tiểu luận tốt nghiệp đề tài: one-dimensional photonic crystals

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO VÀ MÀNG MỎNG  TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI ONE-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTALS GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG SINH VIÊN THỰC HIỆN NGUYỄN ĐỨC VƯƠNG HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO VÀ MÀNG MỎNG  TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI ONE-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTALS GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG SINH VIÊN THỰC HIỆN NGUYỄN ĐỨC VƯƠNG HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 Lời cảm ơn Lời đầu tiên,em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG tận tình hướng dẫn em hồn thành luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô trường đại học khoa học tự nhiên giảng dạy em năm học đại học em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô khoa KHOA HỌC VẬT LIỆU chuyên nghành Vật Liệu Nano & Màng Mỏng tận tình dạy giúp đỡ em tích lũy kiến thức vơ quý báu Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành tới bạn lớp màng mỏng K10 giúp đỡ năm học qua SINH VIÊN Nguyễn Đức Vương MỤC LỤC Mục lục……………………………………………………………… Mở đầu I Tổng quan tinh thể photonic……………………………………… Tinh thể quang tử chiều……………………………………………… 1.1 Màng đa lớp…………………………………………………………… 1.2 Bản chất vật lý vùng cấm quang……………………………… 1.3 Kích thước vùng cấm quang………………………………………… 1.4.Trạng thái mờ vùng cấm photonic………………………………… 1.5 Định vị ánh sáng sai hỏng………………………………………… 1.6 Định vị ánh sáng trạng thái bề mặt……………………………………… 1.7 Gương ph ản xạ hướng……………………………………………… Các phương pháp tính đến chiều xác định tinh thể…………………… 2.1 Phương pháp tính phần đến chiều xác định tinh thể…………… 2.1.1 Các ma trận chuyển đổi……………………………………………… 2.1.2 Phương pháp mạng cách tử nhiễu xạ………………………………… Phương pháp chế tạo PC 1D sở ăn mịn điện hố phiến silic… Kết luận………………………………………………………………………… Nguyễn Đức Vương MỞ ĐẦU Tinh thể quang tử (PC) loại vật liệu mới, chế tạo dựa ý tưởng tương tự nhiều mặt photon điện tử PC vật liệu có cấu trúc tuần hồn số điện mơi mà biểu tương tác mạnh với ánh sáng có chu kỳ tuần hồn cỡ bước sóng ánh sáng Các photon chuyển động tinh thể qua vùng có chiết suất cao xen kẽ với vùng có chiết suất thấp Đối với photon tương phản chiết suất giống tuần hoàn mà electron bị tác dụng qua tinh thể điện tử Do tính tuần hoàn dẫn đến tinh thể quang tử xuất vùng cấm quang (PBG): tức có dải tần số photon khơng thể truyền qua cấu trúc PC chặn ánh sáng với bước sóng nằm vùng cấm quang, cho phép bước sóng khác truyền qua tự do.Vùng cấm phụ thuộc vào góc, tạo màu sắc phản xạ thay đổi rõ rệt theo góc Các PC sử dụng để điều khiển, giam giữ xạ tự phát thiết kế nguồn xạ PC PC có chứa khuyết tật (là dạng tinh thể quang tử có chứa cộng hưởng chất lượng cao tạo định xứ mạnh bên khuyết tật) sử dụng để điều khiển phát xạ tự phát cải thiện đặc tính laser Tuỳ thuộc vào dạng PC sử dụng (có khơng có khuyết tật) mà nguồn tạo đơn sắc đa sắc tức laser điốt phát quang PC sử dụng chất cách quang hồn hảo khơng có mát, ứng dụng PC dựa tính chất giam giữ ánh sáng buồng vi cộng hưởng tần số ánh sáng nằm vùng cấm quang tinh thể quang tử Các thiết bị phát triển dựa tính chất PC buồng vi cộng hưởng , ống dẫn sóng vị trí dẫn sóng uốn cong đột ngột , tách sóng , nối kết hợp Ngoài ra, ứng dụng quan trọng PC để chế tạo phần tử phi tuyến mạch tích hợp quang phần tử lưu trữ thông tin quang , phần tử lơgíc hạn chế lượng quang Đây linh kiện then chốt chế tạo nên hệ thống máy tính lượng tử tương lai Nguyễn Đức Vương Hiện nghiên cứu PC 1D chế tạo phương pháp ăn mịn điện hố phiến silic giới hướng tới: - Cải tiến chất lượng điều khiển xác vùng hoạt động PC 1D để hướng tới ứng dụng làm lọc quang học, buồng vi cộng hưởng, ống dẫn sóng, sensor hoá sinh,… - Đưa tâm phát xạ vào buồng cộng hưởng PC 1D, nghiên cứu phát xạ để tạo thiết bị điều khiển giam giữ ánh sáng, laser phát mặt chế tạo nguồn sáng - Mô để nghiên cứu tính chất quang PC 1D, xem xét phù hợp mô thực nghiệm từ điều khiển xác q trình chế tạo PC 1D Vì nghiên cứu chế tạo PC 1D có chất lượng tốt (các lớp có chiết suất cao thấp nằm xen kẽ đặn, phổ phản xạ có cường độ phản xạ cao, mẫu đồng không bị rạn nứt) phương pháp ăn mịn điện hố phiến silic nhằm mục đích chế tạo lọc quang học, buồng vi cộng hưởng sở PC 1D, khảo sát tính chất quang chúng Nguyễn Đức Vương I Tổng quan tinh thể photonic Một lĩnh vực vật liệu nano tinh thể photonic, tinh thể thể cấu trúc điện mơi tuần hồn với chu kỳ lặp lại có kích thước so sánh với bước sóng ánh sáng, biểu lộ tương tác mạnh với ánh sáng Hiện có nhiều nghiên cứu trình quang học tinh thể photonic hứa hẹn nhiều ứng dụng cơng nghệ, bao gồm máy tính thơng tin quang Các tinh thể photonic cấu trúc điện từ tuần hoàn theo (1D), hai (2D) ba chiều (3D) Chúng thường có vùng cấm quang: tức có dải tần số photon khơng thể truyền qua cấu trúc Chu kỳ tuần hoàn tinh thể tỷ lệ với bước sóng anh sáng vùng cấm Hình Cấu trúc tinh thể photonic 1D, 2D 3D cấu trúc tuần hồn sốđiện mơi vật liệu Các cấu trúc ứng với không gian 1D, 2D hay 3D Cấu trúc 3D có phù hợp tốt, tương tự cấu trúc chất rắn Có thể coi tinh thể photonic mạng nhiễu xạ quang học theo 1, chiều Khi lý thuyết biết đến mạng hồn tồn áp dụng trường hợp mạng tinh thể photonic Sự khác mạng thường sử dụng bề mặt ranh giới với mơi trường ngồi, tinh thể photonic dùng bên Nguyễn Đức Vương Các cấu trúc tinh thể photonic nhận vào năm 1987 Eli Yablonovich, sau Bell Communications Research New Jersey Vào năm 1991, Yablonovich cộng chế tạo tinh thể photonic lỗ khoan học có đường kính cỡ milimet khối vật liệu có chiết suất 3,6; ngăn cản lan truyền sóng micro theo hướng nào-nói cách khác, thể vùng cấm quang 3D Hiện nay, giới Việt Nam có nhiều nghiên cứu chế tạo tính chất tinh thể photonic, hướng nghiên cứu nghiên cứu chế tạo tinh thể photonic chế tạo tinh thể photonic 1D tinh thể opal nhân tạo 3D, việc đưa chấm lượng tử vào opal hướng nghiên cứu số phịng thí nghiệm giới Tính cấp thiết - Khoa học công nghệ nano trở thành lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh năm gần - Việc chế tạo tinh thể photonic có nhiều hứa hẹn ứng dụng kỹ thuật điện tử, viễn thông máy tính Tinh thể quang tử chiều Phân tích tinh thể quang tử chiều với mục đích chế tạo thành công lọc quang học buồng vi cộng hưởng sở PC 1D dựa phương pháp ăn mịn điện hố phiến silic Trong cấu trúc đơn giản thấy rõ Nguyễn Đức Vương số tính chất quan trọng tinh thể quang tử nói chung vùng cấm quang mode định xứ xung quanh khuyết tật Các tính chất quang PC 1D biết rõ cách thể kết theo cấu trúc vùng vùng cấm quang, xem xét tượng phản xạ đa hướng chuẩn bị cho hệ thống hai chiều ba chiều phức tạp 1.1 Màng đa lớp Các tinh thể quang tử đơn giản nhất, tinh thể quang tử chiều thể hình hệ thống bao gồm lớp vật liệu với số điện mơi khác cịn gọi màng đa lớp Cách truyền thống để phân tích hệ thống tưởng tượng sóng phẳng truyền qua vật liệu xem xét tổng sóng phản xạ sau phản xạ mặt phân cách hai mơi trường Ngồi tiếp cận theo cách khác phân tích cấu trúc vùng, cách tiếp cận đơn giản để tổng quát tinh thể quang tử phức tạp, tinh thể quang tử hai ba chiều Bằng cách áp dụng lập luận đối xứng, mơ tả mode điện từ truyền tinh thể Các vật liệu tuần hoàn theo trục oz đồng mặt phẳng xy Hình :màng điện môi đa lớp ( tinh thể photonic 1D ) Thuật ngữ “một chiều” sử dụng giá trị hàm điện mơi εz tuần hoàn theo trục z Cấu trúc gồm lớp vật liệu với chiết suất khác có giá trị không đổi nằm xen kẽ (Màu xanh xanh da trời) với chu kỳ không gian a Nguyễn Đức Vương Chúng ta tưởng tượng lớp đồng mở rộng vô hạn theo trục x y, tuần hoàn theo trục z mở rộng vô hạn Như biết, phân loại mode sử dụng k//, kz n (tương ứng vectơ sóng mặt phẳng, vectơ sóng theo trục z số vùng) Các vectơ sóng xác định cách mà mode biến đổi thơng qua tốn tử số lượng vùng tăng theo tần số Ta biểu diễn mode dạng hàm Bloch theo phương trình (1.1) Sử dụng kết biết vecto sở az vecto sở mạng đảo (2π/a)z vùng Brillouin –π/a