Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry - Perot cấu trúc tinh thể quang tử một chiều và ứng dụng trong cảm biến quang

Bài viết này trình bày tổng quan về tinh thể quang tử, phương pháp mô phỏng FDTD cũng như các kết quả thực nghiệm về chế tạo và đo đạc phổ đặc trưng của buồng vi cộng hưởng Fabry- Perot. Bằng cách quan sát sự dịch bước sóng cộng hưởng trong phổ phản xạ khi nhúng vào các chất lỏng có chiết suất khác nhau, chúng ta có thể phân biệt được các loại chất lỏng.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 3, Số (2015) NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG FABRY - PEROT CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN QUANG Hoàng Lê Hà*, Nguyễn Văn Ân Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Khoa học Huế *Email:hoangleha87@gmail.com TĨM TẮT Nội dung báo đề cập đến tinh thể quang tử ứng dụng buồng vi cộng hưởng Fabry- Perot có cấu trúc tinh thể quang tử chiều cảm biến quang phân biệt chất lỏng Bài báo này trình bày tổng quan tinh thể quang tử, phương pháp mô FDTD kết thực nghiệm chế tạo đo đạc phổ đặc trưng buồng vi cộng hưởng Fabry- Perot Bằng cách quan sát dịch bước sóng cộng hưởng phổ phản xạ nhúng vào chất lỏng có chiết suất khác nhau, phân biệt loại chất lỏng Đây kết bước đầu cho việc xây dựng cảm biến quang phân biệt chất lỏng khác sau Từ khóa: Fabry- Perot, FDTD, tinh thể quang tử MỞ ĐẦU Hiện cảm biến quang ứng dụng quan trọng kiểm sốt bảo vệ mơi trường[4], thí dụ chúng sử dụng để xác định loại hóa chất nồng độ chúng mơi trường thông qua thay đổi nhỏ chiết suất Các cảm biến quang đà phát triển thể ưu điểm vượt trội kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ, độ nhạy cao, bị ảnh hưởng nhiễu xạ từ trường có độ bền cao mơi trường khắc nghiệt Do nhiều cảm biến quang có khả thay cảm biến truyền thống ứng dụng đo đại lượng vật lý, hóa học hay sinh học Tinh thể quang tử loại vật liệu có cấu trúc khơng gian tuần hồn vật liệu có số điện mơi khác Sự biến đổi tuần hồn số điện mơi làm xuất vùng cấm quang (photonic band gap - PBG) cấu trúc vùng (được hiểu mối liên hệ tần số số sóng) tinh thể quang tử[6].Trong đó, tinh thể quang tử chiều cấu trúc mà tuần hồn số điện mơi hướng theo chiều xác định hai chiều c n lại không đổi Buồng vi cộng hưởng a ry- rot ụng cấu trúc tinh thể quang tử chiều có bước sóng cộng hưởng nhạy với thay đổi độ dày chiết suất lớp xốp màng Do đó, thơng qua ự dịch phổ buồng vi cộng hưởng mà ta xác định thay đổi chiết suất cho chiều dày cố định Dựa vào đặc tính 55 Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry - Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều … sử dụng buồng vi cộng hưởng làm cảm biến cho chất sinh hóa mơi trường lỏng khí TỔNG QUAN VỀ BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG FABRY- PEROT CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO 2.1 Đặc trưng buồng vi cộng hưởng Fabry- Perot Buồng vi cộng hưởng ụng cấu trúc tinh thể quang tử chiều gồm gương phản xạ Bragg (DBR) nằm đối xứng với qua lớp không gian Cấu trúc buồng vi cộng hưởng trình bày hình vẽ bao gồm DBR1, DBR2 gương Bragg lớp không gian Cả hai thành phần gương Bragg lớp không gian ảnh hưởng mạnh đến đặc tính buồng cộng hưởng ưới ẽ nghiên cứu chi tiết thành phần [1,6] Hình Minh hoạ cấu tạo buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử chiều Chiết suất lớp không gian ns bề dày lớp ds Lớp không gian đưa vào hai DBR đối xứng với chiết suất lớp nH, nL bề dày dH, dL Tương tự tính chất tuần hồn trường đơn tinh thể chất rắn làm nảy sinh vùng cấm lượng, tính chất tuần hồn hàm điện mơi tinh thể quang tử làm xuất vùng cấm quang mà thể phổ phản xạ dải ước sóng với độ phản xạ cao hình [6] Lớp không gian uồng vi cộng hưởng x m sai hỏng tính tuần hồn hàm điện môi tinh thể quang tử Điều tương ứng với trạng thái cho phép vùng cấm quang mà thể phổ phản xạ khe hẹp với độ phản xạ đột ngột giảm xuống thấp chí xấp xỉ khơng Bước sóng ứng với trạng thái cho phép gọi ước sóng cộng hưởng CH Bước sóng có quan hệ với bề dày quang học lớp không gian bề dày quang học DBR au nS d S  CH nS d S  CH (1) nL d L  n H d H  56 CH (2) Hệ số phản xạ (%) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 3, Số (2015) 100 80 60 40 20 450 480 510 540 570 600 630 Bước sóng (nm) Hình Minh họa phổ phản xạ buồng vi cộng hưởng có hệ số phản xạ xấp xỉ khơng ứng bước sóng cộng hưởng CH = 508,31 nm Bước sóng cộng hưởng nhạy với thay đổi bề dày vật lý chiết suất lớp khơng gian Nói cách khác, bề dày quang học lớp khơng gian định đến ước sóng cộng hưởng buồng vi cộng hưởng [4] Cụ thể ước sóng cộng hưởng thay đổi buồng vi cộng hưởng nhúng vào chất lỏng có chiết suất khác Thông qua dịch phổ, xác định chiết suất chất lỏng nhúng vào 2.2 Quy trình chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry- Perot Hiện phương pháp chế tạo tinh thể quang tử chiều dựa màng Silic xốp đa lớp th o quy trình ăn m n điện hóa quan tâm điều khiển tương đối xác chiết suất độ dày lớp Từ tạo buồng vi cộng hưởng ý muốn cách tạo khuyết tật (sai hỏng) tinh thể quang tử 1D, tạo tiền đề cho phát triển laser hay cảm biến hóa inh… Silic xốp tạo nhiều phương pháp chế tạo hương pháp ăn m n điện hóa phương pháp đơn giản để tạo Silic xốp Cụ thể, việc điện hóa phiến Silic dung dịch có chứa HF tạo Silic xốp với đặc tính mong muốn [3,4,5] Hình Minh họa trình ăn m n Silic th o phương pháp điện hóa Phương trình phản ứng hóa học tổng quát : Si + HF  H2SiF6 + H2 +2H+ + 2e57 (3) Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry - Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều … Buồng vi cộng hưởng tạo cách ăn m n để tạo gương phản xạ Bragg (DBR) phía với bề dày quang học lớp λ/4, lớp có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau, au ăn m n lớp khơng gian với bề dày quang học λ/2 với chiết suất chiết suất lớp có độ xốp cao (tương ứng với chiết suất thấp) cuối ăn m n để tạo DBR phía ưới với điều kiện giống DBR chế tạo bên Mỗi chu kỳ bao gồm lớp có độ xốp thấp lớp có độ xốp cao, o nửa chu kỳ có nghĩa chế tạo lớp có độ xốp thấp [5] Để tạo lớp có chiết suất thay đổi tuần hồn nằm xen kẽ mật độ ng điện thay đổi bảng au đây, mật độ dòng điện tương ứng với độ xốp khác Ngoài ra, thời gian ăn m n ẽ định bề dày lớp[1,2] Bảng Các điều kiện ăn m n để chế tạo buồng vi cộng hưởng [5] Mô tả Gương (Chu kỳ N+0,5) Lớp không gian Gương ưới (Chu kỳ N+1) Mật độ ng (mA/cm2) 15 50 50 15 50 Thời gian (s) 6,35 3,63 7,26 6,35 3,63 Lý thuyết ước sóng cộng hưởng uồng vi cộng hưởng Fabry- Perot phụ thuộc chủ yếu vào bề dày lớp vật liệu chiết suất lớp sai hỏng Khi nhúng cảm biến vào chất lỏng có chiết suất khác phần tử chất lỏng lấp đầy lỗ xốp buồng vi cộng hưởng Một cách gần ta giả sử bề dày vật liệu lớp không thay đổi tác động Tuy nhiên chiết suất lớp cấu thành nên buồng vi cộng hưởng lại thay đổi so với an đầu Kết ước sóng cộng hưởng thay đổi mà cụ thể ước sóng dịch phía ước sóng dài Bước sóng cộng hưởng nhúng vào môi trường chiết suất này phụ thuộc vào chiết suất bề dày lớp sai hỏng theo quan hệ nS d S  CH dS x m không đổi Sự thay đổi chiết suất nS lớp xốp phụ thuộc vào chiết suất chất lỏng nhúng vào độ xốp lớp Giá trị chiết suất xác định từ phương trình hiệu dụng Bruggeman th o phương pháp au Ở Silic xốp xem hỗn hợp Silic khơng khí, chiết suất Silic xốp dự đoán ẽ thấp o với chiết suất khối Silic Việc xác định xác chiết suất trung bình Silic khơng khí dựa vào trọng lượng riêng khơng phải lúc xác Do việc trộn lẫn hỗn hợp gồm pha thang chiều dài nhỏ nhiều so với ước sóng vùng khả kiến hồng ngoại nên mơ hình môi trường hiệu dụng sử dụng để xác định chiết suất Silic xốp Điển hình mơ hình hiệu dụng đưa ởi Bruggeman Mơ hình Brugg man đặc trưng ởi phương trình: 58 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế (1  P) Tập 3, Số (2015) n Si  n PSi n void  n PSi  P  (4) n Si  2n PSi n void  2n PSi Trong đó: độ xốp- tỷ phần khối lượng Silic xốp bị hòa tan q trình điện hóa so với khối lượng Silic an đầu, nSi = 3,42 số điện môi Silic, nPSi số điện môi hiệu dụng Silic xốp, nvoid =1là số điện môi chỗ trống Q trình tính tốn mơ thay đổi phổ phản xạ tuân theo ước au[4] - Ta xác định chiết suất lớp xốp dựa vào ước sóng cộng hưởng thực nghiệm an đầu chưa nhúng vào chất lỏng bề dày lớp xốp từ ảnh SEM (Scanning Electron Microscopy) theo quan hệ nS d S  CH  nL d L  nH d H  CH - Xác định độ xốp PH PL lớp độ xốp cao thấp theo giá trị số điện môi lớp xốp an đầu cảm biến đặt khơng khí dựa vào phương trình Brugeman Trong tính tốn mơ chúng tơi xác định trước nhúng vào chất lỏng PH= 0,34 PL=0,62 - Xác định giá trị số điện môi lớp xốp lỗ xốp (chỗ trống) lấp đầy chất lỏng có chiết suất điện môi biết trước ựa th o phương trình Brugg man với giá trị độ xốp xác định - Xác định ước sóng cộng hưởng nhúng cảm biến vào chất lỏng theo phổ phản xạ mô Kết chế tạo đo đạc thực tế Buồng vi cộng hưởng Fabry-Perot chúng tơi thiết kế có hưởng ước sóng cộng CH  508,31 ứng với thông số đặc trưng au: - Chu kỳ gương DBR phía trên: N= 4,5 - Chu kỳ gương DBR phía ưới (lớp át đế Silic): N= - Bề dày lớp chiết suất cao (độ xốp thấp): dH = 49,45 nm - Bề dày lớp chiết suất thấp (độ xốp cao): dL = 71,79 nm - Bề dày lớp không gian sai hỏng: dS= 143,59 nm - Chiết suất lớp có độ xốp thấp: nH= 2,57 - Chiết suất lớp có độ xốp cao: nL= 1,77 - Chiết suất lớp không gian sai hỏng: nS=nL =1.77 Sau kết cấu trúc buồng vi cộng hưởng chụp phương pháp cộng hưởng từ Mặt cắt ngang gương Bragg có số chu kỳ N tương ứng 4,5 Mỗi chu kỳ bao gồm lớp có chiết suất cao lớp có chiết suất thấp Độ tương phản 59 Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry - Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều … (sáng tối hơn) lớp có chiết suất khác thể rõ ảnh sử dụng ảnh để xác định số lớp đánh giá chiều dày chu kỳ (gồm lớp liền kề) chiều dày toàn màng mỏng Ảnh FE- SEM chứng chứng tỏ chế tạo gương Bragg gồm lớp Silic xốp có chiết suất khác xếp tuần hồn theo chiều Hình Ảnh FE- SEM buồng vi cộng hưởng Fabry- Perot [6] a) b) Hình a) Ảnh chụp FE- SEM biểu diễn trật tự lỗ xốp cấu trúc b) Ảnh FE- SEM hai lớp liền kề có mật độ dòng 15 50 mA/cm2 Tiến hành đo phổ phản xạ buồng vi cộng hưởng nhúng vào mơi trường chất lỏng khác máy phân tích phổ Cary- 5000 chúng tơi có kết dịch ước sóng thể ảng Chúng tơi có nhận xét thay đổi môi trường xung quanh chất lỏng có chiết suất tăng ần ước sóng cộng hưởng tăng th o Trong trường hợp chất lỏng nhúng vào Ethanol Ax ton độ dịch ước sóng gần trùng Nguyên nhân chiết suất hai chất lỏng có giá trị gần nên độ dịch phổ gần tương đương Nếu sử dụng cảm biến để phân biệt Ethanol Axeton khơng phù hợp Do chất lỏng có chiết suất gần cách phân iệt cách nhúng trực tiếp cảm biến vào chất lỏng không hiệu Bảng Bảng đối chiếu ước sóng cộng hưởng theo chiết suất mơi trường Dung ịch hữu Chiết uất Khơng khí Methanol (99.5%) Ethanol (99.7%) Axeton (99.5%) 1.328 1.3614 1.3644 60 Bước óng cộng hưởng (nm) 508.31 573.62 580.06 580.91 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Isopropanol (99.7%) Methylene Chloride(CH2Cl2) Toluen (99.5%) 1.3776 1.4242 1.494 Tập 3, Số (2015) 583.17 592.01 605.11 So với kết tính tốn mơ th o phương pháp phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) chúng tơi có nhận xét ước sóng cộng hưởng hai kết tương đối trùng hợp Hình So sánh kết thực nghiệm tính tốn mơ phổ phản xạ cảm biến khơng khí Hình So sánh kết thực nghiệm tính tốn mơ quan hệ độ dịch ước sóng độ thay đổi chiết suất mơi trường Từ kết thu đo ước sóng cộng hưởng, tiến hành vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ độ dịch ước óng độ thay đổi chiết suất môi trường thực tế sở đối chiếu kết lý thuyế Hình quan hệ độ dịch ước sóng cộng hưởng độ thay đổi chiết suất môi trường so sánh đo đạc thực nghiệm tính tốn mơ Ta có 61 Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry - Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều … nhận xét kết thực nghiệm tính tốn mơ có độ sai lệch định Tuy nhiên hai kết thể mối quan hệ tuyến tính độ dịch ước óng độ thay đổi chiết suất Qua đồ thị hình vẽ ta quan sát mức thay đổi ước sóng cộng hưởng phụ thuộc vào thay đổi chiết suất ta cho cảm biến nhúng chất lỏng khác Methanol, Ethanol, Axeton, Isopropanol, Methylen Chloride Toluen Từ ta rút kết luận chất lỏng có chiết suất khác sử dụng cảm biến quang buồng vi cộng hưởng Silic đa lớp xốp cho ta độ dịch ước sóng cộng hưởng khác nhau, từ ta xác định phẩm chất chúng Ngồi chúng tơi xác định độ nhạy cảm biến trường hợp chất lỏng khác qua xác định độ nhạy cảm biến (Δλ/Δn) trung ình 198.06 nm/RIU Độ nhạy có nghĩa máy Cary-5000 phát thay đổi ước sóng 0.1nm thay đổi chiết suất tối thiểu lớp Silic xốp 5,04.10-4 Các kết thực nghiệm đo đạc ước sóng cộng hưởng 508.31 nm số phẩm chất cảm biến 62,75 Ta có nhận xét cảm biến sử dụng có số chu kỳ gương DBR 4,5/5 nên số phẩm chất mức trung bình Trong trình chế tạo tăng giá trị số phẩm chất tăng ố chu kỳ gương DBR độ tương phản chiết suất Tuy nhiên gương DBR ày ẽ ngăn cản thẩm thấu phân tử chất lỏng vào buồng vi cộng hưởng gây khó khăn cho việc xác định thành phần chất lỏng KẾT LUẬN Trong ài áo trình ày quy trình chế tạo buồng vi cộng hưởng có cấu trúc màng đa lớp slilic xốp phương pháp ăn m n điện hóa có chiết suất bề dày vật lý tùy ý với độ đồng cao có cấu trúc vi mơ với số phẩm chất ước sóng cộng hưởng λCH = 508.31 nm 62,75 Ngồi chúng tơi thử nghiệm thành công cảm biến sử dụng buồng vi cộng hưởng có cấu trúc màng đa lớp Silic xốp với dung dịch hữu khác M tanol, Ethanol, I opropanol… Kết phù hợp với tính tốn mơ phương pháp FDTD Từ kết thu kết luận rằng: buồng vi cộng hưởng dựa màng Silic xốp đa lớp ngâm môi trường có chiết suất cao khơng khí chiết suất lớp điện môi tăng lên Kết phổ phản xạ cảm biến dịch chuyển phía ước sóng dài 62 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 3, Số (2015) LỜI CÁM ƠN Các kết chế tạo đo đạc thực phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia linh kiện vật liệu điện tử thuộc viện Khoa học vật liệu- Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Các kết hoàn thành hỗ trợ kinh phí đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (VAST) mã số VAST03.06/13-14 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Do Thuy Chi, Bui Huy, Nguyen Thuy Van and Pham Van Hoi, (2011), "Investigation of 1D Photonic Crystal Based on Nano-porous Silicon Multilayer for Optical Filtering", Communications in Physics 21, pp 89-96 [2] Do Thuy Chi, Bui Huy, Nguyen Thuy Van, Nguyen The Anh and Pham Van Hoi, (2011), "A microcavity based on a porous Silicon multilayer", Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 2, 035001 [3] Pham Van Hoi, Do Thuy Chi, Bui Huy and Nguyen The Anh, (2011), Silicon–Rich Silicon Oxide Thin Films Fabricated by Electro- Ch mical M tho , Ch.2, Book “Opto l ctronic - Materials and Techniques" ISBN 978-953-307-276-0 Edited by Padmanabhan Predeep, Publisher InTech 24 [4] Pham Van Hoi, Bui Huy, Hoang Le Ha, Nguyen Thuy Van, Nguyen The Anh, Pham Thanh Son and Ngo Quang Minh, “Nano- porous silicon microcavity sensors for determination of organic fuel mixtur ”, Journal of th Optical Soci ty of Kor a 17, pp 423-427 [5] ]Bui Huy, Pham Van Hoi, Phan Hong Khoi, Nguyen Thuy Van and Do Thuy Chi, (2011), "Porous Silicon as a promising material for photonics", Int J Nanotechnol 8, pp 360-370 [6] John D Joannopoulo , St v n G John on, Jo hua N Winn an Ro rt D M a , (2008), “Photonic cry tal : mol ing th flow of light ( ition)”, rinc ton Univ r ity r 63 , N w J r y Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry - Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều … INVESTIGATION AND FABRICATION OF FABRY- PEROT MICROCAVITY BASED ON PHOTONIC CRYSTAL STRUCTURE FOR OPTICAL SENSOR APPLICATION Hoang Le Ha*, Nguyen Van An Faculty of Electronics and Telecommunications, Hue University of Sciences Email:hoangleha87@gmail.com ABSTRACT The main content of this paper is to focus on representing the preliminary results of fabrication and characteristics of Fabry- Perot microcavity based on nano- porous silicon structure The microcavity fabrication is an electro- chemical etching method on the silicon substrates, which could exactly control the porosity and thickness of the porous silicon layers The microcavity characteristics can be predicted by simulation calculations using the Finite Difference Time Domain (FDTD) and then obtained by experimental measurements of the different liquids with known refractive index In this article, we evaluated the microcavity chracteristics with liquids such as Methano, Ethanol….to determine the relation between resonant wavelength shift and refractive index change The simulation and experimental results indicate that resonant wavelength is shifted by refractive index change of the nano- porous layers due to the interaction with liquid ambient This relation is fundamental result for bio- chemical sensor fabrication in the future Key words: Fabry- Perot, FDTD, photonic crystal 64 ... VI CỘNG HƯỞNG FABRY- PEROT CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO 2.1 Đặc trưng buồng vi cộng hưởng Fabry- Perot Buồng vi cộng hưởng ụng cấu trúc tinh thể quang tử chiều gồm.. .Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry - Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều … sử dụng buồng vi cộng hưởng làm cảm biến cho chất sinh hóa mơi trường lỏng khí TỔNG QUAN VỀ BUỒNG VI CỘNG... phản ứng hóa học tổng quát : Si + HF  H2SiF6 + H2 +2H+ + 2e57 (3) Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng Fabry - Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều … Buồng vi cộng hưởng tạo cách ăn m n để tạo