CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.3. Các đặc trưng qua phổ phản xạ
Bằng phương pháp đo phổ phản xạ với hệ đo OMA tại Viện Khoa học Vật liệu, chúng tôi đã thu được một số kết qủa trên các mẫu tinh thể photonic. Nguyên lý hệ đo đã được trình bày ở chương 2. Phương pháp đo phổ phản xạ của chúng tôi tuy còn nhiều hạn chế nhưng đã phần nào phản ánh đúng tính chất phản xạ ánh sáng ở vùng bước song, so với sự quan sát được bằng mắt.
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Hình 38. Phổ phản xạ của các mẫu màng tinh thể photonic SiO2 lắng đọng trên đế Si. Các mẫu (a, b) là các mẫu tinh thể photonic với các hạt cầu SiO2
được sắp xếp trật tự. (c) mẫu tinh thể photonic đã được nung ở nhiệt độ 750o(1h). Các mẫu (d, e, f) là các mẫu photonic có pha tạp Erbium. (f) là mẫu màng được nung ở 750oC(1h).
Các hình 38 trình bày phổ phản xạ tín hiệu ánh sáng trong vùng nhìn thấy theo một góc thu duy nhất. Trong những giới thiệu trước đây chúng tôi đã trình bày phương pháp chế tạo mẫu màng tinh thể photonic SiO2 trên đế Si bằng phương pháp lắng đọng và rung. Ở đây chúng tôi trình bày về phổ phản xạ của các mẫu màng mỏng được chế tạo từ phương pháp trên. Các vùng phổ được xác định rõ trên từng phổ khác nhau (vùng màu xám). Với những mẫu có độ dày mỏng khác nhau và các mẫu mà chúng tôi tạo ra được đều có độ dày nhiều lớp, với ảnh minh hoạ cụ thể như trên hình 29, 30. Hình ảnh quan sát được và phổ phản xạ của mẫu màng tinh thểđều cho những kết qủa phù hợp và tương tự nhau. Theo như tài liệu chúng tôi nghiên cứu được thì hằng số mạng tinh thể photonic có quan hệ khá đúng với bước sóng mà nó có thể nhiễu xạ và phản xạ [27].
Mối quan hệ giữa λmax, φ,và không gian (d111) giữa các mặt phẳng (111) được cho bởi phương trình Bragg:
2/ / 1 2 2 111 max 2 ( sin φ) λ = d na − [ 27 ]
Với na là chiết suất của tinh thể tự tập hợp, ởđây trong nghiên cứu của chúng tôi, SiO2
có chiết suất na = 1,45. Với a là hằng số mạng, là khoảng cách gần nhất giữa hai hạt trong màng, khi đó ta có một cấu trúc liên quan tới d111 của a là d111 = (2/3)1/2a khi đó phương trình trên trở thành: 2 / 1 2 2 2 / 1 max 2(2/3) ( sin φ) λ = a na −
Khi đó có thể xét ví dụ về vật liệu mà chúng tôi tạo ra. Bằng cách áp dụng công thức. Ở đây, với a = 330nm, na = 1,45 và φ = 560. Chúng tôi thu được kết quả về mẫu vật liệu mà chúng tôi tạo ra theo tính toán như là λmax = 641 nm. Các phổ mà chúng tôi thu được từ phương pháp đo trên, muốn có độ chính xác cao phải có một bộ vi chỉnh, hiện nay chúng tôi tiến hành trên những cách đo đạc mà phải chỉnh thủ công, việc xác định chính xác các góc là khó khăn. Nhưng hãy chú ý đến kết quả so sánh
giữa lý thuyết [27] và thực nghiệm. Các kết quả là phù hợp tốt với các kết qủa nghiên cứu của nhiều nhà khoa học, mà đặc biệt là phù hợp khá tốt với thực nghiệm.
Trong các hình 39 (a, b, c), hình c mẫu màng trước khi đo đã được nung lên nhiệt độ cao. Với một nhiệt độ nung lên thì kích thước của các hạt có xu hướng giảm đi, điều này đã được kiểm chứng. Và kết quả chúng tôi thu được đối với cả quan sát và phổ cùa nó là như nhau. Hình c là kết quả từ một mẫu màng có chất lượng tốt nhất. Với các mẫu màng thu được phổ phản xạ, thì một điều đáng lưu ý là ngay cả quá trình nhiệt cũng góp phần quan trọng trong quá trình tự tập hợp của các hạt cầu SiO2. Vì khi được nung nóng các chuyển động nhiệt làm cho các hạt có xu hướng chuyển động về phía các khe hẹp, và kích thước của các hạt giảm đi 15 - 25% là điều kiện quan trọng trong việc thu được phổ của chúng, vì khoảng cách là một.
So sánh kết quả thu được và kết quả nghiên cứu, từ phổ truyền qua và phản xạ trên hình 38. Tuy kết quả về phổ không cùng dạng nhưng phần nào cho thấy khả năng truyền ánh sáng của vật liệu vì theo như điều kiện Bragg, sự cấm truyền ở đây là dựa trên cơ sở phản xạ lại ánh sáng. Vật liệu như chúng ta đã nói là những vật liệu có khả năng hấp thụ càng ít càng tốt. Và cấu trúc kim cương có khả năng phản xạ là tốt nhất. Việc tiến hành đo và nghiên cứu phổ phản xạ là điều hết sức khó khăn trong điều kiện hiện nay. Vì để nghiên cứu chính xác nhất đòi hỏi phải có một dãy các góc phản xạ khác nhau theo tiêu chuẩn Bragg. Vì như thế mới có thể kiểm tra hết tín hiệu theo các góc khác nhau. Các phổ hình 39 đã được chúng tôi thực hiên đo ở một góc duy nhất 680. Và tất nhiên là chưa có kết quả chính xác nhất. Việc điều chỉnh đơn giản bằng tay sẽ không thể cho hình ảnh tốt.
Kết quả nghiên cứu của chúng tôi bước đầu đã cho kết quả về một loại vật liệu photonic mới, có đặc tính như vật liệu bán dẫn trong điện tử, có khả năng tạo ra một vùng cấm quang từ những phương pháp đơn giản và chi phí thấp. Một vùng cấm quang đã được tạo ra đối với mẫu màng tinh thể photonic. Kết quả này chưa phải là kết quả thực sự như mong muốn cuối cùng, chúng tôi phải tạo ra tinh thể có kích thước và chiết suất phù hợp để có một vùng cấm quang bước sóng 1530 nm. Và mục đích phải là một mạng opal đảo được lấp đầy các lỗ trống bằng lớp vật liệu Si.
Phát xạ tự nhiên từ huỳnh quang của tinh thể photonic pha tạp với erbium đã được nghiên cứu. Các ion erbium thì được cấy vào lớp ngoài của các hình cầu tạo nên tinh thể, như vậy là chúng nằm ở bên trong cấu trúc tinh thể. Phát xạ từ erbium rất có
thểđã bị hạn chếđi một cách mạnh mẽ, do vậy, chúng tôi đã hầu như không quan sát được phát xạ từ erbium.
Kết luận
Quá trình nghiên cứu phương pháp chế tạo và các đặc tính quang học của các tinh thể photonic với cấu trúc tuần hoàn các hằng sốđiện môi. Chúng tôi đã thu được một số kết quả khoa học như sau.
1. Đã xây dựng được hai phương pháp tạo ra các mẫu tinh thể photonic theo phương pháp tự tập hợp từ các hạt hình cầu SiO2 với một vài loại kích thước khác nhau, ở dạng màng trên đế Si và thuỷ tinh. Các nghiên cứu quan sát trực tiếp về các đặc tính của chúng đã được thực hiện qua việc chụp ảnh TEM và SEM. Chúng tôi đã chế tạo được các loại hạt từ 100 nm, 200 nm và > 300 nm, tuỳ theo điều kiện nuôi các tinh thể SiO2. Đã có thể chế tạo được các hạt hình cầu với kích thước khoảng 350nm, cần thiết cho việc chế tạo các tinh thể photonic trên cơ sở opal đảo, với Si, dùng được cho bước sóng gần 1.5 µm.
2. Đã thực hiện một số nghiên cứu về quang học để đánh giá sơ bộ và xác định được vùng cấm quang học, dựa trên nghiên cứu phổ phản xạ của các mẫu màng tinh thể photonic. Cụ thể là các mẫu tinh thể photonic trên cơ sở hạt cầu SiO2 kích thước từ 300 nm đến 400 nm, tập hợp trên đế Si thể hiện một vùng cấm các bước sóng ~ 650 nm. Với các mẫu làm từ các hạt SiO2 với cùng kích thước, nhưng sau đó qua nung nhiệt, thì phổ phản xạ bị dịch về phía bước sóng ngắn hơn, với cùng một góc thu tín hiệu.
Theo xu hướng nghiên cứu về việc nuôi tinh thể để làm tăng kích thước của các hạt cầu SiO2 (có thể tới ~800 nm), chúng tôi có thể tạo ra những mẫu tinh thể photonic trên cơ sở SiO2 và không khí, với một vùng cấm quang tại ~ 1,5µm. Các vấn đề nghiên cứu này cần phải có thời gian. Vì thời gian làm luận văn rất hạn chế, nên chúng tôi chưa thực hiện được việc này.
Các nghiên cứu trong bản luận văn này là mới và lần đầu tiên được thực hiện ở Việt nam. Đây cũng là nghiên cứu đầu tiên về tinh thể photonic, là vật liệu liên quan đến các chuyển mạch toàn quang, sẽ được sử dụng trong công nghệ máy tính và viễn thông. Vào thời điểm khoá luận được trình bày, các nghiên cứu vẫn đang được tiếp tục
thực hiện trong phòng thí nghiệm của phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi - Viện Khoa học Vật liệu. Các nghiên cứu chế tạo các tinh thể photonic trên cơ sở công nghệ khắc bằng chùm điện tử trên các phiến Si và các chất bán dẫn khác, đang được các phòng thí nghiệm, ví dụ Viện điện tử cơ bản ở Pháp (Đại học Paris Sud (XI), Pháp), đang tiến hành rất mạnh mẽ.
TÓM TẮT
Các nghiên cứu về tinh thể photonic nhằm mục đích ứng dụng cho viễn thông đã được trình bầy trong nội dung của bản luận văn này. Một số kiến thức cơ bản về vật lý và vật liệu tinh thể có cấu trúc tuần hoàn theo hằng số điện môi đã được trình bầy trong chương 1. Các đặc trưng về vùng cấm quang của tinh thể photonic cũng đã được nêu ra. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp tự tập hợp để chế tạo nên các mẫu tinh thể photonic từ các hạt cầu SiO2. Một số phương pháp tạo ra mẫu màng tinh thể photonic và các kỹ thuật thực nghiệm liên quan trong quá trình nghiên cứu cũng đã được trình bầy. Một số kết quả bước đầu nhận được về sự nhiễu xạ và phản xạ theo các góc nhất định và theo kích thước hạt (hay là theo chu kỳ mạng tinh thể) cũng đã được trình bầy trong bản luận văn này. Do đặc trưng cấu trúc tuần hoàn của tinh thể liên quan tới khả năng định hướng ánh sáng trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nên chúng tôi đã quan sát được một cách rõ ràng các ánh sáng phản xạ theo các góc. Phổ phản xạ là một đặc trưng quan trọng để nghiên cứu tinh thể photonic, cũng sẽ được trình bầy, cùng với vùng cấm quang đối với các mẫu mà chúng tôi đã chế tạo được. Khả năng tạo ra một tinh thể có cấu trúc tuần hoàn với vùng cấm quang hoàn toàn và rộng ở bước sóng 1,5