Plasmonics và ứng dụng trong chế tạo thiết bị dẫn sóng Plasmon

Plamon có rất nhiều ứng dụng tiềm năng, một số ứng dụng mà chúng ta có thể thể kể đến là những ứng dụng như chế tạo chíp plasmon Plasmonic chip, nguồn phát quang Light Generator, trong q

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

======

NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG

PLASMONICS VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO THIẾT BỊ DẪN SÓNG PLASMON

\

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGHỆ AN, 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Trang phụ bìa

NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG

PLASMONICS VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO THIẾT BỊ DẪN SÓNG PLASMON

Lời cảm ơn

Bản luận văn này được hoàn thành nhờ quá trình nỗ lực của bản thân và

sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS TS Nguyễn Hồng Quảng Thầy đã đặt bài toán, tận tình hướng dẫn, luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, được học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy là một niềm vinh dự lớn lao Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS TS Nguyễn Hồng Quảng về sự giúp đỡ quý báu và nhiệt tình đó

Tôi cũng xin phép được cảm ơn các thầy cô đã tham gia giảng dạy, đào tạo tại lớp Quang học 21, cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý và Công nghệ, Phòng đào tạo sau đại học, Ban lãnh đạo Trường Đại học Vinh, Ban lãnh đạo Trường Đại học Kinh tế – Kỹ thuật Long An đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu tại cơ sở đào tạo

Tôi bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các anh, chị học viên lớp Cao học 21 – chuyên ngành Quang học tại Trường Đại học Kinh

tế – Kỹ thuật Long An đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn !

Tác giả

Mục lục

Trang phụ bìa i

Lời cảm ơn ii

Mục lục 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PLASMON 6

1.1 Giới thiệu về plasmon 6

1.2 Phạm vi ứng dụng 7

1.3 Một số ứng dụng của Plasmonics 10

1.3.1 Chip Plasmon 10

1.3.2 Tạo ta nguồn sáng 11

1.3.3 Quang khắc nano 14

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ỐNG DẪN SÓNG PLASMON 18

2.1 Ống dẫn sóng (waveguide) 18

2.1.1 Tổng quan 18

2.1.2 Vai trò của ống dẫn sóng trong thông tin quang 23

2.2 Ứng dụng plasmon trong chế tạo thiết bị dẫn sóng điện từ 28

2.2.1 Chế tạo thiết bị dẫn sóng Plasmon 28

2.2.2 Ứng dụng plasmon trong chế tạo ống dẫn sóng 29

KẾT LUẬN 44

Tài liệu tham khảo 47

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Như ta đã biết ngành điện tử học (Electronics) là ngành công nghệ nghiên cứu về vật liệu, thiết bị, linh kiện liên quan đến điện tử (electron), ngành quang tử học (Photonics) sẽ tập trung nghiên cứu về các vật liệu, thiết bị và các linh kiện liên quan đến hạt ánh sáng (photon) Đến nay mỗi lĩnh vực đều đã đạt được những thành tựu nhất định, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống con người trên toàn thế giới

Tuy nhiên, với nhu cầu của con người về khoa học kỹ thuật ngày càng cao, đặc biệt là nhu cầu trao đổi thông tin Mặc khác, kỹ thuật truyền thông tin

kỹ thuật số có yêu cầu là thông tin phải truyền đi ngày càng nhanh hơn; khối lượng thông tin ngày càng lớn hơn, khoảng cách truyền đi ngày càng xa hơn, chất lượng thông tin ngày càng chính xác, trung thực hơn Để đáp nhu cầu ngày càng cao và yêu cầu ngày càng khắt khe đó, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu, nhằm tìm ra các giải pháp tối ưu nhất

Để làm được điều đó, một mặt người ta tìm cách thu nhỏ kích thước linh kiện Mặt khác, người ta tăng tốc độ xử lý tín hiệu Tuy nhiên, càng thu nhỏ kích thước thì sự trễ về thời gian của việc truyền tín hiệu trong mạch điện tử cũng càng tăng lên; tốc độ xử lý càng tăng thì thời gian mỗi xung nhịp sẽ giảm xuống và kết quả là độ trễ sẽ trở thành vấn đề lớn Hậu quả là khả năng tích hợp các linh kiện quang tử thành những “chip” giống như mạch tích hợp điện tử (IC) gặp trở ngại Ngoài ra, trong quang học ta đã biết về “giới hạn nhiễu xạ”, nghĩa

là khi kích thước linh kiện nhỏ đến một mức nào đó thì hiện tượng nhiễu xạ sẽ xảy ra Điều đó không cho phép giảm kích thước linh kiện đến một giới hạn nhiễu xạ (tùy thuộc vào tần số, hay bước sóng ánh sáng truyền qua) Nói cách khác, khả năng thu nhỏ kích thước từng linh kiện, hay tăng số lượng linh kiện trong một thiết bị vĩ mô sẽ bị giới hạn

Để vượt qua giới hạn đó, Plasmonics cung cấp một giải pháp khả quan Thay vì dùng electron trong linh kiện điện tử hay photon trong linh kiện quang tử, người ta có thể dùng hạt “plasmon” Plasmon là lượng tử hóa các plasma điện tử dao động (plasma oscillation) Plasmon có dạng là các giả hạt, tương tự như photon, plasmon là kết quả của sự lượng tử hóa dao động trong mạng tinh thể

Sự phát hiện plasmon, cùng với sự ra đời của Plasmonics – ngành khoa học công nghệ liên quan đến việc chế tạo, mô tả, đo đếm, xử lý… các plasmon, đã tạo ra một làn sóng bùng nổ trên thế giới những năm gần đây Đặc biệt là các plasmon ở bề mặt kim loại, với khả năng kết hợp với các photon tới, tạo thành các giả hạt gọi là SPP (surface plasmon polariton) Số lượng các công trình khoa học liên quan đến SPP đã tăng theo hàm mũ trong những năm gần đây (Hình 1) Điều đó cho thấy sức hấp dẫn của lĩnh vực đầy mới mẻ, thú vị này

Hình 1 - Số lượng công trình nghiên cứu liên quan đến SPP từ 1955 đến 2005

Plamon có rất nhiều ứng dụng tiềm năng, một số ứng dụng mà chúng

ta có thể thể kể đến là những ứng dụng như chế tạo chíp plasmon (Plasmonic chip), nguồn phát quang (Light Generator), trong quang khắc nano (Nanolithography) hay thiết bị dẫn sóng plasmon

Nghiên cứu về plasmon, đặc biệt là các SPP và khả năng ứng dụng của SPP trong công nghệ truyền thông tin quang, cụ thể là thiết bị dẫn sóng đã được nhiều nhóm nghiên cứu triển khai thể hiện Tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và chất liệu tạo nên plasmon khác nhau mà thiết bị dẫn sóng plasmon có những đặc tính khác nhau và phạm vi ứng dụng cũng rất khác nhau Trong đó sự phong phú về hình dạng hình học cũng như chất liệu là một nguồn các đề tài để nghiên cứu và khám phá

Để nâng cao kiến thức về một lĩnh vực mới mẻ, hấp dẫn như

photonics, đặc biệt là plasmonics, tôi chọn đề tài “Plasmonics và ứng dụng trong chế tạo thiết bị dẫn sóng plasmon” cho luận văn cao học của mình

2 Mục đích của đề tài

Thông qua việc thực hiện đề tài, tác giả có cơ hội tìm hiểu và làm giàu thêm kiến thức về quang học, quang tử học hiện đại đặc biệt là photonics và plasmonics

Áp dụng những kiến thức có được vào giảng dạy vật lý phổ thông Góp phần giải thích các thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại và giải thích nhiều

hiện tượng vật lý nói chung và của quang học nói riêng

3 Mục tiêu

Có được kiến thức sâu sắc về quang tử học từ đó giải thích được nhiều hiện tượng quang học phi tuyến như: sự tương tác giữa ánh sáng với vật chất, quá trình truyền thông tin số trong các cáp quang, các hiệu ứng xảy trong những

môi trường đặc biệt,…

Thu thập được các kiến thức chuyên sâu về quang học hiện đại Giải thích được các hiện tượng quang học trong thực tế

4 Nội dung nghiên cứu

Kiến thức chung, tổng quát về quang tử học (Photonics) và Plasmonics

Tập trung đi sâu về khả năng ứng dụng của plasmonics trong chế tạo thiết bị dẫn sóng plasmon

5 Phương pháp nghiên cứu

Đọc, tìm hiểu, tham khảo các tài liệu về plasmonic, những ứng dụng

của plasmonic, đặc biệt trong chế tạo thiết bị dẫn sóng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PLASMON 1.1 Giới thiệu về plasmon

Plasmon là sự lượng tử hóa dao động của lớp điện tử bề mặt (gọi là plasma oscillation) Plasmon có thể kết hợp (cộng hưởng) với sóng điện từ để tạo ra dạng giả hạt khác là polariton Ta có thể hiểu khái niệm plasmon bề mặt là

sự dao động của điện tử tự do ở bề mặt của hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự

do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha Khi kích thước của một tinh thể nano nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt xuất hiện

Khi tần số photon tới cộng hưởng với tần số dao động của electron tự

do ở bề mặt, sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng Thông thường, các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước của hạt nano Nhưng khi kích thước của hạt nano nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong các hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện (hình 1.1) Dao động lưỡng cực của các điện tử được hình thành với một tần số f nhất định Hạt nano kim loại trơ có tần số cộng hưởng trong dải ánh sáng nhìn thấy được Một ví dụ minh hoạ cho hiện tượng này là cái chén có hình vua

Lycurgus được trưng bày ở Bảo tàng Anh có niên đại ở thế kỷ thứ tư Cái chén này có mày xanh lục khi khi ta chiếu ánh sáng thừ phía ngoài và có màu đỏ khi

ta chiếu ánh sáng từ phía trong cái chén như hình (1.2) [10]

Hình 1.1 – Lưỡng cực điện của hạt nano

Hình 1.2 – Cái chén hình vua Lycurgus phản chiếu màu sắc khác nhau khi chiếu ánh sang từ phía ngoài chén (a) và từ phía trong chén (b) [10]

1.2 Phạm vi ứng dụng

Các mạch điện giúp chúng ta có thể điều khiển quá trình vận chuyển

và lưu trữ các electron Tuy nhiên, hiệu suất của các mạnh điện tử hiện nay tương đối hạn chế khi áp dụng trong việc gửi thông tin số từ vị trí này đến vị trí khác Photonics là một giải pháp tối ưu cho vấn đề truyền thông tin thông qua

việc triển khai ứng dụng các hệ truyền thông quang học dựa trên sợi quang và các mạch photonic Nhưng mà các thành phần cồng kền của photonic có kích thước micro đã gây trở ngại cho việc tích hợp những thành phần này vào các chip điện tử, hiện nay những chip này có kích thước cỡ nano Các mạch plasmon

bề mặt hợp nhất điện tử và photonic ở thang nano cho phép chúng ta giải quyết vấn đề tương thích kích thước này

Các bộ vi xử lý hiện nay gồm những transistor siêu nhanh với kích thước vào khoảng 50 nm Mặc dù hiện nay việc chế tạo transistor nhanh là một công việc bình thường, nhưng sẽ có nhiều khó khăn trong quá trình mang thông tin số sang đầu kia của bộ vi xử lý cách đó vài cm Trong bộ vi xử lý này ta sử dụng các kết nối dây đồng để mang thông tin số, việc tăng số kết nối có thể đáp ứng được nhu cầu cần thiết khi số transistor tăng theo hàm mũ Không giống như transistor (hiệu suất được cải thiện khi tăng số lượng), đối với các kết nối dây đồng khi số lượng tăng thì độ trễ của các kết nối tăng và sẽ hạn chế đáng kể tốc độ của các mạch số [14] Hiện tượng này càng thể hiện rõ hơn trong khoảng

từ 1 đến 2 năm qua, vì độ tăng tốc độ xung nhịp hàng năm của các bộ vi xử lý đã giảm đi rất nhiều Các kết nối quang học chẳng hạn như cáp quang có thể mang

dữ liệu số với dung lượng lớn hơn 1000 lần các kết nối điện tử Tuy nhiên, các sợi cáp quang lớn hơn 1000 lần so với các thành phần điện tử, và hai công nghệ khó kết hợp trên cùng một vi mạch Các nhà khoa học đã đề xuất các liên kết quang học ngoài có thể kết nối các phần khác nhau của chip điện tử qua không khí hoặc các sợi cáp Tuy nhiên, cấu hình cồng kền đã gây khó khăn cho việc triển khai ý tưởng này Giải pháp lí tưởng cho vấn đề này là cần phải có một mạch có các đặc tính nano để mang tín hiệu quang học và dòng điện Các nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng plasmon bề mặt, đó chính là những sóng điện từ truyền dọc theo bề mặt vật dẫn Sự tương tác giữa ánh sáng với vật chất trong các cấu trúc kim loại nano đã dẫn đến sự hình thành một ngành photonic mới được gọi là plasmonics Các mạch plasmon có thể mang các tín hiệu quang học

và dòng điện qua mạch kim loại mỏng, thông qua đó giúp chúng ta có thể kết hợp các lợi thế của kỹ thuật cao cấp photonic và điện tử trên cùng một chip.

Yếu tố quan trọng nhất cản trở việc sát nhập các mạch quang học và điện tử là kích thước tương ứng của hai mạch này Các mạch điện tử có thể chế tạo ở kích thước dưới 100 nm Mặt khác, bước sóng của ánh sáng dùng trong các mạch photonic vào khoảng 100 nm Khi kích thước của một thành phần quang học gần bằng bước sóng ánh sáng, sự lan truyền của ánh sáng bị cản trở

do nhiễu xạ quang học, điều đó áp đặt một giới hạn về kích thước cực tiểu của các cấu trúc quang học bao gồm thấu kính, sợi quang và các mạch tích hợp quang học Plasmonics có thể giúp chúng ta giải quyết được vấn đề này, vì plasmonic có những khả năng của photonic và khả năng thu nhỏ kích thước của thiết bị điện tử Plasmon bề mặt (các SP) giúp chúng ta có thể giam cầm ánh sáng ở một khu vực rất nhỏ Các SP là những sóng ánh sáng xuất hiện tại bề mặt phân cách kim loại/điện môi, trong đó một nhóm electron chuyển động qua lại Những sóng này bị bẫy gần bề mặt khi các sóng này tương tác với plasma electron gần bề mặt kim loại Tương tác cộng hưởng giữa các dao động điện tích electron gần bề mặt kim loại và sóng điện từ của ánh sáng tạo ra SP và dẫn đến những tính chất khá độc đáo Các SP bị giam ở bề mặt kim loại có trường suy giảm theo hàm mũ ở cả hai môi trường lân cận Chiều dài suy giảm của các SP trong kim loại được xác định qua độ dày, có độ lớn khoảng 10 nm-nhỏ hơn hai bậc về độ lớn so với bước sóng của ánh sáng trong không khí Tính chất này của các SP cho phép chúng ta tập trung và dẫn ánh sáng trong các cấu trúc kim loại

có kích thước dưới bước sóng, và do đó có thể được dùng để thiết kế các mạch quang-điện nhỏ Các mạch quang điện tử plasmon, hoặc các chip plasmon sẽ bao gồm nhiều thành phần khác nhau chẳng hạn như ống dẫn sóng, chuyển mạch, các bộ điều chế và các bộ ghép, có khả năng mang tính hiệu quang đến các phần khác nhau của mạch

Người ta đã dùng Plasmon trong việc chế tạo hiệu ứng Plasmon, chế tạo nguồn sáng, ứng dụng trong hiện tượng quang khắc nano, và một số thiết bị dẫn sóng khác

1.3 Một số ứng dụng của Plasmonics

1.3.1 Chip Plasmon

Các chip Plasmon sẽ có các cổng đầu vào và đầu ra quang học, những cổng này sẽ được kết nối quang học với các thiết bị photonic thông thường qua các bộ ghép plasmonic [12] Các bộ ghép cần phải có hiệu suất cao, chiều dài lan truyền phải lớn hơn bước sóng quang học để tránh ghép trực tiếp với ánh sáng đang truyền tới các thiết bị nano photonic bên trong chip plasmonic Vật liệu chế tạo bằng các hạt nano kim loại bán cầu đóng vai trò như chất cô đặc plasmon và ống dẫn sóng plasmon

Khi plasmon hội tụ di chuyển vào bộ ghép, chiều dài lan truyền qua

bộ ghép là 4.0 µm Các hạt nano cũng có thể được dùng để hội tụ các SP thành một chấm có cường độ trường cao gần với độ rộng nhưng phải nhỏ hơn bước sóng Việc kiểm soát tích cực các plasmon là yêu cầu cần thiết để thiết kế các bộ điều biến và chuyển mạch plasmon Các tín hiệu plasmon trong ống dẫn sóng kim loại trên điện môi chứa môi trường vật liệu gali có bước sóng vài micro mét

có thể điều khiển hiệu quả bằng cách chuyển pha cấu trúc của gali [1] Quá trình chuyển pha này có thể tiến hành bằng cách thay đổi nhiệt độ ống dẫn sóng hoặc bằng một kích thích quang học bên ngoài Độ sâu điều biến tín hiệu có thể lớn hơn 80% và thời gian chuyển có thể đạt tới thang thời gian pico giây Các nhà khoa học đã chế tạo thành công thiết bị plasmon bằng cách kết hợp các màng polyme mỏng chứa phân tử màu với màng mỏng bạc [15] Thiết bị plasmon phân tử gồm hai lớp polyme, một lớp chứa các phân tử màu và lớp còn lại chứa các phân tử nhận có khả năng phát huỳnh quang Người ta thấy rằng các SP ghép có thể truyền năng lượng kích thích từ các phân tử cho sang các phân tử nhận ở phía đối diện của màng kim loại dày đến 120 nanomet Các phân tử cho

hấp thụ ánh sáng tới và chuyển năng lượng sang các phân tử nhận thông qua các tương tác lưỡng cực-lưỡng cực Sau đó, các phân tử nhận sẽ phát ra phổ huỳnh quang đặc trưng của chúng Những kết quả bước đầu này đã minh chứng cho khả năng điều khiển chủ động sự lan truyền plasmon, và các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc khám phá sự điều biến điện quang, toàn quang và áp điện có khả năng truyền dẫn của ống dẫn sóng plasmon dưới bước sóng

Những nỗ lực nghiên cứu sâu rộng đang phát triển không ngừng để chế tạo được chip plasmonic Trong tương lai gần, người ta có thể dùng các liên kết plasmonic để giải quyết vấn đề năng suất trong các mạch số kể cả vi xử lý Các liên kết điện tử thông thường có thể được dùng để truyền dữ liệu số giữa các mảng transistor điện tử cục bộ Nhưng khi chúng ta cần truyền nhiều dữ liệu

từ một phần của chip đến phần khác cách xa vị trí đó, thông tin điện nên được chuyển thành thông tin plasmonic, gửi dọc theo dây plasmonic, và chuyển lại thành thông tin điện tại nơi đến Tuy nhiên, hiệu suất hiện nay của các ống dẫn sóng plasmonic chưa thể thỏa mãn được loại ứng dụng này, và vì vậy cần phải

có nhiều nghiên cứu hơn về lĩnh vực này Nếu các thành phần plasmonic có thể được chế tạo thành công dưới dạng các đường truyền số tốc độ cao vào các

mạch điện tử, đây sẽ là một trong những thành tựu của plasmonics

1.3.2 Tạo ta nguồn sáng

Lĩnh vực mới của plasmonics không chỉ là sự lan truyền ánh sáng trong các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn bước sóng Plasmonics cũng có thể giúp chúng ta tạo và điểu khiển bức xạ điện từ ở những bước sóng khác nhau từ vùng quang học đến vi sóng Kể từ khi được giới thiệu lần đầu vào năm 1995 bởi Nakamura, diode phát quang bán dẫn (LED) InGaN đã có nhiều ứng dụng cho phát quang vật rắn [6] Tuy nhiên, LED bán dẫn này cũng có nhiều hạn chế

do hiệu suất phát quang thấp

Plasmonics có thể được dùng để giải quyến vấn đề hiệu suất này Khi các giếng lượng tử (QW) được phủ bằng các màng bạc hoặc nhôm kích thước

nano, các SP hình thành sẽ tăng mật độ trạng thái và tốc độ phát xạ tự phát trong bán dẫn Điều này giúp tăng cường hiện tượng phát xạ ánh sáng do sự liên kết SP-QW đã góp phần làm tăng mạnh hiệu suất lượng tử nội Các phương pháp quang phổ quang phát quang phân giải thời gian được dùng để tăng tốc độ phát

xạ tự phát và kết quả là tăng 32 lần trong giếng lượng tử InGaN/GaN ở 440 nm [13] Tốc độ phát xạ và cường độ tăng do sự truyền năng lượng hiệu quả từ sự tái hợp cặp electron-lỗ trống trong QW sang các dao động điện tử của SP tại bề mặt đã phủ kim loại của cấu trúc bán dẫn dị thường Chúng ta hi vọng sự ghép QW-SP sẽ cho ra một lớp LED sáng và tốc độ cao có thể thay thế cho các ống huỳnh quang thông thường

Các nhà nghiên cứu đã thu được kết quả đáng khích lệ đối với LED hữu cơ (các OLED), đây là một thiết bị đã trở nên phổ biến hiện nay trong các màn hình số Trong một OLED, đến 40% công suất truyền trong không khí bị tổn hao do sự dập tắt các mode SP Người ta dùng một vi cấu trúc tuần hoàn để phục hồi công suất bị tổn hao của các SP Với cách tiếp cận này, hiệu ứng quang phát quang mạnh đã được ghi nhận từ một cấu trúc phát quang hữu cơ phát xạ đỉnh, trong đó quá trình phát xạ diễn ra trong lớp màng mỏng bạc [20] Kết quả cho thấy việc thêm lớp phủ điện môi nano vào cổng của OLED phát xạ đỉnh sẽ tăng hiệu suất phát quang của những cấu trúc này lên hai bậc độ lớn so với cấu trúc plasma tương ứng Lớp điện môi có nhiệm vụ ghép các mode plasmon bề mặt trên hai bề mặt kim loại, trong khi đó hình thái học dạng nếp nhăn của lớp điện môi làm cho các mode tán xạ ánh sáng Thực nghiệm là một OLED dùng lớp phát xạ polime liên hợp p kẹp giữa hai điện cực bán trong suốt đã được chế tạo thành công [2] Một trong các điện cực là anode màng mỏng quang học bằng vàng, trong khi đó cathode là một màng nhôm dày về mặt quang học với một chuỗi lỗ hai chiều tuần hoàn có kích thước dưới bước sóng có hiệu ứng tuyền dẫn bất thường trong vùng phổ phát quang của polyme Với mật độ dòng tương

tự, thiết bị nhôm được tạo hình có hiệu suất phát quang cao gấp bảy lần thiết bị

điều khiển dùng điện cực nhôm không tạo hình, điều này chứng tỏ rằng phương pháp tạo hình điện cực dưới dạng các chuỗi lỗ hai chiều phát huy hiệu quả đối với cấu trúc này Plasmonics cũng có thể được dùng để tăng hiệu suất của các laser [11] Khe kim loại kích thước nano được chế tạo trên đỉnh của laser phát xạ mặt buồng cộng hưởng thẳng đứng (VCSEL) để dò trường gần quang học dưới bước sóng Cường độ quang học trường gần và điện áp tín hiệu của các VCSEL khe nano đạt đến giá trị cao kỷ lục do các plasmon bề mặt định xứ trong các cấu trúc nano kim loại Hệ số cường tín hiệu quang học trường gần và điện áp tương ứng là 1.8 và 2 Việc giảm kích thước khe nano có thể giảm độ phân giải quang học của đầu dò VCSEL từ 240 nm đến 130 nm Các kết quả này chứng tỏ rằng

sự tăng cường plasmon sẽ hữu ích trong việc chế tạo các đầu dò VCSEL quang học trường gần độ phân giải cao

Các SP cũng ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất truyền qua của từng khe và sự tăng cường hệ số truyền qua qua một chuỗi lỗ kích thước nhỏ hơn bước sóng chiếu vào Các phân tích thực nghiệm và lý thuyết gần đây cho thấy

hệ số truyền qua tăng có thể do nhiễu xạ hình thành dưới tác dụng các trường đang tăng của các SP Mặc dù các SP được nghiên cứu nhiều nhất ở tần số quang học, nhưng cũng có thể xuất hiện ở tần số vi ba, tần số milimet, và tần số THz [21] Bằng cách tạo hình bề mặt kim loại bằng các hoa văn có kích thước nhỏ hơn bước sóng, chúng ta tạo các SP tăng cường hệ số truyền qua ở các tần

số vi ba và tần số milimet đối với các cách tử 1D và 2D với các khe dưới bước sóng Khe tròn dưới bước sóng với các rãnh tuần hoàn đồng tâm có thể được dùng để tăng hệ số truyền qua đối với sóng viba gần tần số cộng hưởng plasmon

bề mặt Kết quả này chứng tỏ rằng hệ số truyền qua của khe hình vành khuyên dưới bước sóng với một cách tử sẽ tăng Một số nghiên cứu đã ghi nhận được hệ

số tăng cường tăng 145 lần khi dùng khe hình vành khuyên dưới bước sóng bao quanh bởi các rãnh tuần hoàn đồng tâm (hình 1.3) Cấu trúc tương tự cũng thể

hiện các đặc tính chùm giống như hiệu ứng chùm trong khe dưới bước sóng ở các bước sóng quang học

Hình 1.3 - Phân bố điện trường tính toán (A) và thực nghiệm (B) của

một khe hình vành khuyên kích thước nhỏ hơn bước sóng với một cách tử ở tần

số cộng hưởng [7]

Biểu diễn sóng điện từ từ một khe hình vành khuyên dưới bước sóng bao quanh bởi các rãnh tuần hoàn đồng tâm Sóng điện từ bức ra có độ giam cầm góc rất mạnh quanh tần số cộng hưởng mode bề mặt, trong đó độ phân kỳ góc của chùm là ±3° Sự tăng cường hệ số truyền qua ở bước sóng THz cũng được ghi nhận trong các lá kim loại thẳng đứng được khoét hàng loạt lỗ tuần hoàn kích thước dưới bước sóng Hệ số truyền qua cực đại tại tần số cộng hưởng thấp nhất là 0.6 đối với mỗi chuỗi khe, giá trị này lớn hơn năm lần so với phần diện tích bị chiếm bởi các khe Các bán dẫn pha tạp ở tần số THz thể hiện các đặc tính tương tự như kim loại ở tần số quang học, do đó chúng tạo thành vật liệu tối ưu cho plasmonics THz Hệ số truyền qua tăng đối với bức xạ THz cũng được ghi nhận trong các mảng khe dưới bước sóng bằng Silic loại n Sự tăng này

có thể do chui hầm cộng hưởng của các SP bị kích thích ở các bước sóng Hz 1.3.3 Quang khắc nano

Kích thước tính năng tối thiểu được sử dụng trong mạch điện tử tiên tiến là vào khoảng 50 nm, và các kỹ thuật quang khắc mới cần được phát triển

để chế tạo các mạch tích hợp với kích thước trong phạm vi nanomet Quang khắc bằng phương pháp chiếu quang học tại các bước sóng quang học ngắn hơn có thể được sử dụng để đạt được kích thước tính năng mong muốn Tuy nhiên, sự thay đổi bước sóng của ánh sáng trở nên ngắn hơn có nghĩa là tạo ra nguồn ánh sáng mới, các lớp cảm quang, và quang học có xu hướng trở nên phức tạp hơn khi các bước sóng trở nên nhỏ hơn Các SP cho kết quả trong một sự phân phối không gian có kích thước nano được tăng cường một cách mạnh mẽ của một điện trường gần bề mặt kim loại Khi tần số cộng hưởng nằm trong phạm vi độ nhạy cảm của các lớp cảm quang, trường quang học cuối cùng mà gần với bề mặt kim loại được tăng cường có thể gây ra sự tiếp xúc lên cục bộ của một lớp mỏng chất chống ăn mòn trực tiếp bên dưới màng lọc Do không bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ, chúng ta có thể tạo ra các cấu trúc dưới bước sóng bằng cách chiếu sáng trên một vùng rộng lớp cảm quang tiêu chuẩn với ánh sáng khả kiến Với kỹ thuật này, người ta đã tạo hình được các vạch có kích thước nhỏ hơn 100 nm bằng phương pháp quang khắc ở bước sóng 436 nm Các mô phỏng lý thuyết về quang khắc nano plasmonic thậm chí còn dự đoán hiệu suất tốt hơn Mô phỏng miền thời gian sai phân hữu hạn (FTTD) của từng hạt bạc cô lập trên lớp cản quang mỏng cho thấy việc chiếu chùm sáng rộng phân cực p ở bước sóng 439 nm có thể tạo ra các đường nét nhỏ cỡ 30 nm Tùy thuộc vào thời gian phô, kích thước ngang của vết có thể nằm trong khoảng từ 30 đến 80 nm với chiều sâu phổ từ 12 đến 45 nm

Hiệu suất của quang khắc nano plasmon có thể tăng lên khi dùng “các siêu thấu kính” do Pendry đề xuất Các siêu thấu kính được dùng để tăng cường các sóng suy biến thông qua kích thích các plasmon bề mặt Độ lợi của kích thích plasmon bên trong siêu thấu kính bù tổn hao của sóng suy biến bên ngoài siêu thấu kính Sau đó sóng suy biến tái tạo được dùng để phục hồi ảnh bên dưới

giới hạn nhiễu xạ ở phía bên kia của thấu kính Thấu kính khác thường này có thể chế tạo từ các tấm vật liệu mỏng với độ cảm và độ thẩm âm, hoặc cả hai đều

âm Với việc dùng bạc như các siêu thấu kính tự nhiên, một số nhà nghiên cứu

đã tiến hành thành công phương pháp chụp ảnh dưới giới hạn nhiễu xạ với độ phân giải một lớp là 60 nm, hoặc một phần sáu bước sóng chiếu tới Bằng cách thiết kế thích hợp bước sóng làm việc và độ dày của bạc, chúng ta có thể tiếp cận được một phổ rộng của các đường nét dưới bước sóng, các cấu trúc nano tùy

ý có thể được chụp ảnh với độ trung thực cao (hình 1.4) [7]

Hình 1.4 - Ảnh của một vật thể bất kỳ thu được bằng các phương pháp khác

nhau (A) Ảnh FIB của vật (B) Ảnh thu trên lớp cảm quang với siêu thấu kính bạc (C) Ảnh thu được trên lớp cảm quang bằng phương pháp quang khắc thông

thường (D) So sánh cả hai phương pháp [7]

Ta so sánh hiệu quả của quang khắc plasmon siêu thấu kính với quang khắc thông thường Bước sóng 365 nm được dùng cho cả hai thí nghiệm quang khắc nano Từ “NANO” được in như một mặt nạ bằng hệ chùm ion điều tiêu (FIB) (Hình 1.4 A) Hình 1.4 B là hình ảnh ghi nhận được bằng các siêu thấu kính, và ảnh cuối cùng trên tấm cảm quang gần như hoàn hảo Hình 1.4 C biểu diễn ảnh giới hạn nhiễu xạ của phương pháp quang khắc truyền thống Hình 1.4

D so sánh cả hai phương pháp Trong khi độ phân giải của các phương pháp

truyền thống chỉ đạt mức gần 320 nm, phương pháp quang khắc nano plasmonic

có thể tạo ra ảnh với độ phân giải lớn hơn bốn lần Ảnh siêu phân giải dùng phương pháp tương tự cũng được ghi nhận trên các siêu thấu kính bạc planar dày 50 nm ở bước sóng khoảng 365 nm [3] Các cách tử với chu kỳ nhỏ ở mức

145 nm có thể phân giải, điều này phù hợp với các kết quả mô phỏng FDTD Đây là những công trình ban đầu góp phần minh chứng cho phương pháp quang khắc nano plasmonic siêu thấu kính, và cần phải tiếp tục nghiên cứu để cải thiện

độ phân giải dưới bước sóng, sự bao phủ trên không và độ đồng đều

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ỐNG DẪN SÓNG

PLASMON

2.1 Ống dẫn sóng (waveguide)

2.1.1 Tổng quan

Ống dẫn sóng là một cấu trúc dùng để định hướng sóng điện từ hoặc

âm thanh được sử dụng trong thông tin liên lạc, phát thanh truyền hình, rada Một ống dẫn sóng bao gồm ống kim loại hình chữ nhật hoặc hình trụ hoặc ống

Sóng điện từ có thể truyền dọc theo ống theo những cách khác nhau Hai cách phổ biến được gọi là truyền từ ngang (transverse-magnetic TM) và truyền điện ngang (transverse-electric TE) Trong chế độ TM thì các đường sức

từ của từ thông sẽ vuông góc với trục ống dẫn sóng Trong chế độ TE các dòng điện trường sẽ vuông góc với trục của ống dẫn sóng

Để hoạt động đúng, một ống dẫn sóng phải có đường kính tối thiểu nhất định so với bước sóng của tín hiệu Nếu ống dẫn sóng là quá hẹp so hoặc tần số là quá thấp thì các trường điện từ không thể truyền qua

Biên độ phức của vectơ trường có dạng:

0 0

(x, y) e (x, y) e

(r, ) e (r, ) e

và áp dụng điều kiện biên trên bề mặt vật dẫn lý tưởng tại bề mặt của thành ống dẫn sóng

+Trường hợp ống dẫn sóng hình chữ nhật, để khảo sát chúng tôi sẽ

dặt các trụ toạ độ Descartes theo các cạnh của ống dẫn sóng như hình 2.1

2

1

1

x c

y c

2

1

1

x c

y c

.

E và

.

H Trường điện từ trong ống dẫn stronfhinhf chữ nhật là tổng hợp của hai trường độc lập:

+Trường có thành phần dọc E Z  0,H Z  0gọi là trường điện ngang TE hay sóng điện ngang TE (còn gọi là sóng điện)

+Trường có thành phần dọc E Z  0,H Z  0gọi là trường từ ngang TM hay sóng từ ngang TM (hay gọi là sóng điện)

Trong ống dẫn sóng không tồn tại loại sóng điện từ ngang TEM (loại

sóng mà

.

E,

.

H vuông góc với phương truyền sóng hay là E Z  0,H Z  0)

Trường điện từ trong ống dẫn sóng sẽ có dạng sóng chạy dọc trục z nếu hệ số truyền K là đại lượng thuần ảo theo điều kiện:

có tần số góc  Ống dẫn sóng trụ tròn được mô tả như hình 2.2

2

r C

và

2

2

r C

+Trường có thành phần dọc E Z  0,H Z  0gọi là trường điện ngang TE hay sóng điện ngang TE (còn gọi là sóng điện)

+Trường có thành phần dọc E Z  0,H Z  0gọi là trường từ ngang TM hay sóng từ ngang TM (hay gọi là sóng điện)

2.1.2 Vai trò của ống dẫn sóng trong thông tin quang

Ống dẫn sóng đầu tiên đã được J J Thomson đề xuất vào năm1983 và được O J Lodge kiểm nghiệm bằng thí nghiệm vào năm 1984; các nghiên cứu

lý thuyết về các mode lan truyền của sóng trong lòng ống kim loại đã được Lord Rayleigh nghiên cứu vào năm 1897

Sự truyền năng lượng điện từ trên những khoảng cánh gần đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật, để thực hiện sự truyền này người ta đã dùng