Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất của vi cộng hưởng quang tử 1d làm cảm biến quang

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 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÁC CƠNG TRÌNH ĐƯỢC SỬ DỤNG CHO NỘI DUNG LUẬN ÁN Huy Bui, Van Hoi Pham, Van Dai Pham, Thanh Binh Pham, Thi Hong Cam Hoang, Thuy Chi Do and Thuy Van Nguyen, Development of nano-porous silicon photonic sensors for pesticide monitoring, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, volume 13, No.1, January – March 2018 H Bui, V H Pham, V D Pham, T H C Hoang, T B Pham, T C Do, Q M Ngo, and T Van Nguyen, “Determination of low solvent concentration by nanoporous silicon photonic sensors using volatile organic compound method,” Environ Technol., pp 1–9, May 2018 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 7, 015003, 17pp, 2016 Van Hoi Pham, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Van Dai Pham and Bui Huy, “Nano porous silicon microcavity sensor for determination organic solvents and pesticide in water”, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 5, 045003, 9pp, 2014 Bui Huy, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Binh Pham, Quoc Trung Dang, Thuy Chi Do, Quang Minh Ngo, Roberto Coisson, and Pham Van Hoi, “A Vapor Sensor Based on a Porous Silicon Microcavity for the Determination of Solvent Solution”, Jounal of the Optical Society of Korea, Vol 18, No 4, pp 301306, 2014 Van Hoi Pham, Huy Bui, Le Ha Hoang, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Son Pham, and Quang Minh Ngo, “Nano-porous Silicon Microcavity Sensors for Determination of Organic Fuel Mixtures”, Jounal of the Optical Society of Korea, Vol 17, No 5, pp 423-427, 2013 Nguyen Thuy Van, Pham Van Dai, Pham Thanh Binh, Tran Thi Cham, Do Thuy Chi, Pham Van Hoi and Bui Huy, “A micro-photonic sensor based on resonant porous silicon structures for liquid enviroment monitoring”, Proc of 138 Advances in optics Photonics Spectroscopy & application, Ninh Binh city, Vietnam November - 10, 2016, ISBN 978-604-913-578-1, pp 471-475, 2017 Phạm Văn Hội, Bùi Huy, Nguyễn Thúy Vân, Nguyễn Thế Anh, “Thiết bị cảm biến quang tử phương pháp để đo nồng độ dung môi hữu chất bảo vệ thực vật môi trường nước” sáng chế số: 16527, cấp theo định số: 5424/QĐ-SHTT, ngày 24.01.2017 CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN 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 & application, Ninh Binh city, Vietnam November - 10, 2016, ISBN 978-604-913-578-1, pp 404-408, 2017 Nguyen Thuy Van, Nguyen The Anh, Pham Van Hai, Nguyen Hai Binh, Tran Dai Lam, Bui Huy and Pham Van Hoi, “Optical sensors for pesticides determaination in water using nano scale porous silicon microcavity ”, Proc of Advances in Optics, Photonics, Spectrscopy & Applications VIII, ISSN 18594271, pp.603-608, 2015 Thuy Van Nguyen, Huy Bui, The Anh Nguyen, Hai Binh Nguyen, Dai Lam Tran, Roberto Coisson and Van Hoi Pham, “An improved nano porous silicon microcavity sensor for monitoring atrazine in water”, Proc of The 7th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2014)- November 02-06, 2014- Ha Long City, Vietnam, ISBN: 978604-913-301-5, pp.173-179, 2015 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] X Wu, H Onitake, Z Huang, T Shiino, Y Tahara, R Yatabe, H Ikezaki, and K Toko, “Improved Durability and Sensitivity of Bitterness-Sensing Membrane for Medicines,” Sensors, vol 17, no 11, p 2541, Nov 2017 [2] E López-García, C Postigo, B Zonja, D Barceló, and M López de Alda, “Analysis of Psychoactive Pharmaceuticals in Wastewater and Surface Water Using LC-MS,” 2017 [3] A Ertaş, M Boğa, M A Yılmaz, Y Yeşil, N Haşimi, M Ş Kaya, H Temel, and U Kolak, “Chemical Compositions by Using LC-MS/MS and GC-MS and Biological Activities of Sedum sediforme (Jacq.) Pau,” J Agric Food Chem., vol 62, no 20, pp 4601–4609, May 2014 [4] F Vaiano, G Serpelloni, M Focardi, A Fioravanti, F Mari, and E Bertol, “LC–MS/MS and GC–MS methods in propofol detection: Evaluation of the two analytical procedures,” Forensic Sci Int., vol 256, pp 1–6, Nov 2015 [5] L Pavesi, “Porous silicon dielectric multilayers and microcavities,” La Riv del Nuovo Cim., vol 20, no 10, pp 1–76, Oct 1997 [6] N Van Chuc, N H Binh, C T Thanh, N Van Tu, N Le Huy, N T Dzung, P N Minh, V T Thu, and T D Lam, “Electrochemical Immunosensor for Detection of Atrazine Based on Polyaniline/Graphene,” J Mater Sci Technol., vol 32, no 6, pp 539–544, Jun 2016 [7] B H Nguyen, B T Nguyen, H Van Vu, C Van Nguyen, D T Nguyen, L T Nguyen, T T Vu, and L D Tran, “Development of label-free electrochemical lactose biosensor based on graphene/poly(1,5- diaminonaphthalene) film,” Curr Appl Phys., vol 16, no 2, pp 135–140, Feb 2016 [8] P T Do, P Q Do, H B Nguyen, V C Nguyen, D L Tran, T H Le, L H Nguyen, H V Pham, T L Nguyen, and Q H Tran, “A highly sensitive electrode modified with graphene, gold nanoparticles, and molecularly imprinted over-oxidized polypyrrole for electrochemical determination of dopamine,” J Mol Liq., vol 198, pp 307–312, Oct 2014 140 [9] S Bayliss, Structural and Optical Properties of Porous Silicon Nanostructures CRC Press; edition (February 25, 1998), 1998 [10] M Arroyo-Hernández, R J Martín-Palma, V Torres-Costa, and J M Martínez Duart, “Porous silicon optical filters for biosensing applications,” J Non Cryst Solids, vol 352, no 23–25, pp 2457–2460, 2006 [11] L De Stefano, L Moretti, I Rendina, and L Rotiroti, “Pesticides detection in water and humic solutions using porous silicon technology,” Sensors Actuators B Chem., vol 111–112, no SUPPL., pp 522–525, Nov 2005 [12] L De Stefano, L Moretti, I Rendina, and A M Rossi, “Porous silicon microcavities for optical hydrocarbons detection,” Sensors Actuators, A Phys., vol 104, no 2, pp 179–182, 2003 [13] C Steinem, A Janshoff, V S.-Y Lin, N H Völcker, and M Reza Ghadiri, “DNA hybridization-enhanced investigations and prospect porous for silicon optical corrosion: mechanistic interferometric biosensing,” Tetrahedron, vol 60, no 49, pp 11259–11267, Nov 2004 [14] V Mulloni and L Pavesi, “Porous silicon microcavities as optical chemical sensors,” Appl Phys Lett., vol 76, no 18, pp 2523–2525, 2000 [15] C Pacholski, “Photonic Crystal Sensors Based on Porous Silicon,” Sensors, vol 13, no 4, pp 4694–4713, Apr 2013 [16] L Rayleigh, “On the maintenance of vibrations by forces of double frequency, and on the propagation of waves through a medium endowed with a periodic structure,” Philos Mag., vol 24, no 147, pp 145–159, Dec 1887 [17] V P Bykov, “Spontaneous Emission in a Periodic Structure,” Sov Phys JETP, vol 35, no 2, pp 269–273, 1972 [18] E Yablonovitch, “SpontaneousEmission-Yablonovitch,” Phys Rev Lett., vol 58, no 20, pp 2059–2062, 1987 [19] S John, “Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices,” Physical Review Letters, vol 58, no 23 pp 2486–2489, 1987 [20] K M Ho, C T Chan, and C M Soukoulis, “Existence of a photonic gap in 141 periodic dielectric structures,” Phys Rev Lett., vol 65, no 25, pp 3152– 3155, Dec 1990 [21] H S Sozuer, J W Haus, and R Inguva, “Photonic bands: Convergence problems with the plane-wave method,” Phys Rev B, vol 45, no 24, pp 13962–13972, Jun 1992 [22] J E Wijnhoven, “Preparation of Photonic Crystals Made of Air Spheres in Titania,” Science (80- )., vol 281, no 5378, pp 802–804, Aug 1998 [23] A Blanco, E Chomski, S Grabtchak, M Ibisate, S John, S W Leonard, C Lopez, F Meseguer, H Miguez, J P Mondia, G A Ozin, O Toader, and H M van Driel, “Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres,” Nature, vol 405, no 6785, pp 437–40, 2000 [24] S Kinoshita, S Yoshioka, and J Miyazaki, “Physics of structural colors,” Reports Prog Phys., vol 71, no 7, p 76401, Jul 2008 [25] V H Pham, H Bui, T Van Nguyen, T A Nguyen, T S Pham, V D Pham, T C Tran, T T Hoang, and Q M Ngo, “Progress in the research and development of photonic structure devices,” Adv Nat Sci Nanosci Nanotechnol., vol 7, no 1, p 15003, Jan 2016 [26] I Alvarado-Rodriguez, “Fabrication of two-dimensional photonic crystal single-defect cavities and their characterization by elastic scattering,” A Diss Dr Philos Electr …, 2003 [27] K A Atlasov, K F Karlsson, A Rudra, B Dwir, and E Kapon, Wavelength and loss splitting in directly coupled photonic-crystal defect microcavities, vol 16, no 20 2008 [28] J D Joannopoulos, S G Johnson, J N Winn, and R D Meade, Photonic Crystals Molding the Flow of Light United Kingdom, 2007 [29] T Chen, Z.-Y Deng, S.-N Yin, S Chen, and C Xu, “The fabrication of 2D and 3D photonic crystal arrays towards high performance recognition of metal ions and biomolecules,” J Mater Chem C, vol 4, no 7, pp 1398– 1404, 2016 142 [30] C Bourdillon, Phan Ngoc Hong, S Gam-Derouich, P Benalloul, L Coolen, A Maitre, M.-C Faure, M Goldmann, and C Schwob, “Fabrication and optimization of planar defects embedded between two silica opals,” in 2015 17th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2015, vol 2015–Augus, no c, pp 1–4 [31] A Avoine, P N Hong, H Frederich, J M Frigerio, L Coolen, C Schwob, P T Nga, B Gallas, and A Mtre, “Measurement and modelization of silica opal reflection properties: Optical determination of the silica index,” Phys Rev B - Condens Matter Mater Phys., vol 86, no 16, 2012 [32] E Armstrong and C O’Dwyer, “Artificial opal photonic crystals and inverse opal structures – fundamentals and applications from optics to energy storage,” J Mater Chem C, vol 3, no 24, pp 6109–6143, 2015 [33] E Yablonovitch, “Photonic Crystals: Semiconductors of Light,” Sci Am., vol 285, no 6, pp 46–55, Dec 2001 [34] P Elisabet Xifré, “Design, fabrication and characterization of porous silicon multilayer optical devices,” Universitat Rovira i Virgili, 2007 [35] A Uhlir, “Electrolytic Shaping of Germanium and Silicon,” Bell Syst Tech J., vol 35, no 2, pp 333–347, 1956 [36] P Gupta, A Dillon, A Bracker, and S George, “FTIR studies of H2O and D2O decomposition on porous silicon surfaces,” Surf Sci., vol 245, no 3, pp 360–372, Apr 1991 [37] A C Dillon, M B Robinson, M Y Han, and S M George, “Diethylsilane Decomposition on Silicon Surfaces Studied Using Transmission FTIR Spectroscopy,” J Electrochem Soc., vol 139, no 2, p 537, 1992 [38] R C Anderson, R S Muller, and C W Tobias, “Investigations of the Electrical Properties of Porous Silicon,” J Electrochem Soc., vol 138, no 11, p 3406, 1991 [39] L T Canham, “Bioactive silicon structure fabrication through nanoetching techniques,” Adv Mater., vol 7, no 12, pp 1033–1037, Dec 1995 143 [40] L T Canham, “Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers,” Appl Phys Lett., vol 57, no 10, pp 1046–1048, Sep 1990 [41] O Bisi, S Ossicini, and L Pavesi, “Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics,” Surf Sci Rep., vol 38, no 1–3, pp 1–126, Apr 2000 [42] K D Hirschman, L Tsybeskov, S P Duttagupta, and P M Fauchet, “Silicon-based visible light-emitting devices integrated into microelectronic circuits,” Nature, vol 384, no 6607, pp 338–341, Nov 1996 [43] G Korotcenkov, Ed., Porous Silicon: From Formation to Application: Biomedical and Sensor Applications CRC Press, 2015 [44] J Mizsei, “Gas sensor applications of porous Si layers,” Thin Solid Films, vol 515, no 23, pp 8310–8315, Sep 2007 [45] F Cunin, T A Schmedake, J R Link, Y Y Li, J Koh, S N Bhatia, and M J Sailor, “Biomolecular screening with encoded porous-silicon photonic crystals,” Nat Mater., vol 1, no 1, pp 39–41, Sep 2002 [46] S Chan, P M Fauchet, Y Li, L J Rothberg, and B L Mille, “Porous Silicon Microcavities for Biosensing Applications,” Phys Stat Solidi A, vol 182, no 1, pp 541–546, 2000 [47] H Bui, T Van Nguyen, T A Nguyen, T B Pham, Q T Dang, T C Do, Q M Ngo, R Coisson, and V H Pham, “A Vapor Sensor Based on a Porous Silicon Microcavity for the Determination of Solvent Solutions,” J Opt Soc Korea, vol 18, no 4, pp 301–306, Aug 2014 [48] M Rocchia, A M Rossi, and G Zeppa, “Determination of ethanol content in wine through a porous silicon oxide microcavity,” Sensors Actuators B Chem., vol 123, no 1, pp 89–93, Apr 2007 [49] I Levitsky, “Porous Silicon Structures as Optical Gas Sensors,” Sensors, vol 15, no 8, pp 19968–19991, Aug 2015 [50] W Theiß, “Optical properties of porous silicon,” Surf Sci Rep., vol 29, no 144 3–4, pp 91–192, Jan 1997 [51] R L Smith and S D Collins, “Porous silicon formation mechanisms,” J Appl Phys., vol 71, no 8, pp R1–R22, Apr 1992 [52] A J Bard, Encyclopedia of electrochemistry of the elements New York: New York : M Dekker, 1986 [53] H Föll, “Properties of silicon-electrolyte junctions and their application to silicon characterization,” Appl Phys A, vol 53, no 1, pp 8–19, 1991 [54] V Lehmann and U Gösele, “Porous silicon formation: A quantum wire effect,” Appl Phys Lett., vol 58, no 8, pp 856–858, Feb 1991 [55] P Müller, “IUPAC Manual of Symbols and Technology,” Pure Appl Chem., vol 31, no 4, pp 579–638, 1972 [56] S M Weiss, “Tunable porous silicon photonic bandgap structures: mirrors for optical interconnects and optical switching,” University of Rochester, 2005 [57] M Bahar, H Eskandari, and N Shaban, “Electrical Properties of Porous Silicon for N2 Gas Sensor,” J Theor Comput Sci., vol 4, no 1, pp 2–7, 2017 [58] R Caroselli, D Martín Sánchez, S Ponce Alcántara, F Prats Quilez, L Torrijos Morán, and J García-Rupérez, “Real-Time and In-Flow Sensing Using a High Sensitivity Porous Silicon Microcavity-Based Sensor,” Sensors, vol 17, no 12, p 2813, Dec 2017 [59] L De Stefano, L Moretti, I Rendina, and A M Rossi, “Porous silicon microcavities for optical hydrocarbons detection,” Sensors Actuators A Phys., vol 104, no 2, pp 179–182, Apr 2003 [60] A Janshoff, K.-P S Dancil, C Steinem, D P Greiner, V S.-Y Lin, C Gurtner, K Motesharei, M J Sailor, and M R Ghadiri, “Macroporous pType Silicon Fabry−Perot Layers Fabrication, Characterization, and Applications in Biosensing,” J Am Chem Soc., vol 120, no 46, pp 12108– 12116, Nov 1998 145 [61] T Jalkanen, V Torres-Costa, J Salonen, M Björkqvist, E Mäkilä, J M Martínez-Duart, and V.-P Lehto, “Optical gas sensing properties of thermally hydrocarbonized porous silicon Bragg reflectors,” Opt Express, vol 17, no 7, p 5446, Mar 2009 [62] S Ilyas, T Böcking, K Kilian, P J Reece, J Gooding, K Gaus, and M Gal, “Porous silicon based narrow line-width rugate filters,” Opt Mater (Amst)., vol 29, no 6, pp 619–622, Feb 2007 [63] V H Pham, T Van Nguyen, T A Nguyen, V D Pham, and H Bui, “Nano porous silicon microcavity sensor for determination organic solvents and pesticide in water,” Adv Nat Sci Nanosci Nanotechnol., vol 5, no 4, p 45003, Oct 2014 [64] V H Pham, H Bui, L H Hoang, T Van Nguyen, T A Nguyen, T S Pham, and Q M Ngo, “Nano-porous Silicon Microcavity Sensors for Determination of Organic Fuel Mixtures,” J Opt Soc Korea, vol 17, no 5, pp 423–427, Oct 2013 [65] F S H Krismastuti, S Pace, and N H Voelcker, “Porous Silicon Resonant Microcavity Biosensor for Matrix Metalloproteinase Detection,” Adv Funct Mater., vol 24, no 23, pp 3639–3650, Jun 2014 [66] Y Zhao, J L Lawrie, K R Beavers, P E Laibinis, and S M Weiss, “Effect of DNA-Induced Corrosion on Passivated Porous Silicon Biosensors,” ACS Appl Mater Interfaces, vol 6, no 16, pp 13510–13519, Aug 2014 [67] G A Rodriguez, S Hu, and S M Weiss, “Porous silicon ring resonator for compact, high sensitivity biosensing applications,” Opt Express, vol 23, no 6, pp 7111–7119, Mar 2015 [68] P Girault, N Lorrain, J Lemaitre, L Poffo, M Guendouz, I Hardy, M Gadonna, A Gutierrez, L Bodiou, and J Charrier, “Racetrack microresonators based on ridge waveguides made of porous silica,” Opt Mater (Amst)., vol 50, pp 167–174, Dec 2015 [69] I M White and X Fan, “On the performance quantification of resonant refractive index sensors,” Opt Express, vol 16, no 2, p 1020, 2008 146 [70] D J Sirbuly, A Tao, M Law, R Fan, and P Yang, “Multifunctional Nanowire Evanescent Wave Optical Sensors,” Adv Mater., vol 19, no 1, pp 61–66, Jan 2007 [71] X Wei, C Kang, M Liscidini, G Rong, S T Retterer, M Patrini, J E Sipe, and S M Weiss, “Grating couplers on porous silicon planar waveguides for sensing applications,” J Appl Phys., vol 104, no 12, p 123113, Dec 2008 [72] S G Kim, S Kim, Y C Ko, S Cho, and H Sohn, “DBR-structured smart particles for sensing applications,” Colloids Surfaces A Physicochem Eng Asp., vol 313–314, pp 398–401, Feb 2008 [73] J M Buriak, “Organometallic Chemistry on Silicon and Germanium Surfaces,” Chem Rev., vol 102, no 5, pp 1271–1308, May 2002 [74] M J Sailor and J R Link, “‘Smart dust’: nanostructured devices in a grain of sand,” Chem Commun., no 11, pp 1375–1383, 2005 [75] V S Lin, K Motesharei, K P Dancil, M J Sailor, and M R Ghadiri, “A porous silicon-based optical interferometric biosensor.,” Science, vol 278, no 5339, pp 840–3, Oct 1997 [76] M A Anderson, A Tinsley-Bown, P Allcock, E A Perkins, P Snow, M Hollings, R G Smith, C Reeves, D J Squirrell, S Nicklin, and T I Cox, “Sensitivity of the optical properties of porous silicon layers to the refractive index of liquid in the pores,” Phys status solidi, vol 197, no 2, pp 528–533, May 2003 [77] H Ouyang, M Christophersen, R Viard, B L Miller, and P M Fauchet, “Macroporous Silicon Microcavities for Macromolecule Detection,” Adv Funct Mater., vol 15, no 11, pp 1851–1859, Nov 2005 [78] L A DeLouise, P M Kou, and B L Miller, “Cross-Correlation of Optical Microcavity Biosensor Response with Immobilized Enzyme Activity Insights into Biosensor Sensitivity,” Anal Chem., vol 77, no 10, pp 3222– 3230, 2005 [79] H Ouyang, L A DeLouise, B L Miller, and P M Fauchet, “Label-Free Quantitative Detection of Protein Using Macroporous Silicon Photonic 147 Bandgap Biosensors,” Anal Chem., vol 79, no 4, pp 1502–1506, Feb 2007 [80] X Lv, J Mo, T Jiang, F Zhong, Z Jia, J Li, and F Zhang, “Novel multilayered porous silicon-based immunosensor for determining Hydroxysafflor yellow A,” Appl Surf Sci., vol 257, no 6, pp 1906–1910, Jan 2011 [81] L Moretti, I Rea, L De Stefano, and I Rendina, “Periodic versus aperiodic: Enhancing the sensitivity of porous silicon based optical sensors,” Appl Phys Lett., vol 90, no 19, p 191112, May 2007 [82] C Pacholski, M Sartor, M J Sailor, F Cunin, and G M Miskelly, “Biosensing Using Porous Silicon Double-Layer Interferometers: Reflective Interferometric Fourier Transform Spectroscopy,” J Am Chem Soc., vol 127, no 33, pp 11636–11645, Aug 2005 [83] L M Bonanno, T C Kwong, and L A DeLouise, “Label-Free Porous Silicon Immunosensor for Broad Detection of Opiates in a Blind Clinical Study and Results Comparison to Commercial Analytical Chemistry Techniques,” Anal Chem., vol 82, no 23, pp 9711–9718, Dec 2010 [84] A J Haija, W Larry Freeman, and R Umbel, “Review of the characteristic effective medium approximation: Fundamentals and use in calculating the optical properties of ultrathin layer structures,” Phys B Condens Matter, vol 406, no 22, pp 4266–4271, Nov 2011 [85] D A G Bruggeman, “Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen,” Ann Phys., vol 416, no 7, pp 636–664, 1935 [86] J C Maxwell Garnett, “Colours in Metal Glasses and in Metallic Films,” Philos Trans R Soc A Math Phys Eng Sci., vol 203, no 387–401, pp 385–420, 1904 [87] H Looyenga, “Dielectric constants of heterogeneous mixtures,” Physica, vol 31, no 3, pp 401–406, Mar 1965 [88] S Khorasani and B Rashidian, “Analysis of Kronig-Penny photonic crystals by modified transfer matrices,” Proc SPIE, vol 4655, no 1, pp 260–266, 2002 148 [89] S P Ojha, S K Srivastava, N Kumar, and S K Srivastava, “Design of an optical filter using photonic band gap material,” Opt - Int J Light Electron Opt., vol 114, no 3, pp 101–105, Jan 2003 [90] P Yeh, Optical Waves in Layered Media, 2nd Editio John Wiley & Sons, 1988 [91] Y He, D Bourrier, E Imbernon, and T Leichle, “Lateral porous silicon membranes with size and charge selectivity,” in 2017 IEEE 12th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS), 2017, pp 770–773 [92] J Scheuer, W M J Green, G A DeRose, and A Yariv, “InGaAsP annular Bragg lasers: theory, applications, and modal properties,” IEEE J Sel Top Quantum Electron., vol 11, no 2, pp 476–484, Mar 2005 [93] G A Rodriguez, J D Lonai, R L Mernaugh, and S M Weiss, “Porous silicon Bloch surface and sub-surface wave structure for simultaneous detection of small and large molecules,” Nanoscale Res Lett., vol 9, no 1, p 383, 2014 [94] H Ouyang and P M Fauchet, “Biosensing using porous silicon photonic bandgap structures,” in Proc SPIE 6005, Photonic Crystals and Photonic Crystal Fibers for Sensing Applications, 2005, p 600508 [95] Y Huang, “Sol-gel based fabrication methods for photonic crystals,” Iowa State University, 2015 [96] R Fujikawa, A V Baryshev, A B Khanikaev, H Uchida, P B Lim, and M Inoue, “Fabrication and Optical Properties of Three-Dimensional Magnetophotonic Heterostructures,” IEEE Trans Magn., vol 42, no 10, pp 3075–3077, Oct 2006 [97] P Zhang, Q Zhang, J Zeng, J Han, J Zhou, W Zhang, Q Jiao, Y Wu, and S Dai, “Fabrication of planar photonic crystals in chalcogenide glass film by maskless projection lithography,” Appl Phys B, vol 122, no 9, p 244, Sep 2016 [98] K Ishizaki, K Suzuki, and S Noda, “Fabrication of 3D Photonic Crystals 149 toward Arbitrary Manipulation of Photons in Three Dimensions,” Photonics, vol 3, no 2, p 36, Jun 2016 [99] B Huy, P Van Hoi, P H Khoi, N T Van, and D T Chi, “Porous silicon as a promising material for photonics,” Int J Nanotechnol., vol 8, no 3/4/5, p 360, 2011 [100] P Van Hoi, B Huy, N T Van, and N T Anh, “Thiet bi cam bien quang tu va phuong phap de nong dung moi huu co va chat bao ve thuc vat moi truong nuoc,” No 16527, 2017 [101] J Chapron, S A Alekseev, V Lysenko, V N Zaitsev, and D Barbier, “Analysis of interaction between chemical agents and porous Si nanostructures using optical sensing properties of infra-red Rugate filters,” Sensors Actuators B Chem., vol 120, no 2, pp 706–711, Jan 2007 [102] H V Tran, R Yougnia, S Reisberg, B Piro, N Serradji, T D Nguyen, L D Tran, C Z Dong, and M C Pham, “A label-free electrochemical immunosensor for direct, signal-on and sensitive pesticide detection,” Biosens Bioelectron., vol 31, no 1, pp 62–68, Jan 2012 [103] N Shamsedini, M Dehghani, S Nasseri, and M A Baghapour, “Photocatalytic degradation of atrazine herbicide with Illuminated Fe+3-TiO2 Nanoparticles,” J Environ Heal Sci Eng., vol 15, no 1, p 7, Dec 2017 [104] M B Murphy, M Hecker, K K Coady, A R Tompsett, P D Jones, L H Du Preez, G J Everson, K R Solomon, J A Carr, E E Smith, R J Kendall, G Van Der Kraak, and J P Giesy, “Atrazine concentrations, gonadal gross morphology and histology in ranid frogs collected in Michigan agricultural areas,” Aquat Toxicol., vol 76, no 3–4, pp 230–245, Mar 2006 [105] B Piro, S Reisberg, G Anquetin, H.-T Duc, and M.-C Pham, “QuinoneBased Polymers for Label-Free and Reagentless Electrochemical Immunosensors: Application to Proteins, Antibodies and Pesticides Detection,” Biosensors, vol 3, no 1, pp 58–76, Jan 2013 [106] X Liu, W.-J Li, L Li, Y Yang, L.-G Mao, and Z Peng, “A label-free electrochemical immunosensor based on gold nanoparticles for direct 150 detection of atrazine,” Sensors Actuators B Chem., vol 191, pp 408–414, Feb 2014 [107] A Deep, M Saraf, Neha, S K Bharadwaj, and A L Sharma, “Styrene Sulphonic Acid Doped Polyaniline Based Immunosensor for Highly Sensitive Impedimetric Sensing of Atrazine,” Electrochim Acta, vol 146, pp 301–306, Nov 2014 [108] J Martínez Vidal, M Moreno Frías, A Garrido Frenich, F Olea-Serrano, and N Olea, “Trace determination of alpha- and beta-endosulfan and three metabolites in human serum by gas chromatography electron capture detection and gas chromatography tandem mass spectrometry,” Rapid Commun Mass Spectrom, vol 14, pp 939–946, 2000 [109] J Gao, T Gao, Y Y Li, and M J Sailor, “Vapor Sensors Based on Optical Interferometry from Oxidized Microporous Silicon Films,” Langmuir, vol 18, no 6, pp 2229–2233, Mar 2002 [110] C M Thompson, A M Ruminski, A Garcia Sega, M J Sailor, and G M Miskelly, “Preparation and Characterization of Pore-Wall Modification Gradients Generated on Porous Silicon Photonic Crystals Using Diazonium Salts,” Langmuir, vol 27, no 14, pp 8967–8973, Jul 2011 [111] V Torres-Costa, J Salonen, T M Jalkanen, V.-P Lehto, R J Martín-Palma, and J M Martínez-Duart, “Carbonization of porous silicon optical gas sensors for enhanced stability and sensitivity,” Phys status solidi, vol 206, no 6, pp 1306–1308, Jun 2009 [112] B Sciacca, E Secret, S Pace, P Gonzalez, F Geobaldo, F Quignard, and F Cunin, “Chitosan-functionalized porous silicon optical transducer for the detection ofcarboxylic acid-containing drugs in water,” J Mater Chem., vol 21, no 7, pp 2294–2302, 2011 [113] M S Salem, M J Sailor, K Fukami, T Sakka, and Y H Ogata, “Sensitivity of porous silicon rugate filters for chemical vapor detection,” J Appl Phys., vol 103, no 8, p 83516, Apr 2008 [114] J Speight, Lange’s Handbook of Chemistry, 17th Editi McGraw-Hill, 2016 151 [115] P Thanh Sơn, B Huy, N Thúy Vân, N Quang Minh, N Thế Anh, H Thị Hồng Cẩm, Đ Thùy Chi, L Quang Huy, and P Văn Hội, “Liquid sensors based on porous silicon microcavity,” in Advances in Optics Photonics spectroscopy & Applications VII, 2013, pp 754–759 [116] H Bui, V H Pham, V D Pham, T H C Hoang, T B Pham, T C Do, Q M Ngo, and T Van Nguyen, “Determination of low solvent concentration by nano-porous silicon photonic sensors using volatile organic compound method,” Environ Technol., pp 1–9, May 2018 [117] W Liang, Y Huang, Y Xu, R K Lee, and A Yariv, “Highly sensitive fiber Bragg grating refractive index sensors,” Appl Phys Lett., vol 86, no 15, pp 1–3, 2005 152 ... 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. .. 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. .. 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