Nghiên cứu chế tạo tinh thể quang tử một chiều có cấu trúc buồng vi cộng hưởng làm bằng silic xốp ứng dụng làm cảm biến cho các dung môi hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Văn Đại NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU CÓ CẤU TRÚC BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG LÀM BẰNG SILIC XỐP ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN CHO CÁC DUNG MÔI HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN ĐẠI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU CÓ CẤU TRÚC BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG LÀM BẰNG SILIC XỐP ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN CHO CÁC DUNG MÔI HỮU CƠ Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Bùi Huy TS Ngô Quang Minh HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Bùi Huy TS Ngô Quang Minh tận tình hướng dẫn, bảo trình em thực luận văn thạc sĩ Em xin chân thành cảm ơn anh chị công tác Phòng Vật liệu Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện tốt giúp em thực thực nghiệm trình làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giảng dạy năm học tập, tập thể lớp K21N động viên, giúp đỡ thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn đề tài NAFOSTED mã số 103.03-2015.23 Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia PGS TS Bùi Huy chủ nhiệm hỗ trợ kinh phí thực luận văn Cuối em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc gia đình, người thân, bạn bè-những người động viên tạo điều kiện thuận lợi để em yên tâm học tập Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2017 Học viên thực Phạm Văn Đại TÓM TẮT Luận văn trình bày phương pháp xác định nồng độ số chất dung môi cảm biến quang sở buồng vi cộng hưởng chiều (1D) làm silic xốp Màng silic xốp chế tạo đế silic phương pháp ăn mòn điện hóa Phương pháp cho phép việc kiểm soát xác độ xốp độ dày lớp xốp cấu trúc đa lớp tạo buồng vi cộng hưởng có đặc trưng phù hợp với cảm biến Nguyên lý cảm biến buồng vi cộng hưởng làm silic xốp dựa thay đổi chiết xuất hiệu dụng màng xốp chất cần phân tích xâm nhập lỗ xốp làm dịch chuyển phổ phản xạ cảm biến Nguyên lý áp dụng cho cảm biến pha lỏng lẫn pha Với đối tượng nghiên cứu dung môi hữu có tính bay hơi, luận văn đề xuất phương pháp nhằm nâng cao tính chọn lọc cải thiện độ nhạy phép đo Bằng việc bố trí dung dịch nghiên cứu cảm biến hai bình tách biệt nhiệt độ lại liên hệ với mặt áp suất, kiểm soát đáp ứng cảm biến thông qua nhiệt độ dung dịch, tốc độ dòng khí chảy qua dung dịch nhiệt độ bình chứa cảm biến Sự phụ thuộc áp suất vào nhiệt độ riêng biệt cho chất nên phụ thuộc nhiệt độ dung dịch đáp ứng cảm biến đặc trưng cho chất nghiên cứu Độ nhạy tăng lên đáng kể khí tăng nhiệt độ dung dịch, tăng tốc độ dòng khí giảm nhiệt độ buồng cảm biến Các ưu điểm phép đo phân tích minh chứng cụ thể xăng sinh học, dung môi hữu thông dụng ethanol, methanol, acetone hỗn hợp methanol rượu Từ khóa: Silic xốp, buồng vi cộng hưởng, cảm biến quang, dung môi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ riêng giảng dạy hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Bùi Huy TS Ngô Quang Minh Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Các số liệu kết luận văn thạc sĩ trung thực chưa công bố công trình khác Tất tài liệu tham khảo, trích dẫn ghi rõ mục “Tài liệu tham khảo” Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2017 Học viên thực Phạm Văn Đại MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC .5 MỞ ĐẦU CHƯƠNG TINH THỂ QUANG TỬ VÀ CẢM BIẾN CÓ CẤU TRÚC BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG DỰA TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP 1.1 Tinh thể quang tử 1.1.1 Khái niệm tinh thể quang tử 1.1.2 Các đặc tính thông số quan trọng tinh thể quang tử 10 1.1.3 Các ứng dụng tinh thể quang tử 11 1.2 Buồng vi cộng hưởng 1D 11 1.2.1 Gương phản xạ Bragg (Distributed Bragg Reflectors) 11 1.2.2 Lớp không gian 144 1.2.3 Cấu tạo phổ đặc trưng buồng vi cộng hưởng 14 1.3 Cơ sở cho trình hình thành buồng vi cộng hưởng làm silic xốp 15 1.3.1 Sự hình thành silic xốp 15 1.3.1.1 Kích thước hình thái lỗ xốp 17 1.3.1.2 Các thông số anot hóa 18 1.3.2 Đặc điểm silic xốp 19 1.3.2.1 Độ xốp (P) 19 1.3.2.2 Chiết suất hiệu dụng 20 1.3.2.3 Tốc độ ăn mòn .21 1.4 Đặc tính buồng vi cộng hưởng 1D 22 1.4.1 Các thông số liên quan .22 1.4.1.1 Chỉ số phẩm chất (Q-factor) 22 1.4.1.2 Độ nhạy cảm biến dựa buồng vi cộng hưởng 23 1.5 Ứng dụng buồng vi cộng hưởng 1D dựa Silic xốp làm cảm biến xác định dung môi hữu .27 1.5.1 Cảm biến pha lỏng dựa silic xốp 28 1.5.2 Cảm biến pha sở buồng vi cộng hưởng silic xốp cho dung môi hưu .28 KẾT LUẬN CHƯƠNG 38 CHƯƠNG MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG 1D VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .39 2.1 Cơ sở toán học để phân tích mô buồng vi cộng hưởng 39 2.1.1 Phương pháp ma trận truyền (Transfer Matrix Method - TMM) 39 2.1.2 Chương trình mô buồng vi cộng hưởng 40 2.2 Kết mô buồng vi cộng hưởng dựa tinh thể quang tử 1D [4] .43 2.2.1 Nghiên cứu thông số buồng vi cộng hưởng 1D 43 2.2.1.1 Độ dày lớp không gian (dss) 43 2.2.1.2 Chiết suất lớp không gian (nss) 44 2.2.1.3 Số chu kỳ DBR 45 KẾT LUẬN CHƯƠNG 47 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 48 3.1 Chế tạo buồng vi cộng hưởng phương pháp ăn mòn điện hóa 48 3.1.1 Ảnh hưởng tương phản chiết suất lên độ rộng vùng cấm quang 48 3.1.2 Chế tạo buồng vi cộng hưởng công nghệ điện hóa phiến silic 49 3.1.3 Lựa chọn tham số điện hóa thích hợp 50 3.2 Xây dựng hệ đo cảm biến pha lỏng hệ đo sử dụng phương pháp VOC 58 3.2.1 Xây dựng hệ đo với cảm biến pha lỏng 58 3.2.2 Xây dựng hệ đo dung môi hữu môi trường lỏng dựa cảm biến pha phương pháp VOC - Vapor Organic Compose 60 3.3 Kết thực nghiệm xác định dung môi hữu môi trường nước 61 3.3.1 Xác định ethanol methanol xăng cảm biến pha lỏng .61 3.3.2 Nghiên cứu phụ thuộc độ dịch bước sóng công hưởng vào nhiệt độ dung dịch nghiên cứu nhằm nâng cao tính chọn lọc phương pháp VOC Vapor Organic Compose 63 3.3.3 Nghiên cứu dung môi hữu thông dụng (ethanol, methanol, acetone) nồng độ thấp cảm biến pha lỏng pha 64 3.3.4 Xác định nồng độ methanol rượu phương pháp VOC 69 Xác ̣nh nồ ng độ ethanol methanol cồ n công nghiê ̣p 73 KẾT LUẬN CHƯƠNG 77 3.3.5 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN 78 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 86 MỞ ĐẦU Silic xốp vật liệu lí tưởng cho cảm biến chất dạng lỏng khí vật liệu có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn dễ dàng hấp thụ chất dạng Đặc biệt, mà cảm biến dựa linh kiện có cấu trúc tinh thể quang tử độ nhậy độ phân giải cảm biến tăng lên nhiều bậc Các cảm biến dựa màng silic xốp đa lớp cảm biến dễ sử dụng, có độ nhậy cao, rẻ tiền Do có khả tương thích cao với công nghệ vi điện tử silic nên cảm biến silic xốp có cấu trúc tinh thể quang tử ứng viên hàng đầu việc chế tạo linh kiện đa chức dạng lab-on-a-chip Các cảm biến thuộc loại cảm biến quang học không đánh dấu, lĩnh vực phát triển nhanh chóng Ưu điểm cảm biến có cấu trúc tinh thể quang tử bậc cao (hai ba chiều) làm việc với lượng chất nghiên cứu thể tích mốt tinh thể nhỏ Tuy nhiên, ưu điểm cảm biến sở tinh thể quang tử chiều mặt đảm bảo độ phân giải cao mặt khác lại có lợi mặt giá thành đặc biệt với cảm biến cho mục đích sử dụng lần Có thể thấy tất linh kiện sở màng silic xốp đa lớp như: màng đơn lớp Fabry-Perot, kính lọc giao thoa (hay phản xạ Bragg), rugate filter, buồng vi cộng hưởng có nguyên lý cảm biến Như ta biết, đặc tính quang học tinh thể quang tử nhậy với thay đổi chiết suất lớp Sự hấp thụ chất nghiên cứu lỗ xốp làm thay đổi chiết suất lớp xốp dẫn đến dịch chuyển phổ đặc trưng tinh thể Như vậy, quan sát phổ phản xạ hay phổ truyền qua người ta phát liên kết phân tử lỗ xốp việc bắt giữ phần tử nghiên cứu lỗ xốp làm tăng chiết suất lớp xốp Trong linh kiện sơ màng silic xốp đa lớp dùng làm cảm biến, cấu trúc buồng vi cộng hưởng có hiệu ứng giam giữ trường tính chọn lọc cao nên có nhiều ưu điểm vượt trội sử dụng rộng rãi Buồng vi cộng hưởng dùng làm cảm biến hóa học dạng lỏng, dạng khí, xác định nồng độ kháng thể chuột, xác định nồng độ DNA, xác định dư lượng thuốc trừ sâu bùn, xác định mức độ ô nhiễm dầu mỏ, Ngày nay, dung môi hữu sử dụng với khối lượng lớn rộng rãi ngành công nghiệp hóa chất, dược phẩm, dầu khí bao gồm trình tổng hợp hóa học tinh chế Một số lớn dung môi gây ô nhiễm môi trường, không khí nguy hiểm cho sức khỏe người nồng độ thấp ví dụ như: methanol gây mù mắt người với nồng độ vài phần trăm rượu [32], việc tiếp xúc thường xuyên với benzen gây hại cho phổi, hệ thần kinh gây ung thư … Vì vậy, phương pháp nhằm xác định nồng độ dung môi hữu vô quan trọng công nghiệp, y học vệ sinh an toàn thực phẩm nghiên cứu môi trường Nhìn chung, phương pháp truyền thống dùng để xác định nồng độ dung môi phương pháp sắc ký khí, sắc ký lỏng có chung nhược điểm cần thiết bị đắt tiền tiến hành trung tâm đại nên vấn đề đặt cần phương pháp rẻ tiền, dễ sử dụng phổ biến [11, 25] Với lí đồng thời dựa vào trang thiết bị có phòng thí nghiệm chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Nghiên cứu chế tạo tinh thể quang tử chiều có cấu trúc buồng vi cộng hưởng làm silic xốp ứng dụng làm cảm biến cho dung môi hữu cơ” Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn gồm có ba chương với nội dung sau: Chương 1: Tinh thể quang tử cảm biến có cấu trúc buồng vi cộng hưởng làm silic xốp Chương 2: Mô đặc tính quang học buồng vi cộng hưởng 1D kết mô Chương 3: Kết thực nghiệm thảo luận CHƯƠNG TINH THỂ QUANG TỬ VÀ CẢM BIẾN CÓ CẤU TRÚC BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG DỰA TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP Tinh thể quang tử cấu trúc không gian tuần hoàn vật liệu điện môi có chiết suất khác Sự biến đổi tuần hoàn số điện môi hay chiết suất làm xuất vùng cấm cấu trúc vùng lượng tinh thể quang tử - vùng cấm quang (Photonic band gap - PBG) Trong loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử chiều loại tinh thể đơn giản Tuy nhiên, tinh thể chiều lại có ưu điểm riêng dễ dàng chế tạo hơn, sử dụng để nghiên cứu số khía cạnh tinh thể quang tử nhiều chiều dẫn đến ứng dụng linh kiện mà chúng không yêu cầu phải cấm hoàn toàn (về hướng) lan truyền qua hay xạ ánh sáng Tinh thể quang tử chiều với chiết suất đồng lớp biết đến tên gọi gương phản xạ Bragg phân bố Trên sở gương Bragg thiết kế buồng vi cộng hưởng Đây loại limh kiện quang thông dụng, trước thường chế tạo phương pháp phún xạ hay bay nhiệt cách oxít để tạo màng mỏng đa lớp có chiết suất thay đổi tuần hoàn Ngày nay, dựa công nghệ điện hóa phiến silic chế tạo màng silic xốp có tính buồng vi cộng hưởng Chúng ta chế tạo buồng vi cộng hưởng làm silic xốp có độ rộng phổ vài nano mét với độ suy hao thấp Trong chương này, trước hết trình bày cách khái lược tinh thể quang tử, ứng dụng số sở mà cho thiết yếu tinh thể quang tử Tiếp theo, trình bày cấu tạo đặc tính quang học buồng vi cộng hưởng chiều (1D) ứng dụng Sau phần trình bày sở trình hình thành buồng vi cộng hưởng làm silic xốp nghiên cứu đặc điểm silic xốp Phần cuối chương, trình bày đặc tính buồng vi cộng hưởng độ phẩm chất, độ nhạy yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến để chế tạo cảm biến dựa buồng vi cộng hưởng mong muốn Sau đó, nêu sở lí thuyết, nguyên lí ứng dụng buồng vi cộng hưởng 1D dựa Silic xốp làm cảm biến xác định dung môi hữu pha pha lỏng 1.1 Tinh thể quang tử 1.1.1 Khái niệm tinh thể quang tử Tinh thể quang tử cấu trúc tuần hoàn không gian vật liệu với số điện môi khác xếp tuần hoàn xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi theo chu kỳ thang chiều dài so sánh với bước sóng ánh sáng nghiên cứu Sở dĩ gọi “tinh thể” tạo nên xếp tuần hoàn đơn thể đối tượng “tinh thể” quang tử Như biết, đặc tính vật lý vật chất mà có tác động lên chuyển động 74 Hình 3.27 Độ dịch chuyển bước sóng cộng hưởng thiết bị cảm biến sử dụng phương pháp đo lỏng đo cồn công nghiệp nồng độ khác Như vậy, thông qua phép đo thiết bị cảm biến quang tử sử dụng phương pháp đo lỏng dựa cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D làm silic xốp phép so sánh từ độ dịch chuyển bước sóng cộng hưởng xác định nồng độ ethanol cồn công nghiệp 91.2 % thể tích So sánh với kết phân tích cồn công nghiệp từ Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng (số đường Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hà Nội) hình 3.28 thấy kết đo đáng tin cậy 75 Hình 3.28 Kết phân tích cồn công nghiệp từ Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Để xác định nồng độ methanol cồn công nghiệp, lấy đường chuẩn ban đầu có đường số hình 3.25 với điều kiện thực nghiệm nhiệt độ dung dịch chứa dung môi 55oC, nhiệt độ buồng cảm biến 22oC vận tốc dòng khí giữ ổn định mức 1,68ml/s Với đường số nồng độ ethanol nước 30 % v/v, với đường số nồng độ ethanol nước 45 % v/v Nồng độ ethanol cồn công nghiệp vecni xác định thí nghiệm trên, pha nồng độ ethanol 30 % v/v 45 % v/v cồn công nghiệp tương ứng điều kiện thí nghiệm đường chuẩn đo methanol có Từ thí nghiệm đường chuẩn 76 thực nghiệm với nồng độ methanol biết, thực thí nghiệm xác định nồng độ methanol cồn công nghiệp vecni Quan sát hình 3.29 thấy độ dịch chuyển bước sóng cộng hưởng buồng cảm biến tăng theo nồng độ methanol thêm vào dung dịch ethanol 30% v/v 45 % v/v Dựa vào kết đo độ dịch chuyển bước sóng thêm methanol với nồng độ 0%-5% v/v đối chiếu kết đo cồn công nghiệp vecni với đường chuẩn thấy rằng: Khi pha với nồng độ ethanol 30%v/v, với mẫu đo dung dịch cồn công nghiệp vecni có độ dịch chuyển bước sóng cảm biến tương đương với ethanol tinh khiết pha với nồng độ 30% v/v pha thêm 2.4 %v/v methanol Còn pha với nồng độ ethanol 45%v/v, với mẫu đo dung dịch cồn công nghiệp vecni có độ dịch chuyển bước sóng cảm biến tương đương với ethanol tinh khiết pha với nồng độ 45% v/v pha thêm 3.6 %v/v methanol Hình 3.29 Sự phụ thuộc độ dịch chuyển bước sóng vào nồng độ methanol dung dịch ethanol cồn công nghiệp vecni 30%v/v ethanol , 45%v/v ethanol nhiệt độ bình chứa hỗn hợp dung dịch 55oC, nhiệt độ buồng cảm biến 22oC Dựa vào kết thí nghiệm xác định nồng độ methanol cồn công nghiệp 2.3 %v/v cồn công nghiệp vecni 30%v/v ethanol nồng độ methanol cồn công nghiệp 3.6 %v/v cồn công nghiệp vecni 45 %v/v ethanol, tương ứng với 7.3 %v/v methanol cồn công nghiệp có chứa 91.2 %v/v ethanol 77 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chúng chế tạo thành công buồng vi cộng hưởng chiều phương pháp ăn mòn điện hóa với độ phản xạ lớn 70% bước sóng cộng hưởng 672.35nm phù hợp với sử dụng làm cảm biến sinh hóa Chúng xây dựng hệ thiết bị đo nồng độ dung môi môi trường lỏng dùng cảm biến pha lỏng pha việc hóa hợp chất hữu (phương pháp VOC) Trong hệ đo sử dung phương pháp VOC, sở bố trí dung dịch nghiên cứu cảm biến hai buồng tách biệt nhiệt độ lại liên hệ với áp suất, kiểm soát đáp ứng cảm biến nhiệt độ dung dịch, tốc độ dòng khí chảy qua dung dịch nhiệt độ buồng cảm biến Dựa hệ đo sử dụng cảm biến môi trường lỏng tiến hành xác định nồng độ ethanol methanol Xăng A92 Với dải nồng độ ethanol methanol từ 5% đến 15% xăng A92, nồng độ giới hạn phát (LOD) tương ứng 0,8% 0,4% Sự khác biệt hai đường cong biểu diễn phụ thuộc độ dịch chuyển bước sóng cộng hưởng vào nhiệt độ dung dịch ethanol acetone chứng tỏ dùng phụ thuộc dấu hiệu để phân biệt dung môi nghiên cứu Các thực nghiệm phép đo pha lỏng, áp suất bão hòa phép đo sử dụng phương pháp VOC dung môi ethanol, methanol acetone chứng tỏ rằng: + Độ nhậy phép đo sử dung phương pháp VOC tăng đáng kể so với phép đo lại + Sự tăng cường độ nhậy phép đo sử dụng hiệu ứng hoá dung môi hữu (so với phép đo lại) tương ứng với nhiệt độ sôi dung môi nghiên cứu + Phép đo hoá hợp chất hữu có khả xác định nồng độ dung môi chất có chiết suất Dựa hệ đo sử dụng hiệu ứng hoá chất hợp chất hữu tiến hành xác định định lượng methanol dung dịch ethanol có nồng độ 30% 45% thể tích thu kết sau: + Việc tăng nhiệt độ dung dịch đặt cảm biến làm việc chế độ lắng đọng mao quản với độ nhậy cao không đổi nồng độ methanol + Việc kết hợp đồng thời tăng nhiệt độ dung dịch giảm nhiệt độ buồng cảm biến làm cho phép đo có độ nhạy lớn mà kết giá trị LOD phép đo đạt hàm lượng an toàn methanol rượu vodka theo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm Việt Nam Chúng áp dụng thành công phương pháp VOC để xác định hàm lượng methanol rượu nhiễm bẩn chế phẩm cồn công nghiệp với nồng độ methanol từ 2,3-3,6 %v/v 78 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN Luận văn trình bày đặc tính tinh thể qung tử, nguyên lý hoạt động, sở vật lý, yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy cảm biến pha lỏng pha dựa buồng vi cộng hưởng silic xốp Trong phép đo sử dụng hóa hợp chất hữu (phương pháp VOC), đề cập đến sở cho việc tăng cường tính chọn loc dựa phụ thuộc đáp ứng cảm biến nhiệt độ chất phân tích nâng cao độ nhạy dựa việc tăng nhiệt độ dung môi giảm nhiệt độ cảm biến Chúng sử dụng phương pháp ma trận truyền phương pháp hữu ích cho việc mô buồng vi cộng hưởng 1D Dựa vào phương pháp này, mô đặc tính quang học buồng cộng hưởng cách thay đổi thông số đầu vào chiết suất độ dày lớp, số chu kì, góc tới khoảng bước sóng nhằm phục vụ cho việc thiết kế chế tạo buồng vi cộng hưởng để ứng dụng làm cảm biến quang học Chúng chế tạo thành công buồng vi cộng hưởng có vùng bước sóng hoạt động trải dài vùng nhìn thấy có độ phản xạ từ 50% đến 80% Sự phù hợp giũa phổ phản xạ từ mô thực nghiệm chứng tỏ chất lượng cao buồng cộng hưởng chế tạo với kích thước lỗ xốp khoảng 20 nm Trong cảm biến pha lỏng, độ nhạy cảm biến lên tới 200nm / RIU phát thay đổi chiết suất nhỏ vào khoảng 10-3 Cảm biến chế tạo xác định thay đổi nồng độ nhỏ ethanol khoảng 0,8% methanol vào khoảng 0,4% xăng A92 Trong phương pháp VOC, gia nhiệt dung dịch dung môi tới gần nhiệt độ sôi dung môi để tăng bay dung môi hay gia tăng áp suất riêng phần dòng dung môi đồng thời làm tăng độ nhạy phép đo Các kết thực nghiệm từ dung môi hữu phổ biến bao gồm ethanol, acetone methanol cho thấy độ nhạy thu từ phép đo nhiệt độ áp suất cải thiện đáng kể so với phép đo lỏng phép đo áp suất bão hòa Với dung môi ethanol nồng độ thấp, giới hạn phát thu 0.014% tương ứng với thay đổi số chiết suất 1,2*10-6 RIU Bằng cách tăng nhiệt độ dung môi phân tích đồng thời làm mát buồng cảm biến, nâng cao lắng đọng mao mạch lỗ xốp cải thiện độ nhạy Áp dụng phương pháp để đo methanol dung dịch ethanol nồng độ 30% 45% thu giới hạn phát thấp hơn nội dung an toàn methanol cho vodka theo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm Việt Nam (100mg methanol cho lít cồn nguyên chất) Chúng áp dụng thành công phương pháp VOC để xác định hàm lượng methanol rượu nhiễm bẩn chế phẩm cồn công nghiệp với nồng độ methanol từ 2,3-3,6 v/v 79 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Van Hoi Pham, Huy Bui, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Son Pham, Van Dai Pham, Thi Cham Tran, Thu Trang Hoang and Quang Minh Ngo, “Progress in the research and development of photonic structure devices”, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol (2016) 015003 (17pp) Pham Van Dai, Nguyen Thuy Van, Pham Thanh Binh, Bui Ngoc Lien, Phung Thi Ha, Do Thuy Chi, Pham Van Hoi and Bui Huy, “Vapor sensor based on porous silicon microcavity for determination of methanol content in alcohol” Proc Of Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications IX, ISBN: 978-604913-578-1, 2017, pp 404-408 Một độc quyền sáng chế cấp hai đơn sáng chế có công báo: + “Phương pháp đo độ dịch phổ quang cách tử Bragg sợi (FBG) sử dụng laze điot thay đổi nhiệt độ đế” số 17177 + “Thiết bị phương pháp đo chiết suất chất lỏng đầu dò cách tử Bragg sợi quang ăn mòn (e-FBG) tích hợp cấu hình laze cộng hưởng vòng” (Công báo sở hữu công nghiệp số 347 tập A (02.2017)), ISSN 0868-2534, trang 198 + “Đầu cảm biến cách tử Bragg sợi quang (e-FBG) phương pháp chế tạo” (Công báo sở hữu công nghiệp số 350 tập A(05.2017)), ISSN 0868-2534, trang 90 80 81 82 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Barrillaro G (2014), Porous silicon gas sensing In Handbook of Porous Silicon, Canham, L., Ed.; Springer International Publishing: Cham, Switzerland, pp.856– 858 Bruyant A, G Lérondel, P.J Reece, and M Gal, (2003), "All-silicon omnidirectional mirrors based on one-dimensional photonic crystals ", Appl Phys Lett 82, p.3227 Bruggeman D.A.G, (1935), "Berechnung Verschiedener Physikalischer Konstanten von Heterogenen Substanzen", Ann Phys (Leipzig) 416, pp.636-664 Do T C, H Bui, T V Nguyen, T H Nguyen, and V H Pham, (2011), “A microcavity based on a porous silicon multilayer”, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 2, pp.4 Elisabet Xifré Pérez, (2007), Design, fabrication and characterization of porous silicon multilayer optical devices, Thesis presented for the qualification of Ph.D Gupta N, A A Sonambekar, S K Daksh, L Tomar, (2013), “A rare presentation of methanol toxicity”, Ann Indian Acad Neurol 16, pp.249-251 Harraz, F.A (2014), “Porous silicon chemical sensors and biosensors: A review”, Sens Actu B Chem 202, pp.897–912 Hasar U C., I Y Ozbek, B Cavusoglu, T Karacali, H Efeoglu, M Ertugrul, and J J Barroso, (2015), “Identification of gas by porous silicon sensors using reflectivity difference and wavelength shift”, IEEE Photon Technol Lett 27, pp.596-599 Herino R, G Bomchil, K Barla, C Bertrand, and J L Ginoux, (1987), "Porosity and pore size distributions of porous silicon layers", J Electrochem Soc 134, pp.1994-2000 10 Huy Bui, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Binh Pham, Quoc Trung Dang, Thuy Chi Do, Quang Minh Ngo, Roberto Coisson, and Van Hoi Pham, (2014), “A Vapor Sensor Based on a Porous Silicon Microcavity for the Determination of Solvent Solutions”, J Opt Sos Korea 18, pp.301-306 11 Kim H J, Y Y Kim, K W Lee, S H Park, (2011), “A distributed Bragg reflector porous silicon layer for optical interferometric sensing of organic vapor”, Sens Actuators B 155, pp.673-678 12 Korotchenkov, G (2013), Handbook of Gas Sensor Materials: Properties, Advantages and Shortcomings for Applications, Springer Science & Business Media: Berlin, Germany 13 Lehmann V and U Gosele, (1991), "Porous silicon formation: A quantum wire effect", Appl.Phys.Lett 58, p856 84 14 Liang W, Y Huang, Y Xu, R K Lee, and A Yariv, (2005), “Highly sensitive fiber Bragg grating refractive index sensors”, Appl Phys Lett 86, 151122 15 Looyenga H, (1965), "Dielectric constants of heterogeneous mixtures", Physica 31, pp.401-406 16 Maxwell Garnett J C, (1904), "Colours in metal glasses and in metallic films", Phil Trans R Soc Lond 203, pp.385-420 17 Mazzoleni C and L Pavesi (1995), Appl Phys Lett, 67, 2983 18 Moretti L, I Rea, L D Stefano, and I Rendina, (2007), “Periodic versus aperiodic: Enhancing the sensitivity of porous silicon based on optical sensors”, Appl Phys Lett 90, 191112 19 Moretti L, L D Stefano, and I Rendina, (2007), “Quantitative analysis of capillary condensation in fractal-like porous silicon nanostructure”, J Appl Phys 101, 024309 20 Nalwa H S, (2001),Silicon Based Materials and Devices 2: Properties and Devices Academic Press, San Diego 21 Pacholski, C (2013), “Photonic crystal sensors based on porous silicon” Sensors 13, pp.4694–4713 22 Patel P N, Vivekanand Mishra, (2012), “Simulations and analysis of nano scale porous silicon structures for optical sensor applications”, Inte J of Comp Appl 56, pp.14-18 23 Pavesi L, (1997), "Porous silicon dielectric multilayers and microcavities", La Rivista del Nuovo Cimento 20, pp.1-76 24 Pham V H, H Bui, L H Hoang, T V Nguyen, T A Nguyen, T S Pham, and Q M Ngo, (2013), “Nano-porous silicon microcavity sensors for determination of organic fuel mixture”, J Opt Sos Korea 17, pp.423-427 25 Ouyang H, L A De Louise, M Christophersen, B L Miller, and P M Fauchet, (2004), “Biosensing with one dimensional photonic bandgap structure”, Proc of SPIE 5511, pp.71-80 26 Salem M S, M J Sailor, K Fukami, T Sakka, and Y H Otaga, (2008), “Sensitivity of porous silicon rugate filters for chemical vapor detection”, J Appl Phys 103, 083516 27 Sharon M Weiss, (2005), Tunable Porous Silicon Bandgap Structures: Mirrors for optical interconnects and optical switching, Ph.D Thesis 28 Smith R.L, and S.D Collins, (1992), “Porous silicon formation mechanisms”, J Appl Phys 71, R1-R22 29 Squire E K, P A Snow, P.St Russell, L.T Canham, A.J Simons, and C.L Reeves, (1999), "Light emission from porous silicon single and multiple cavities", J Luminescence 80, p.125 85 30 Stefano L D, L Moretti, I Rendina, A M Rossi, (2003), “Porous silicon microcavities for optical hydrocarbons detection”, Sens Actu A 104, pp.179-182 31 Stefano L D, L Roseroot, I Rea, L Amoretti, and I Rending, (2007), “Quantitative measurements of hydro-alcoholic binary mixtures by porous silicon optical microsensors”, Phys Stat Sol (c) 4, pp.1941-1945 32 Stefano L D, L Moretti, I Rendina, A M Rossi, (2004) “Time-resolved sensing of chemical species in porous silicon optical micricavity”, Sens Actu B 100, pp.167-172 33 Stefano L D, L Moretti, A Lamberti, O Longo, M Rocchia, A M Rossi, P Arcari, and I Rendina, (2004), “Optical sensors for vapors, liquids, and Biological molecules based on porous silicon technology”, IEEE Trans Nanotech 3, pp.4954 34 Striemer C C, (2004), Applications of silicon nanostructures compatible with existing manufacturing technology, Ph.D dissertation, University of Rochester 35 Taflove, A and S.C Hagness, (2000), Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House Inc.Boston 36 Van Hoi Pham, Huy Bui, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Son Pham, Van Dai Pham, Thi Cham Tran, Thu Trang Hoang and Quang Minh Ngo, (2016), “Progress in the research and development of photonic structure devices”, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 7, pp.17 86 PHỤ LỤC Chương trình mô buồng vi cộng hưởng chiều: lamda=(200:1200); step=1000; N=input('Number of bi-layer: '); d1=76.7;%input('Thickness of first layer: '); d2=92;%input('Thickness of second layer: '); n0=1; ns=3.5; n1=2.1;%input('Refractive index of first layer: '); n2=1.75;%input('Refractive index of second layer: '); teta0=input('Incident angle: '); nss=1.75;%input('Refractive index of space layer: '); dss=184;%input('Thickness of space layer: '); tetas=asin((n0*sin(teta0))/ns); teta1=asin((n0*sin(teta0))/n1); teta2=asin((n0*sin(teta0))/n2); m0=[cos(teta0) cos(teta0);n0 -n0]; ms=[cos(tetas) cos(tetas);ns -ns]; for(r=1:step+1), x=lamda(r); p1=[exp(i*2*pi*n1*d1*cos(teta1)/x) 0;0 exp(-i*2*pi*n1*d1*cos(teta1)/x)]; p2=[exp(i*2*pi*n2*d2*cos(teta2)/x) 0;0 exp(-i*2*pi*n2*d2*cos(teta2)/x)]; M=[1 0;0 1]; for (a=1:2*N+1), if mod(a,2)==0 n(a)=n2; d(a)=d2; teta(a)=teta2; p=p2; else n(a)=n1; d(a)=d1; teta(a)=teta1; p=p1; end, m11=cos(teta(a)); m12=cos(teta(a)); m21=n(a); 87 m22=-n(a); m=[m11 m12; m21 m22];%dynamical matrices M=M*m*p*inv(m); end, % nss=1.55; % dss=500*1e-9; % 775*1e-9 dss=775*1e-9=lambda/2 nhung dieu kien ta can la nss*dss=lambda/2 tetass=asin((n0*sin(teta0))/nss); mss=[cos(tetass) cos(tetass);nss -nss]; ps=[exp(i*2*pi*nss*dss*cos(tetass)/x) 0;0 exp(-i*2*pi*nss*dss*cos(tetass)/x)]; m11=cos(tetass); m12=cos(tetass); m21=nss; m22=-nss; m=[m11 m12; m21 m22]; M1=m*ps*inv(m); %%%%% M2=[1 0;0 1]; for (a=1:2*N), if mod(a,2)==0 n(a)=n2; d(a)=d2; teta(a)=teta2; p=p2; else n(a)=n1; d(a)=d1; teta(a)=teta1; p=p1; end, m11=cos(teta(a)); m12=cos(teta(a)); m21=n(a); m22=-n(a); m=[m11 m12; m21 m22]; M2=M2*m*p*inv(m); end, D=inv(m0)*M*M1*M2*ms; % theo cau truc cua cavity: n0 + (n1*d1_n2*d2)x N lan + lop lambda/2 + (n1*d1_n2*d2)x N lan + substrate(ns) R(r)=(abs(D(2,1)/D(1,1)))^2; 88 end % R1(r)=(abs(F(2,1)/F(1,1)))^2; % end figure(1) plot(lamda,R,'r','linewidth',0.5); % Chon kich thuoc line cua thi grid on axis([450 1200 1.1]) title('Reflectivity Spectrum of microcavity structure','fontsize',18) xlabel('Wavelength (nm)','fontsize',18) ylabel('Reflectivity','fontsize',18) saveas(gca,['Cavity.png'],'png') % Save hinh ket qua duoi dang anh, luu thu muc dang chay chuong trinh hold on ... HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN ĐẠI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU CÓ CẤU TRÚC BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG LÀM BẰNG SILIC XỐP ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN CHO CÁC DUNG MÔI HỮU CƠ Chuyên ngành: Vật liệu... nghiệm chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: Nghiên cứu chế tạo tinh thể quang tử chiều có cấu trúc buồng vi cộng hưởng làm silic xốp ứng dụng làm cảm biến cho dung môi hữu cơ Ngoài phần mở đầu... nguyên lí ứng dụng buồng vi cộng hưởng 1D dựa Silic xốp làm cảm biến xác định dung môi hữu pha pha lỏng 1.1 Tinh thể quang tử 1.1.1 Khái niệm tinh thể quang tử Tinh thể quang tử cấu trúc tuần