I Tìm hiểu cảm biến quang dựa cơng nghệ silic xốp: Cảm biến quang tử nghiên cứu phát triển mạnh giới chúng có đặc trưng ưu việt rõ ràng so với loại cảm biến điện tử khác như: độ nhạy phát cực cao, không bị nhiễu ảnh hưởng môi trường điện-từ, bền môi trường ăn mịn hóa học vật lý, khơng gây cháy nổ nguồn điện cực Cảm biến quang tử nói chung phân loại theo nguyên lý vật lý cảm biến nội sinh cảm biến ngoại sinh Cảm biến ngoại sinh thường sử dụng nguyên lý vật lý ánh sáng bị thay đổi cường độ lan truyền; phản xạ; tán xạ; khúc xạ; chuyển đổi bước sóng tương tác với mơi trường bên Loại cảm biến tương đối dễ chế tạo, nhiên việc xử lý tín hiệu ánh sáng thay đổi mơi trường bên ngồi địi hỏi thiết bị kèm phức tạp có độ nhạy cao Cảm biến quang tử nội sinh sử dụng nguyên lý vật lý thân cảm biến bị thay đổi cấu trúc tính chất quang tương tác với mơi trường, chúng có độ nhạy cao, xử lý tín hiệu thu dễ dàng, kích thước thiết bị nhỏ gọn Tuy nhiên, nhược điểm cảm biến quang tử nội sinh khả dùng nhiều lần cho cảm biến tính chọn lọc cảm biến Cảm biến quang tử nội sinh đẩy mạnh nghiên cứu phát triển giới chúng có độ nhạy phát cực cao, kết hợp với nhiều chuyên ngành hóa học, sinh học để ứng dụng cho đối tượng cụ thể cần nghiên cứu Hiện nay, phương pháp nâng cao độ chọn lọc cảm biến quang tử nội sinh (cũng loại cảm biến điện tử khác) đối tượng nghiên cứu sôi động giới có số kết khả quan Các thiết bị cảm biến quang tử nội sinh dựa nguyên lý thay đổi chiết suất môi trường cảm biến tương tác với môi trường đối tượng nghiên cứu mạnh giới Các nguyên lý truyền dẫn, giao thoa tán xạ; khúc xạ ánh sáng nghiên cứu áp dụng triệt để cảm biến quang tử nội sinh sở thay đổi chiết suất môi trường Kết công bố gần sử dụng cách tử Bragg sợi quang xác định độ thay đổi chiết suất đến 7,2.10 -6 môi trường lỏng cho phép nhận dạng nồng độ chất hịa tan cực nhỏ Cơng nghệ silic phát triển từ cuối kỷ 20 ngày đạt tới mức độ hoàn thiện cao Những tiến gần công nghệ silic ứng dụng rộng rãi sống, việc sử dụng màng silic xốp chế tạo cảm biến quang học để phân biệt hợp chất hữu Hướng nghiên cứu cảm biến quang tử dựa cấu trúc buồng vi cộng hưởng chiều làm vật liệu silic xốp chế tạo phương pháp ăn mòn điện hóa có độ xốp cao đặc biệt với diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, quan tâm đặc biệt công nghệ chế tạo thiết bị cảm biến quang tử nội sinh ứng dụng kiểm sốt mơi trường sinh-hóa Cảm biến quang tử nội sinh dựa cấu trúc vi cộng hưởng có kích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao khơng sử dụng nguồn điện cảm biến, độ an toàn sử dụng cao Trong năm gần đây, nhà khoa học-công nghệ đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng cảm biến quang tử nội sinh cho việc xác định nồng độ dung mơi hịa tan, kháng thể sinh học, xác định mức ô nhiễm dầu mỏ chế phẩm từ dầu mỏ, xác định dư lượng thuốc trừ sâu nước bùn (ghi nhận nồng độ thuốc trừ sâu với nồng độ ppm), xác định nồng độ DNA (nồng độ DNA 0,1 mol/mm2), cảm biến hóa học Xu hướng nghiên cứu phát triển cảm biến quang tử nội sinh giới nâng cao độ nhạy phát cảm biến (xuống ppm), chọn lọc chất có tính chất quang gần chế tạo loại thiết bị hoạt động trường với giá thành thấp Hơn nữa, vật liệu silic xốp (Porous silicon) kích thước nano-mét với độ xốp khác có chiết suất khác nhau, cấu trúc màng silic xốp đa lớp dễ dàng tạo thành hốc cộng hưởng quang học với giá thành thấp, bền môi trường để ứng dụng kỹ thuật cảm biến quang tử Các kết nghiên cứu vừa qua giới cho thấy cảm biến quang tử dựa hốc cộng hưởng có khả đo nồng độ dung mơi hịa tan chất bảo vệ thực vật môi trường nước với nồng độ cực thấp, việc nghiên cứu phát triển phương pháp cảm biến quang sử dụng hốc vi cộng hưởng quang ứng dụng thiết bị cầm tay để đo mức độ ô nhiễm môi trường nước dung môi hữu từ sản xuất công nghiệp chất bảo vệ thực vật sản xuất nông nghiệp trở thành hướng nghiên cứu công nghệ quan trọng II Nguyên lý cảm biến quang dựa công nghệ silic xốp: Kỹ thuật cảm biến quang tử gần thu hút ý ngày tăng việc thực hóa khúc xạ kế (máy đo nồng độ) siêu nhạy siêu bền Nhờ vào cảm biến quang tử, ta phân biệt hóa chất nồng độ chúng với độ nhạy cao chi phí thấp Silic xốp (Porous Silicon) với kích thước lỗ xốp thang đo nanomét có giá thành chế tạo thấp, hoạt động bền bỉ, bền nhiều môi trường sử dụng phổ biến kỹ thuật cảm biến quang tử Dựa diện tích tiếp xúc bề mặt lớn silic xốp, vật liệu silic xốp trở thành vật liệu lý tưởng cho cảm biến đo mơi trường lỏng khí Chỉ số khúc xạ lớp Silic xốp tăng lỗ xốp lấp đầy chất hữu cơ, làm quang phổ phản xạ lớp Silic xốp dịch chuyển bước sóng dài Nguyên lý hoạt động cảm biến quang tử dịch chuyển bước sóng cộng hưởng linh kiện theo chiết suất môi trường cần đo khác với chiết suất môi trường chuẩn (nền) cho cảm biến (chủ yếu khơng khí nước sạch) Bằng cách theo dõi độ phản xạ phổ truyền, người ta phát khác biệt nồng độ phân tử bên lỗ xốp Từ rút khác biệt quang phổ riêng chất hóa học quang phổ chúng có thay đổi nồng độ Ưu điểm cảm biến quang tử chúng có độ nhạy phù hợp cho việc xác định chất hữu hòa tan chất bảo vệ thực vật với nồng độ thấp có mơi trường, có khả đo trường, khơng bị ảnh hưởng sóng điện từ có độ an tồn cao mơi trường có nguy cháy nổ cao III Chế tạo, khảo sát tính chất cảm biến quang dựa công nghệ Silic xốp: 3.1 Chế tạo: 3.1.1 Nguyên lý chế tạo: Trong báo cáo này, em trình bày nghiên cứu chế tạo cảm biến Silic xốp đơn lớp (dựa cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D) Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D cấu trúc bao gồm hai gương Bragg kẹp lớp điện mơi có chiết suất chiết suất lớp caovà lớp thấp gương Bragg, độ dày quang học λ/2 λ Quang trình lớp cấu trúc gương Bragg thỏa mãn điều kiện Bragg: n.d = λ0/4, n chiết suất, d độ dày hình học lớp λ0 bước sóng nghiên cứu thường gọi bước sóng thiết kế Hình 3.1 trình bày sơ đồ vi hốc cộng hưởng 1D phổ phản xạ tương ứng vi hốc cộng hưởng bước sóng 650 nm Bước sóng cộng hưởng thay đổi nhanh phụ thuộc lớn vào chiều dài quang học lớp khuyết tật thay đổi nhỏ chiều dài quang học dẫn tới dịch đỉnh bước sóng cộng hưởng Khi độ dài quang học lớp khuyết tật tăng lên dẫn tới nhiều bước sóng mà photon phép truyền qua PBG Hình (a) Sơ đồ cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D; (b) phổ phản xạ tương ứng cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D Phương pháp ăn mịn điện hóa mảnh silic tạo cấu trúc vi cộng hưởng 1D vì: phương pháp có khả điều khiển tốt chiết suất, độ xốp độ sâu lớp cấu trúc Do lớp xốp tạo hồn tồn khơng bị ảnh hưởng thay đổi sau dịng ăn mịn nên thơng qua việc điều khiển dịng điện điện hóa thay đổi độ xốp theo chiều sâu, nghĩa chế tạo cấu trúc thay đổi chiết suất cách tuần hoàn Sau đưa nguyên lý chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D, qui trình chế tạo cấu trúc tổng hợp lại 3.1.2 Qui trình chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng 1D Để chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D, chúng tơi xây dựng qui trình chế tạo gồm bước chế sau: Bước 1: Chuẩn bị mẫu, dụng cụ hóa chất - Phiến silic loại p+ có điện trở suất ρ = 0,01÷0,015 Ωcm ngâm HF 5% để loại bỏ oxit tự nhiên bám bề mặt silic xốp - Sau ngâm HF 5%, silic rung siêu âm isopropanol làm khô bề mặt tự nhiên - Tấm silic sau làm phủ lớp nhôm mặt sau để tạo tiếp xúc phương pháp phún xạ - Ủ tiếp xúc mặt sau cho phiến silic bốc bay Al nhiệt độ 450 oC thổi khí nitơ - Phiến silic sau ủ tiếp xúc, cắt thành miếng 1,6 x 1,6 cm, rung siêu âm mảnh isopropanol sau rửa cồn tinh khiết - Rung siêu âm, rửa sấy khơ bình teflon, panh gắp mẫu cốc pha hóa chất - Chuẩn bị hóa chất để ăn mịn: Dung dịch HF cồn tuyệt đối Bước 2: Chế tạo vi cộng hưởng quang tử 1D phương pháp ăn mịn điện hóa Hệ thống điện hóa bao gồm phần: * Bình điện hóa: Trong chế tạo silic xốp, silic hoạt động giống cực dương đặt đáy bình Dung dịch điện phân hỗn hợp cồn (C 2H5OH) axit HF với nồng độ khác Cực âm platin chất dẫn điện trơ HF Bình điện hóa có dạng hình trụ làm từ polyme độ bền cao axit Trong thí nghiệm, em sử dụng bình teflon làm bình điện hóa * Nguồn dịng: Chúng ta sử dụng nguồn dịng hay nguồn cho q trình dương cực tan Nhưng phương pháp thường sử dụng điều khiển nguồn dịng ta điều khiển tốt độ xốp, độ dày khả lặp lại lớp silic xốp Hệ thống ăn mịn điện hóa mà em sử dụng trình bày hình 3.2 Hình Hệ thống ăn mịn điện hóa - Mảnh silic kích thước 1,6 x 1,6 cm đặt vào bình teflon thiết kế điện cực phía sau mảnh ghép trực tiếp với điện cực dương, mặt trước mảnh silic tiếp xúc với dung dịch ăn mòn cực âm lưới platin - Dung dịch ăn mòn hỗn hợp HF:C 2H5OH nồng độ thể tích HF 16 đến 20% Trong thí nghiệm chúng tôi, pha HF với nồng độ 16% Các mẫu sau chế tạo rửa cồn tuyệt đối sấy khơ khí nitơ 3.1.3 Sản phẩm đạt được: (a) (b) Hình (a) Tấm Silic nguyên mẫu trước chế tạo, (b) mẫu cảm biến quang tử Hình 4(a) ảnh Silic trước cắt chế tạo theo cơng nghệ điện hóa để sản xuất mẫu cảm biến Silic xốp Hình 4(b) ảnh mẫu cảm biến sau trải qua trình chế tạo (a) (b) Hình (a) Bề mặt mẫu cảm biến, (b) Mặt cắt ngang mẫu cảm biến Hình 5(a) ảnh bề mặt mẫu cảm biến chụp kính hiển vi điện tử quét Hình 5(b) ảnh mặt cắt ngang mẫu cảm biến Chúng nhận thấy lớp silic xốp có lỗ xốp với độ rộng khoảng 20 nm mẫu cảm biến có chiều độ dày khoảng µm 3.2 Khảo sát tính chất cảm biến quang dựa công nghệ Silic xốp