Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm nghiên cứu chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D bằng phương pháp ăn mòn điện hóa trên đế silic với vùng bước sóng hoạt động trong vùng khả kiến từ 200÷800 nm. Cấu trúc vi cộng hưởng 1D này có độ phản xạ cao, có độ bán rộng khe hẹp và kích thước lỗ xốp đồng đều.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THÚY VÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D LÀM CẢM BIẾN QUANG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THÚY VÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D LÀM CẢM BIẾN QUANG Chuyên ngành: Vật liệu Quang học, Quang điện tử Quang tử Mã sỗ: 62 44 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phạm Văn Hội PGS TS Bùi Huy Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Hội PGS.TS Bùi Huy, người thầy định hướng cho tư khoa học, tận tình bảo tạo nhiều thuận lợi cho tơi q trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp phòng Vật liệu ứng dụng quang sợi (TS Ngô Quang Minh, ThS Phạm Thanh Bình, TS Hồng Thị Hồng Cẩm, CN Phạm Văn Đại….) – người giúp đỡ, khích lệ, động viên tơi suốt thời gian làm luận án Trong thực luận án, nhận giúp đỡ nhiệt tình cán Phòng Vật liệu Quang điện tử (KSC Đặng Quốc Trung, KS Lê Hữu Minh, KS Trần Anh Vũ) Tôi chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu Tôi xin chân thành cảm ơn cán Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia vật liệu linh kiện điện tử, Viện khoa học vật liệu giúp thực phép đo ảnh vi hình thái SEM, phổ huỳnh quang… Tơi chân thành cảm ơn tất đồng nghiệp đồng tác giả cơng trình khoa học cơng bố cho phép tơi sử dụng cơng trình Luận án Tôi xin chân thành cảm ơn cán Bộ phận đào tạo sau đại học, Viện Khoa học vật liệu Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình thực Luận án Lời cám ơn tự đáy lòng xin dành cho người thân tôi! I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận án trích dẫn từ số báo xuất đồng tác giả Các kết luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận án NCS Nguyễn Thúy Vân II DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1D, 2D, 3D Dimension, Dimension, Dimension chiều, chiều, chiều Bảo vệ thực vật BVTV DBR Distributed Bragg Reflector Gương phản xạ Bragg phân bố PC Photonic Crystals Tinh thể quang tử PBG Photonic Bandgap Vùng cấm quang PWE The plane wave expansion method Phương pháp khai triển sóng phẳng TMM Transfer Matrix Method Phương pháp ma trận chuyển FDTD Finite Difference Time Domain Miền thời gian sai phân hữu hạn LOD Limit of detection Giới hạn phát RIU Refractive index unit Đơn vị số chiết suất SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyển qua III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D VÀ VẬT LIỆU SILIC XỐP 1.1 Sự đời tinh thể quang tử .6 1.2 Khái niệm phân loại tinh thể quang tử 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại tinh thể quang tử .9 1.2.3 Tính chất tinh thể quang tử .13 1.3 Vi cộng hưởng quang tử 1D sở silic xốp 18 1.3.1 Lịch sử silic xốp 18 1.3.2 Cơ sở cho trình hình thành silic xốp 20 1.4 Silic xốp ứng dụng cảm biến 26 1.4.1 Cấu trúc cảm biến nguyên lý hoạt động 27 1.4.2 Cảm biến hóa học .28 1.4.3 Cảm biến phân tử sinh học .29 KẾT LUẬN CHƯƠNG 32 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC CỦA VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D TRÊN NỀN VẬT LIỆU SILIC XỐP 33 2.1 Chiết suất silic, không khí silic xốp mơ hình Kronig - Penny .33 2.1.1 Chiết suất silic, khơng khí silic xốp .33 2.1.2 Mơ hình Kronig – Penny 35 2.2 Phương pháp ma trận chuyển (Transfer Matrix Method) 39 2.2.1 Công thức ma trận chuyển cho màng mỏng 41 2.2.2 Công thức ma trận chuyển cho cấu trúc đa lớp 44 2.2.3 Cấu trúc phần tư bước sóng 46 2.2.4 Vi cộng hưởng dựa cấu trúc phần tư bước sóng tinh thể quang tử 1D (1D PhC) 47 IV 2.3 Các kết mô vùng cấm quang phổ phản xạ cấu trúc 1D PhC 49 2.3.1 Ảnh hưởng thông số DBRs lên phổ phản xạ vi cộng hưởng quang tử 1D 51 2.3.2 Các thông số lớp khuyết tật ảnh hưởng tới phổ phản xạ vi cộng hưởng quang tử 1D 53 2.4 Các thông số cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D ảnh hưởng tới độ nhạy cảm biến quang 55 2.4.1 Ưu điểm cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm silic xốp cho cảm biến quang 55 2.4.2 Các thông số cấu trúc vi cộng hưởng 1D ảnh hưởng tới độ nhạy cảm biến 56 KẾT LUẬN CHƯƠNG 61 CHƯƠNG CHẾ TẠO CẤU TRÚC VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP 62 3.1 Nguyên lý, qui trình chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm silic xốp 62 3.1.1 Nguyên lý chế tạo 62 3.1.2 Qui trình chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng 1D 63 3.2 Thiết kế chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D 65 3.2.1 Thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D 65 3.2.2 Thiết kế cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D 67 3.3 Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc đặc tính quang học vật liệu silic xốp 69 3.3.1 Phương pháp nghiên cứu vi hình thái cấu trúc vật liệu xốp 70 3.3.2 Nghiên cứu phương pháp ghép lăng kính để đo chiết suất chiều dày vật liệu silic xốp 72 3.3.3 Phương pháp đo phổ phản xạ cấu trúc màng đa lớp silic xốp 73 3.4 Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D 75 3.4.1 Cấu trúc cặp lớp silic xốp .75 3.4.2 Cấu trúc đa lớp silic xốp 78 3.4.3 Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm silic xốp .79 V 3.5 Thiết kế hệ thiết bị cảm biến quang tử nano dựa cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm silic xốp .84 3.5.1 Mục tiêu thiết kế thiết bị cảm biến 84 3.5.2 Sơ đồ khối thiết bị cảm biến .85 3.5.3 Bản thiết kế hệ thiết bị cảm biến .87 KẾT LUẬN CHƯƠNG 91 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH DƯ LƯỢNG MỘT SỐ THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DỰA TRÊN CẤU TRÚC VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D LÀM BẰNG SILIC XỐP 92 4.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang dựa cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm silic xốp .92 4.2 Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D cho ứng dụng cảm biến .94 4.3 Khảo sát đo cảm biến với dung môi hữu 95 4.3.1 Các đường chuẩn thực nghiệm dung môi hữu tinh khiết.95 4.3.2 Ứng dụng đo cảm biến dung môi hữu xăng sinh học 98 4.4 Ứng dụng cảm biến quang đo loại thuốc bảo vệ thực vật môi trường nước 101 4.4.1 Giới thiệu thuốc bảo vệ thực vật .101 4.4.2 Các đường thực nghiệm khảo sát nồng độ thuốc BVTV nước 103 KẾT LUẬN CHƯƠNG 110 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ MỘT SỐ DUNG MÔI HỮU CƠ DỰA TRÊN CẤU TRÚC VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D LÀM BẰNG SILIC XỐP 111 5.1 Cơ sở lý thuyết 112 5.2 Xác định nồng độ dung mơi hữu phương pháp hóa hợp chất hữu 115 5.2.1 Đáp ứng cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ vận tốc dòng khí 116 5.2.2 Khảo sát độ nhạy cảm biến sử dụng phương pháp khác 121 5.3 Ứng dụng cấu trúc vi cộng hưởng 1D dựa vật liệu silic xốp làm cảm biến xác định hàm lượng methanol ethanol .126 5.3.1 Xác định hàm lượng methanol ethanol 127 VI 5.3.2 Xác định hàm lượng ethanol methanol rượu chế phẩm từ cồn công nghiệp 130 KẾT LUẬN CHƯƠNG 135 KẾT LUẬN CHUNG 136 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO .140 VII DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Cấu trúc vùng cấm quang tính dọc theo đường đối xứng vùng Brillouin tinh thể quang tử 3D với mạng FCC bao gồm cầu khơng khí vật liệu điện môi với chiết suất 3.5 Tỉ số lấp đầy 86% khơng khí 14% vật liệu điện môi Dọc theo X-U-L X-W-K, đường chấm đường vạch liền cho thấy dải kết hợp với ánh sáng phân cực s p Hình 1.2 Cấu trúc vùng tinh thể quang tử với mạng tinh thể FCC đảo Hình 1.3 Quan sát cánh lồi trùng theo hai hướng khác diện góc nghiêng (a) - (c) khơng khí (b) - (d) nhúng vào ethanol lỏng Sự thay đổi màu sắc cánh côn trùng góc nhìn thay đổi: (e) vng góc (f) song song với tĩnh mạch cánh Giản đồ minh họa cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D, 3D Tinh thể quang tư 1D có cấu trúc màng điện môi với số điện môi tuần hoàn theo phương z Hằng số mạng a, hai màu khác thể hai vật liệu với số điện mơi khác Hình 1.6 Tinh thể quang tử 2D dạng cột (rod) 10 Hình 1.7 Tinh thể quang tử 2D dạng lỗ (hole) 10 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Ví dụ kiểu mạng tinh thể quang tử ba chiều: (a) lập phương tâm mặt (FCC), (b) xếp chồng đống gỗ, (c) mạng xoắn ốc, (d) mạng gần kim cương Các tinh thể quang tử tự nhiên: (a) phát ngũ sắc màu xanh hình ảnh SEM cấu trúc 1D cánh bướm Morpho (b) Bộ lông nhiều màu công hình ảnh TEM mặt cắt ngang cấu trúc 2D vùng màu xanh cánh (c) Đá tự nhiên opal hình ảnh SEM cấu trúc cầu silica (d) cánh bướm Sasakia Charonda hình ảnh SEM cấu trúc 3D vùng màu trắng (e) Mô tả sơ đồ cấu trúc 1C, 2D 3D PhC, với màu khác đại diện cho số điện môi khác nhau, chu kỳ theo một, hai ba hướng Q trình truyền sóng điện từ qua PC 1D trường hợp bước sóng nằm vùng cấm Sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm quang vào độ tương phản chiết suất đươc tính tốn cho ba kiểu màng đa lớp khác Trong ba trường hợp lớp có chiều dày 0,5a Hình (a): lớp có chiết suất ε=13, hình (b): chiết suất lớp ε 13 12; hình (c): chiết suất lớp ε 13 Sơ đồ buồng vi cộng hưởng quang tử 1D Chiết suất lớp đệm ns bề dày ds Lớp đệm đưa vào hai DBR đối xứng tương ứng với chiết suất lớp nH, nL bề dày dH, dL Tia phản xạ tia truyền qua trường hợp màng đơn lớp (a) trường hợp màng đa lớp (b) Sơ đồ cấu trúc DBR tuần hoàn, ni di chiết suất bề dày tương ứng lớp i, N số chu kỳ 11 12 14 14 16 16 17 Sơ đồ ăn mòn điện hóa silic 21 Đường cong đặc trưng i-V cho silic pha tạp loại n p dung dịch HF nước Đường nét liền đáp ứng vùng tối VIII 22 ... Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất vi cộng hưởng quang tử 1D làm cảm biến quang lựa chọn làm đề tài nghiên cứu luận án Mục đích luận án - Nghiên cứu chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử. .. VÀ ĐÀO TẠO VI N HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VI T NAM HỌC VI N KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THÚY VÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D. .. lý hoạt động cảm biến quang dựa cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm silic xốp .92 4.2 Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D cho ứng dụng cảm biến .94 4.3 Khảo sát đo cảm biến với dung