người) [36].
Alexander Tait and his colleagues at Princeton University in New Jersey have developed an integrated silicon photonic neuromorphic chip that demonstrates exceptionally high computational speed.
Mạng lưới thần kinh đang mở ra một cơ hội mới cho các chip quang tử này.
Mạng lưới thần kinh bằng chip quang tử sử dụng nền tảng chip silicon quang tử, mang đến khả năng xử lý thông tin siêu nhanh cho radio, tín hiệu điều khiển và các tính toán khoa học Điện toán quang học, từ lâu đã là giấc mơ của khoa học máy tính, cho thấy ưu điểm vượt trội với băng thông của lượng tử ánh sáng lớn hơn nhiều so với electron, cho phép xử lý dữ liệu nhanh hơn và hiệu quả hơn Mặc dù các hệ thống quang học chưa được chấp nhận rộng rãi do chi phí cao, nhưng sự phát triển trong lĩnh vực xử lý tín hiệu analog đã mở ra cơ hội mới cho chip quang tử, đáp ứng nhu cầu về tốc độ xử lý đặc biệt nhanh.
PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOPHOTONICS
Phương pháp mẫu
Việc sử dụng các mẫu cứng trong tổng hợp vật liệu nano 1D như thanh nano, dây nano và ống nano mang lại sự linh hoạt trong việc kiểm soát kích thước và hình dạng Các mẫu cứng cho phép điều chỉnh độ dài và đường kính của vật liệu nano, đồng thời kiểm soát mật độ lỗ trên khuôn giúp sản xuất các mảng dây nano với mật độ và năng suất mong muốn Trong quy trình tổng hợp, các lỗ rỗng được lấp đầy bằng dung dịch đơn chất hoặc tiền chất, sau đó trải qua quá trình điện trùng hợp để tạo ra cấu trúc nano polymer tương ứng với kích thước lỗ rỗng Cuối cùng, khuôn mẫu được loại bỏ bằng acid hoặc base để giải phóng các cấu trúc nano tự do Bài viết này sẽ tập trung vào màng khắc theo dõi hạt (PTMs) và Màng Anodic Aluminum (AAO).
3.1.1.1 Màng khắc theo dõi hạt (PTMs)
Màng polymer xốp, đặc biệt là màng polycarbonate, được sử dụng làm khuôn mẫu cứng cho việc tổng hợp dây nano Những màng này, được gọi là màng khắc theo vết hạt (PTMs), có sẵn với nhiều kích cỡ lỗ chân không khác nhau Hình ảnh vi mô của PTMs cho thấy đường kính lỗ của mẫu A là 1μm và mẫu B là 30nm PTMs đã được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp sợi nano và ống nano, với sơ đồ quy trình tổng hợp được minh họa trong hình 3-1 F.
Hình 3-1 trình bày các hình ảnh kính hiển vi điện tử của mẫu cứng, bao gồm: (A) hình ảnh SEM của màng khắc theo vết hạt (PTM) với đường kính lỗ rỗng 1 μm; (B) hình ảnh TEM của bản sao than chì của PTM có lỗ rỗng đường kính 30 nm; và (F) sơ đồ tổng hợp các dây nano và ống nano với sự hỗ trợ của các mẫu cứng polycarbonate khắc rãnh (PC) [40].
Sự trùng hợp của monome trong màng lỗ chân không ảnh hưởng đến đường kính của cấu trúc nano 1D, phụ thuộc vào kích thước lỗ tiêu bản Tuy nhiên, các mẫu PTMs thường được tạo ra ngẫu nhiên thông qua bắn phá ion, dẫn đến cấu trúc xốp không được kiểm soát và tổ chức tốt.
3.1.1.2 Màng Anodic Aluminum Oxide (AAO)
Mẫu AAO với lỗ rỗng hình trụ có đường kính từ 5 đến 270 nm được sản xuất qua quy trình anode hóa hai bước, bắt đầu bằng việc đánh bóng điện tấm nhôm để loại bỏ oxide, sau đó anode hóa trong dung dịch điện phân acid Oxide tạo ra được loại bỏ trong dung dịch chromate, tiếp theo là quá trình anode hóa thứ hai tạo cấu trúc tổ ong trong alumina Kích thước lỗ chân lông có thể điều chỉnh thông qua thành phần, nồng độ, nhiệt độ dung dịch điện phân và điện áp, trong khi chiều dài lỗ hình trụ thay đổi theo thời gian anode hóa Hình ảnh SEM và TEM cho thấy mẫu AAO với lỗ chân lông 70 và 10 nm có hoa văn lục giác, đồng nhất và mật độ cao (1×10^11/cm^2) Vật liệu hữu cơ có thể xâm nhập vào lỗ AAO và được đông đặc từ pha hơi, dung dịch hoặc chất lỏng tiền thân để tạo dây nano hoặc ống nano Sau khi tổng hợp, mẫu AAO được loại bỏ bằng cách nhúng và hòa tan trong dung dịch NaOH.
Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics
Hình 3-2 (C) Hình ảnh SEM của oxit nhôm anốt (AAO) màng có đường kính lỗ 70 nm và (D) TEM hình ảnh của Màng AAO cắt đoạn với đường kính lỗ 10 nm [40]
3.1.2 Mẫu mềm 3.1.2.1 khối Copolymer làm khuôn mẫu
Copolymer khối là mẫu lý tưởng để tổng hợp các vật liệu nano nhờ khả năng tự lắp ráp phân tử thành cấu trúc có trật tự với các miền phân cách pha ở kích thước nano Bằng cách điều chỉnh thành phần khối, hình thái nano của các tổ hợp đồng trùng hợp có thể biến đổi từ hình cầu, hình trụ, lamellae đến kim cương đôi có thứ tự hai lần Để tổng hợp vật liệu nano 1D, copolymer khối sẽ tạo thành hình trụ Qua các phương pháp như khắc ion phản ứng, chiếu xạ UV và xử lý base nhẹ, có thể loại bỏ một khối cụ thể của copolymer một cách chọn lọc Nhờ đó, việc ưu tiên loại bỏ các miền hình trụ sẽ tạo ra các vật liệu nano hoặc kênh nano rỗng, cho thấy màng copolymer khối có thể hoạt động như một khuôn mẫu.
Hình 3-3 minh họa quy trình chế tạo khối copolymer mẫu cho các thanh nano polymer dẫn điện với mật độ siêu cao Ảnh SEM cho thấy khuôn mẫu nano xốp và thanh nano PPy, bao gồm hình ảnh mặt trên và mặt cắt của màng hỗn hợp polystyrene-block-poly(methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) và Poly(methyl methacrylate) (PMMA) trên kính ITO, cùng với hình ảnh mặt trên và mặt cắt ngang của thanh nano PPy sau khi loại bỏ mẫu.
3.1.2.2 Chất hoạt động bề mặt và chất kết tụ dưới dạng mẫu
Chất hoạt động bề mặt là các phân tử lưỡng tính có khả năng tự tập hợp trong dung dịch, tạo thành các cấu trúc nano như micelle khi nồng độ vượt quá nồng độ tới hạn của micelle (CMC) Các micelle này cung cấp môi trường vi mô cho quá trình trùng hợp, ảnh hưởng đến kích thước và hình thái của cấu trúc nano polymer, từ đó bổ sung cho cấu trúc của tổ hợp chất hoạt động bề mặt Ví dụ, quá trình trùng hợp hóa học Polypyrrole (Ppy) trong dung dịch sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate (AOT) tạo ra các sợi dây nano và ống nano có đường kính từ 40 nanomet.
Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics
Hình 3-4 (A) Minh họa quá trình tổng hợp ống nano PPy (2) được hỗ trợ bởi chất hoạt động bề mặt (B) (a) Ảnh SEM và (b) TEM của ống nano PPy (2) [42]
3.1.2.3 Tinh thể lỏng làm mẫu
Sử dụng chất lỏng tinh thể (LC) làm khuôn mẫu mềm đã được chứng minh là hiệu quả trong việc tạo ra vật liệu nano hữu cơ 1D Tinh thể lỏng nematic với trật tự định hướng có khả năng hướng dẫn sự tự lắp ráp của các phân tử nhỏ và polymer trong quá trình tổng hợp cấu trúc nano.
Sợi nano polyme cách điện được điện phân đã chứng minh khả năng làm khuôn mẫu mềm cho việc tổng hợp sợi nano và ống nano từ nhiều loại vật liệu khác nhau Để áp dụng phương pháp này, hình thái và kích thước của sợi lõi đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hình thái và kích thước của ống nano Đặc biệt, vật liệu sợi lõi cần có khả năng quay điện để tạo ra sợi nano siêu mịn.
3.1.2.5 Các phân tử sinh học làm mẫu
Các phân tử sinh học như DNA, protein và túi lipid, cùng với vi sinh vật và nấm, đã được nghiên cứu như những mẫu mềm để tổng hợp các cấu trúc nano hữu cơ và vô cơ Trong số đó, DNA là một trong những mẫu đầu tiên được khám phá Các mẫu phân tử sinh học này được sử dụng để sản xuất dây nano hữu cơ dẫn và bán dẫn DNA có độ ổn định tương đối cao, có khả năng lập trình độ dài và dễ dàng thay đổi chức năng hóa học Phương pháp tổng hợp dựa vào các tương tác không cộng hóa trị giữa DNA và các phân tử khác, như monome và oligome, dẫn đến sự hình thành các vật liệu lai.
Phương pháp Electrospining
Phương pháp electrospinning là kỹ thuật phổ biến trong chế tạo sợi nano, sử dụng lực điện để kéo ra những sợi mảnh từ chất lỏng nhớt Khi áp dụng điện áp cao vào đầu phun và khối thu sợi nối đất, một điện trường lớn được tạo ra Dòng điện nhỏ làm cho đầu phun và dung dịch bị nhiễm điện, khiến các hạt mang điện được gia tốc và kéo dung dịch di chuyển theo chiều của điện trường Kết quả là dung dịch được tăng tốc đều, hình thành sợi mỏng với bán kính từ micromet đến nanomet.
Hình 3-5 Mô tả các khối cơ bản của thiết bị quay điện [44]
Bằng cách điều chỉnh nồng độ dung dịch, độ nhớt, dung môi và cường độ điện trường, chúng ta có thể kiểm soát hình dạng và kích thước của sợi nano Phương pháp này không sử dụng nhiệt độ cao, nên rất phù hợp cho các phân tử kém bền nhiệt Sự tạo thành giọt tại đầu kim phun, dưới tác động của sức căng bề mặt và điện áp thích hợp, giúp tạo ra các sợi nano đa dạng cho các ứng dụng khác nhau Điện áp cao tạo ra lực lớn, làm phá vỡ sức căng bề mặt của giọt chất lỏng, dẫn đến việc kéo dài liên tục các sợi Nhờ vậy, phương pháp này cho phép dễ dàng điều khiển đường kính và chiều dài của các sợi.
Có khả năng sản xuất vật liệu nano dạng sợi với nhiều hình thái khác nhau Hình dạng của sợi phụ thuộc vào các yếu tố của dung dịch và lực tĩnh điện, bao gồm độ nhớt, sức căng bề mặt, nồng độ dung dịch, lưu lượng dung dịch và điện áp.
Kỹ thuật Nanolithography
Một trong những phương pháp phổ biến để chế tạo tấm tinh thể quang tử phẳng 2D là in thạch bản chùm điện tử, trong đó sử dụng một chùm điện tử hội tụ.
Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics được quét xuyên qua một chất nền kháng để tạo ra một khuôn mẫu Độ phân giải của các lỗ trống được tạo ra (10–20 nm) về cơ bản bị giới hạn bởi sự tán xạ của điện tử bên trong và từ điện trở của chất nền Sau đó, các mẫu được chuyển lên chất bán dẫn bằng cách khắc khô (ion phản ứng) khắc Khắc khô có thể được xem là có cơ sở vật lý và hóa học; cái trước liên quan đến sự bắn phá của các ion trong khi cái sau liên quan đến các phản ứng hóa học giữa chất bán dẫn được khắc và các ion Ngoài ra, hạn chế chính của kỹ thuật in thạch bản chùm điện tử là một quá trình nối tiếp nên nó hạn chế cho việc sản xuất khối lượng lớn [17].
Kỹ thuật Nanolithography là quy trình in tạo ra nhiều bản sao ở quy mô nanomet, với nhiều phương pháp khác nhau như in thạch bản chùm điện tử (EBL), in thạch bản đầu dò quét (SPL) và in thạch bản mềm Phương pháp này cho phép tổng hợp các dây nano hữu cơ bán dẫn với khả năng kiểm soát chính xác về hướng, kích thước, tỷ lệ co và chu kỳ trên màng mỏng bán dẫn hữu cơ Các mẫu có thể trở thành dây nano riêng biệt hoặc không, và thường có cấu trúc vô định hình, ngoại trừ một số trường hợp tự lắp ráp của các phân tử được định hướng.
3.3.1 Quang khắc chùm điện tử (EBL)
Phương pháp in khắc chùm tia điện tử (EBL) là một kỹ thuật tạo mẫu nano không sử dụng mặt nạ, vượt qua giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng mà các phương pháp quang khắc thông thường gặp phải EBL sử dụng chùm tia điện tử quét để tạo ra các mẫu trên màng mỏng đã được thiết kế Đặc biệt, EBL có khả năng tạo ra các mẫu với độ phân giải cao, có kích thước nhỏ hơn 100 nm.
3.3.2 Phương pháp in bản đầu dò quét (SPL)
Kỹ thuật in thạch bản đầu dò quét (SPL) là một phương pháp mạnh mẽ có khả năng xử lý các vị trí với độ phân giải không gian dưới 10 nm Các ứng dụng của SPL bao gồm quét quang khắc trường gần, quét phân tán nano hóa nhiệt, quét kỹ thuật in thạch bản điện hóa và kỹ thuật in nano bút nhúng, tất cả đều được sử dụng để tổng hợp dây nano bán dẫn hữu cơ Sự đa dạng của kính hiển vi thăm dò quét (SPM) với nhiều biến thể khác nhau đã dẫn đến sự phát triển của các kỹ thuật phân tích nano dựa trên PSL theo nhiều hướng khác nhau.
3.3.3 In Nanoimprint và kỹ thuật in bản mềm
Kỹ thuật in thạch bản mềm là một phương pháp ít được biết đến, sử dụng con tem đàn hồi để tạo ra cấu trúc bên trong vật liệu với kích thước từ khoảng 30 nm đến 500 μm Con tem này được chế tạo bằng cách đúc một tiền chất đàn hồi lên bề mặt của một bản gốc có hoa văn, được sản xuất thông qua các phương pháp như in thạch bản quang học, quang khắc điện tử hoặc vi gia công.
Nanoimprint, hay còn gọi là in nổi, là phương pháp chế tạo mẫu quy mô nanomet được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực in mềm Đây là quy trình in Nanolithography đơn giản, có chi phí thấp, thông lượng cao và độ phân giải tốt Phương pháp này tạo ra các mẫu thông qua việc biến dạng cơ học của điện trở in và các quy trình tiếp theo.
Kỹ thuật in nanoimprint và in thạch bản mềm được xem là những phương pháp tiềm năng thay thế cho quang khắc truyền thống, nhờ vào độ phân giải cao, hiệu quả chi phí và khả năng tạo mẫu diện tích lớn.
3.3.4 Kỹ thuật in bản giao thoa
Kỹ thuật in thạch bản giao thoa không có mặt nạ (IL) hay in thạch bản ba chiều là phương pháp tạo mẫu trong bộ quang học thông qua sự chồng chéo của các sóng điện từ Mô hình giao thoa 3D có thể thực hiện bằng một phần tử nhiễu xạ đơn thay vì bộ tách chùm Các cấu trúc 2D và 3D, tương tự như tinh thể keo, có thể kết hợp các vật liệu có chỉ số khúc xạ cao cho ứng dụng photonic crystal (PC) Hơn nữa, IL cho phép chế tạo trực tiếp PC 3D từ chất cảm quang kính chalcogenide với chỉ số cảm quang cao.
Kỹ thuật ghi trực tiếp bằng laser (DLW)
Sự phát triển của laser cực nhanh đã mở ra khả năng chế tạo mẫu PC thông qua ghi laser trực tiếp (DLW) Trong quá trình này, tia laser được tập trung vào chất cản quang hoặc nhựa lỏng, kích thích hấp thụ phi tuyến hai photon hoặc cao hơn tại vị trí cụ thể Hấp thụ này có thể dẫn đến hư hỏng quang học hoặc phản ứng quang phân tử Chất cản quang được lựa chọn để đảm bảo tính trong suốt đối với bước sóng laser ở mức một photon, nhưng lại quang hoạt khi hấp thụ phi tuyến, từ đó đảm bảo sự sửa đổi cảm ứng quang học diễn ra chính xác tại mặt phẳng tiêu điểm mong muốn.
Các loại khác của Photonic crystals (PCs)
Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics
Hầu hết các tinh thể photonic (PC) được chế tạo từ vật liệu điện môi, tuy nhiên, việc sử dụng vật liệu kim loại trong xây dựng cấu trúc tuần hoàn của PC mang lại một số ưu điểm Đặc biệt, các PC kim loại thường có giá thành rẻ hơn so với các cụm điện môi và nhẹ hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều ứng dụng khác nhau.
3.5.2 PCs có thể điều chỉnh được
Hiện nay, nhiều người quan tâm đến việc chế tạo tinh thể quang học (Photonic crystal - PC) với các đặc tính có thể thay đổi để thích ứng với kích thích bên ngoài, mở ra tiềm năng ứng dụng trong chuyển mạch quang học và cảm biến Các PC có thể điều chỉnh để thể hiện các bước sóng hoặc cường độ nhiễu xạ khác nhau khi tiếp xúc với các kích thích vật lý hoặc hóa học Một phương pháp chế tạo được đề cập là sử dụng các khối xây dựng tự đáp ứng, trong khi phương pháp khác là giới thiệu tài liệu đáp ứng vào các khoảng trống của PC để tạo ra cấu trúc tổng hợp Vật liệu sử dụng cho PC đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng tương thích với các kích thích bên ngoài.
Kích thích vật lý thường được thực hiện thông qua sự thay đổi nhiệt độ, có thể đạt được bằng cách đốt nóng hoặc sử dụng tia laser.
Kích thích hóa học là một phương pháp đơn giản để điều chỉnh đặc tính của polymer composite (PC) thông qua việc xâm nhập vào cấu trúc xốp bằng dung môi và hơi, dẫn đến sự thay đổi trong chỉ số khúc xạ Các polymer composite được làm từ hydrogel và chức năng hóa bằng hợp chất crown ethers có khả năng liên kết chọn lọc với các ion như Pb 2+ và Ba 2+.
Khi K+ vào mạng lưới gel, nó gây ra hiện tượng sưng lên do áp suất thẩm thấu tăng, kết quả từ thế Donnan phát sinh từ sự tương tác của các ion ngược chiều với các cation.