Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu

Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu Liên hệ để nhận thêm tài liệu: thanhlam1910_2006@yahoo.com CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP VÀO TINH THỂ PHOTONIC 1.1.Định nghĩa: Tinh thể photonic loại vật liệu mà cấu trúc xếp tuần hồn vật liệu điện mơi khơng gian Dựa v tuần hồn ta có loại tinh thể photonic : tinh thể photonic 1D, 2D 3D Hay nói cách khác, tinh thể photonic loại vật liệu có khả điều khiển ánh sáng loại vật liệu n ày có vùng cấm photonic , mà vùng khơng có trạng thái điện từ tồn , hay mật độ trạng thái k hơng 1.2.Sóng điện từ cho tinh thể photonic Khi tìm hiểu tinh thể photonic, tức tìm hiểu đến tương tác ánh sáng với tinh thể photonic , ta biết ánh sáng sóng điện từ Vì trước tìm hiểu tinh thể photonic, ta phải khảo sát truyền sóng điện từ mơi trường điện mơi cách t ìm phương trình truyền sóng chủ lực mơi tr ường điện mơi Phương trình sóng chủ lực biểu diễn tất thông tin quan trọng điện từ môi tr ường tinh thể photonic Hệ phương trình Maxwell điện mơi : (1.1) Nhìn vào hệ phương trình Maxwell (1.1) trên, ta thấy phức tạp, khó áp dụng để xây dựng phương trình truyền sóng Nên để đơn giản , người ta dùng kĩ thuật phân tích tốn học , SVTH: Phan Hồng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu để tách mode điện - từ trường thành hai phần riêng rẽ ,là hàm phụ thuộc tọa độ r hàm điều hòa theo thời gian t Bởi việc tách để tiện lợi trình giải nghiệm biến đổi , để tiện lợi việc thiết lập nên phương trình truyền sóng mơi trường điện mơi, dạng sau tách nh sau: (1.2) Ta thay phương trình (1.2) vào (1.1) , nhận kết sau: (1.3) Từ hệ phương trình (1.3) , ta suy phương trình truyền sóng mơi trường điện mơi có dạng sau: (1.4) Ta biết từ trường sinh dòng điện, hay biến đổi điện tr ường, mang thơng tin điện trường Nên ta quan tâm đến hai ph ương trình truyền sóng điện hay từ trường Bởi mode điện từ tinh thể photonic hàm riêng, nghiệm phương trình hamilton Hơn phương trình (1.4) có dạng đầy đủ hamilton Nên điện động lực học nghiên cứu tương tác ánh sáng với tinh thể photonic ta xem phương trình (1.4) phương trình chủ lực , tương tự phương trình SVTH: Phan Hoàng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu truyền sóng electron môi tr ường tinh thể học lượng tử Sự tương tự hiểu tính tương quan electron photon mà Việc giải phương trình chủ lực (1.4) cho ta biết mode điện từ tồn nh môi trường điện mơi , tần số , vector truyền sóng n tồn , số vùng sóng điện từ nào… Nói tóm lại việc tìm phương trình chủ lực (1.4) có ý nghĩa quan trọng nghi ên cứu tương tác ánh sáng với vật liệu tinh thể photonic Tùy vào tuần hoàn vật liệu tinh thể photonic mà ta có điều kiện ràng buộc để giải phương trình (1.4) trên, tất nhiên nghiệm trường hợp hồn tồn khác Chính nghiệm khác ứng với cấu trúc tuần ho àn 1D, 2D 3D cho ta biết nét đặc trưng riêng cho loại SVTH: Phan Hoàng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu CHƯƠNG 2: PHÂN LOẠI TINH THỂ PHOTONIC THEO SỰ TUẦN HO ÀN 2.1 Tinh thể photonic 1D 2.1.1 Định nghĩa: Tinh thể photonic 1D màng điện môi đa lớp bao gồm loại màng điện môi xếp xen kẽ không gian tuần hoàn theo phương định (ở tuần hoàn theo phương z) Hằng số mạng a, lớp màu xanh đậm lớp có số điện mơi cao, c ịn lớp màu xanh đọt chuối lớp có số điện mơi thấp Hình 2.1 : màng điện môi đa lớp (tinh thể photonic D) SVTH: Phan Hoàng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu Nét đặc trưng tinh thể photonic 1D l luôn xuất vùng cấm vùng cấm photonic Vùng cấm photonic hiểu vùng chứa dải tần số, cho khơng có mode điện từ phép có tần số v ùng Nó tương tự vùng cấm lượng chất bán dẫn , vùng không cho phép electron phép có mức lượng vùng cấm Vùng cấm phần nằm cấu trúc v ùng photonic, dựa vào tính đặc trưng vùng cấm, ta biết mode điện từ n không phép hay phép thâm nhập vào tinh thể photonic nói chung tinh thể photonic 1D nói riêng Bên cấu trúc vùng trường hợp để mô tả vùng cấm photonic cho trường hợp 1D Hình 2.2: cấu trúc vùng tương ứng cho trường hợp : vật liệu khối GaAs (b ên trái), màng đa lớp tuần hoàn GaAs/ GaAlAs (ở giữa) , màng đa lớp tuần hoàn GaAs/Air bên phải ( xét cấu trúc vùng cho vùng thấp nhất, tức màng điện môi cao thấp tính từ ngồi vào theo hướng z) Như ta thấy hình 2.2 bên trên, vùng cấm khác cho trường hợp : Trường hợp : vật liệu khối ( nh màng đa lớp đồng chất), khơng có xuất vùng cấm SVTH: Phan Hoàng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu Trường hợp 2: có xuất vùng cấm hẹp ( đường màu vàng) Trường hợp 3: có xuất vùng cấm trường hợp 2, rộng nhiều lần Vậy nguyên nhân định xuất vùng cấm , độ rộng hay hẹp nó, tìm hiểu bên 2.1.2.Nguồn gốc hình thành vùng cấm photonic Bây ta xem xét truyền sóng h ướng z, băng ngang lớp điện mơi Truyền sóng theo phương , vector sóng kz bị giới hạn vùng briullouin Do tính chất tuần hồn tinh thể photonic 1D , nên vùng brillouin xen kẽ v tuần hồn Do , nghiên c ứu trạng thái điện từ tinh t hể cấu trúc vùng , ta cần xét vùng brillouin thứ đủ, vùng khác tương tự Nên vùng briullouin thứ này, kz giới hạn khoảng ( a ,  a) Với a số mạng tinh thể Trên quan điểm , để hiểu nguồn gốc vật lý việc h ình thành vùng cấm photonic , ta xét trạng thái bên bên vùng cấm : tức đáy vùng đỉnh vùng ( quy ước vùng vùng điện môi cao , vùng vùng điện môi thấp) Theo lý thuyết biến phân : (2.1) rằng, mode điện từ có tần số cao, th ì tập trung lượng điện trường vùng số điện môi thấp , ngược lại mode điện từ có tần số thấp tập trung lượng vùng có số điện mơi cao Chính tập trung lượng biên biên vùng cấm , xuất vùng mà khơng có mode điện từ n định xứ Vùng chứa dải tần số , vùng SVTH: Phan Hoàng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu vùng cấm photonic Đây nguồn gốc vật lý hình thành nên vùng cấm photonic cho cấu trúc tinh thể photonic 1D Mô tả mode dao động mật độ lượng điện trường đỉnh đáy vùng cấm photonic thơng qua mơ h ình sau: Hình 2.3 : mơ tả phân bố lượng điện trường cấu trúc vùng cho vùng vùng theo lý thuyết biến phân Qua hình 2.3 ta thấy ,sự phân bố điện tr ường vùng khơng có khác biệt lớn , dẫn đến có vùng nhỏ chứa tần số khơng đ ược phép, tập trung lượng điện trường vùng có độ chênh lệch lớn, vùng cấm rộng ( SVTH: Phan Hoàng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu vùng cấm trường hợp hình 2.2 độ chênh lệch tập trung l ượng điện trường tỷ lệ với độ sai khác số điện môi màng Sự tập trung lượng điện trường trường hợp mô tả sau: Hình 2.4: mơ tả tập trung lượng điện trường vùng có độ chênh lệch cao SVTH: Phan Hoàng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic khoa học vật liệu Kết luận : tinh thể photonic 1D luôn có v ùng cấm xuất hiện, vùng cấm mở có khác biệt số điện môi hai màng khác chất Độ rộng vùng cấm tùy thuộc vào độ chênh lệch tập trung lượng điện trường vùng , hay độ chênh lệch số điện môi màng tương ứng 2.1.3 Độ rộng vùng cấm tinh thể photonic Độ rộng vùng cấm photonic tinh thể photonic 1D nói , phụ thuộc vào độ sai lệch hai số điện môi 1  hai màng điện mơi tương ứng Nếu lệch nhiều độ rộng vùng cấm photonic lớn ngược lại Độ rộng vùng cấm định nghĩa thuật ngữ thông dụng : Gap-mid gap ratio (có nghĩa độ rộng phổ (phổ tần số) băng ngang vùng cấm chia cho tần số v ùng cấm) Đánh giá độ rộng vùng cấm theo cơng thức có ưu điểm xác, cơng thức khơng có phụ thuộc vào kích thước tinh thể photonic 1D (2.2) Hình 2.5: cấu trúc vùng tinh thể photonic 1D SVTH: Phan Hoàng Diệp GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 10 khoa học vật liệu Qua công thức ta biết độ rộng vùng cấm , tức độ rộng vùng tần không phép so với toàn cấu trúc vùng tinh thể photonic 1D phần trăm ,để đánh giá khả tương tác ánh sáng với vật liệu n ày 2.1.4.Trạng thái mờ vùng cấm photonic Ta biết vùng cấm photonic khơng có trạng thái điện từ n tồn cả, hay nói cách khác khơng có mode đ iện từ phép để truyền qua tinh thể ,m có tần số nằm vùng cấm photonic Ta biết : trạng thái quang học tinh thể v mơi trường khơng khí thể thơng qua hình sau: Hình 2.6: giản đồ mơ tả trạng thái khơng khí v tinh thể SVTH: Phan Hoàng Diệp 10 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 31 khoa học vật liệu nó, làm cho cư ờng độ ánh sáng khuếch đại ngõ Ý tưởng thiết kế laser photonic Sai hỏng đường có khả định vị ánh sáng dọc theo trục s hỏng Sai hỏng kiểu dùng để làm đường dẫn sóng , ứng dụng cao kĩ thuật thông tin quang 2.1.6.Định vị ánh sáng trạng thái bề mặt Trong cấu trúc tinh thể photonic 2D, cho phép ta định vị đ ược ánh sáng trạng thái bề mặt mơ tả hình 2.29, trạng thái bề mặt trường hợp bị suy giảm vùng điện mơi khơng khí Do trạng thái buộc phải nằm vùng cấm photonic , điều mơ tả qua hình sau: Hình 2.27: trạng thái bề mặt tồn v ùng cấm quang Hình 2.28: điện trường dịch chuyển bề mặt , màu có nghĩa nói đến biên độ điện trường E cao hay thâp theo h ướng z SVTH: Phan Hoàng Diệp 31 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 32 khoa học vật liệu Tóm lại cấu trúc 2D có cách định vị ánh sáng c : định vị sai hỏng định vị bề mặt ,mỗi cách định vị có ứng dụng ri êng nó, khơng thể nói cách định vị ánh sáng theo cách n ưu việt hơn, mà tùy vào trường hợp ứng dụng thực tế ta lựa chọn cách định vị cho ph ù hợp 2.3.Tinh thể photonic 3D 2.3.1 Định nghĩa: tinh thể photonic 3D xếp tuần hoàn vật liệu điện mơi theo chiều khơng gian Có nhiều mẫu thiết kế thành công nhà khoa học đề nghị , kể đến số mẫu tiêu biểu sau: Hình 2.29: cấu trúc đề nghị yabnolovite SVTH: Phan Hoàng Diệp 32 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 33 khoa học vật liệu Hình 2.30: cấu trúc dạng woodpile đề nghị Ho (1994) nhà khoa h ọc khác Hình 2.31: cấu trúc dạng tổ hợp loại mạng l mạng hole rod Cấu trúc tinh thể photonic 3D đ ược thiết kế thành cơng nhiều, phạm vi tiểu luận tốt nghiệp , nên không sâu vào chi tiết loại cụ thể Do tơi quan tâm đến cấu trúc ti biểu đặc trưng có liên quan kiến thức SVTH: Phan Hoàng Diệp 33 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 34 khoa học vật liệu phần 2D nữa.Mục đích để ta cảm giác kiến thức xuy ên suốt tính liên tục tiểu luận, nên định chọn cấu trúc h ình để tìm hiểu 2.3.2.Vùng cấm photonic hồn tồn Hình 2.32: cấu trúc vùng cho tinh thể photonic 3d ( hình 2.31) Đây cấu trúc vùng có vùng cấm hồn tồn , vùng màu vàng vùng c ấm hồn tồn , nguồn gốc hình thành tương tự trường hợp 2D, nên ta không nhắc lại Chỉ có điều vùng cấm hồn tồn , có khả cản trở ánh sáng theo chiều , khả điều khiển ánh sáng tốt D cho mục đích truyền dẫn ánh sáng SVTH: Phan Hoàng Diệp 34 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 35 khoa học vật liệu 2.3.3.Định vị ánh sáng sai hỏng Định vị ánh sáng sai hỏng cấu trúc 3D giống trường hợp 2D có sai hỏng điểm ,sai hỏng đ ường ,nhưng có điều khả định vị ánh sáng cấu trúc 3D theo tất hướng điểm khác biệt đặc trưng cấu trúc 3D Chính định vị ánh sáng sai hỏng cấu trúc 3D hoàn toàn tương tự trường hợp tinh thể photonic 2D , ta cần nói mơ h ình để mơ tả cách định vị ánh sáng l khơng nhắc lại ngun tắc vật lý định vị ánh sáng Phần lý thuyết n ày lý giải chi tiết phần tinh thể photonic 2D tr ên Mơ hình sai hỏng điểm : Hình 2.33: mơ tả sai hỏng điểm bao gồm sai hỏn g khơng khí sai hỏng điện mơi SVTH: Phan Hoàng Diệp 35 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 36 khoa học vật liệu Hình 2.34: sai hỏng điểm thiếu rod điện mơi Hình 2.35: sai hỏng điểm có rod điện mơi kích th ước lớn bình thường SVTH: Phan Hồng Diệp 36 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 37 khoa học vật liệu Hình 2.36: sai hỏng điểm hole lớn bình thường Hình 2.37: trạng thái sai hỏng điểm định vị vùng cấm SVTH: Phan Hoàng Diệp 37 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 38 khoa học vật liệu Mơ hình Sai hỏng đường : Hình 2.38: sai hỏng đường dạng thiếu rod điện môi Sai hỏng đường tạo thiếu vắng rod điện môi theo đ ường thẳng mà ta định sẵn ánh sang định vị dọc theo trục đ ường Hình 2.39: cấu trúc vùng mơ tả trạng thái sai hỏng đường cấu trúc vùng cấm SVTH: Phan Hoàng Diệp 38 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 39 khoa học vật liệu 2.3.4.Định vị ánh sáng bề mặt Cũng giống trường hợp 1D 2D 3D cho phép ta định vị ánh sá ng trạng thái bề mặt, nh ưng loại có đặc tr ưng riêng mơ tả định tính nh sau: Hình 2.40: mơ tả cách thức định vị ánh sáng bề mặt tinh thể photonic 3D Và trạng thái bề mặt định vị vùng cấm để định vị ánh sáng mô tả thông qua cấu trúc vùng sau: SVTH: Phan Hoàng Diệp 39 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 40 khoa học vật liệu Hình 2.41 : cấu trúc vùng biểu diễn trạng thái bề mặt đ ược định vị vùng cấm quang SVTH: Phan Hoàng Diệp 40 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 41 khoa học vật liệu CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO TINH THỂ PHOTONIC 3.1.Tinh thể photonic 1D: +Kĩ thuật lắng đọng màng mỏng : PVD ( physical vapor diposition) CVD ( chemical vapor diposition) + Bốc bay nhiệt 3.2.Tinh thể photonic 2D: + Kĩ thuật quang khắc ( photolithography) 3.3.Tinh thể photonic 3D: Hình 3.1: cấu trúc dạng layer by layer + Dùng kĩ thuật photolithography ( quang khắc) + Nếu số dạng khác dùng kĩ thuật rung siêu âm hay nhiệt SVTH: Phan Hoàng Diệp 41 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 42 khoa học vật liệu CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA CÁC TINH THỂ PHOTONIC 4.1 Tinh thể photonic 1D + Đường dẫn quang học cộng hưởng micro ứng dụng cho mạch quang học (1D) Hình 4.1: mạch tích hợp với đường dẫn tín hiệu quang l đường sóng tinh thể photonic 1D 4.2 Tinh thể photonic 2D Tinh thể photonic 2D dùng để : + Làm buồng cộng hưởng để chế tạo laser phot onic với điểm Q cao + Làm đường dẫn sóng để chế tạo mạch dẫn quang học thay cho mạch dẫn SVTH: Phan Hoàng Diệp 42 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 43 khoa học vật liệu + Làm thấu kính vùng hẹp , mơi trường khúc xạ với chiết suất âm, không tuân theo định luật snall, mà thấu kính khơng cần phải có độ cong, phá vỡ nguy ên tắc thông thường tính chất khúc xạ thấu kính kiểu cũ 3D IMAGING IN REAL SPACE Hình 4.2 a thấu kính photonic b sợi quang photonic Việc truyền tín hiệu tốc độ cao , mất thấp dẫn đến thông tin trung thực , hướng nghiên cứu hay , sợi quang photonic đem lại cho ta nhiều hứa hẹn t ượng lai gần SVTH: Phan Hoàng Diệp 43 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 44 khoa học vật liệu 4.2 Tinh thể photonic 3D + Làm buồng cộng hưởng quang học chiều , l hướng ứng dụng đầy hứa hẹn cho ngành cơng nghiệp laser Hình 4.3: buồng cộng hưởng quang học chiều + Đường dẫn quang học để chế tạo mạch quang : Hình 4.4 : đường dẫn sóng ứng photonic 3D ứng dụng cho mạch quang SVTH: Phan Hoàng Diệp 44 GVHD: Từ Ngọc Hân Đề tài :Tinh thể photonic 45 khoa học vật liệu KẾT LUẬN Tinh thể photonic loại vật liệu quang học mới, có cấu trúc tuần ho àn khơng gian, loại có tính chất đặc sắc ri êng Nhưng chúng có tính chất chung , có vùng cấm photonic, vùng ngăn cách vùng điện môi không khí, tạo cấu trúc vùng gián đoạn , có trạng thái đ ược phép thâm nhập vào tinh thể ló ( mode có tần số vùng điện môi) Ngược lại có mode khơng đ ược phép qua tinh thể v bị suy giảm mạnh biên độ mode khơng ( mode có tần số nằm v ùng cấm) mode bị phản xạ hồn tồn theo hướng , phân cực ( mode có tần số v ùng phản xạ toàn hướng đường ánh sáng ( tần số trường hợp không nằm vùng cấm photonic) Thú vị hết là, tinh thể photonic có khả định vị đ ược ánh sáng khuếch đại ánh sáng , mode vùng cấm quang tồn trạng thái sai hỏng Tất tính chất đặc trưng trên, ta gọi chung tính chất tinh thể photonic l có tương tác đặc biệt với ánh sáng ( ánh sáng nằm v ùng khả kiến, vùng có ứng dụng làm cổng quang học viễn thơng l vùng hồng ngoại gần ) Do đáp ứng yêu cầu khắc khe ngành công nghiệp viễn thơng, tính chất lý thú tinh thể photonic, nên việc nghiên cứu loại vật liệu cần thiết cấp bách , hiệu đem lại nhiều ứng dụng hứa hẹn cho sống ch úng ta , tương lai gần ……………………………….…… Hết……………………………………… SVTH: Phan Hoàng Diệp 45 GVHD: Từ Ngọc Hân