Một ví dụ của tinh thể quang tử tự nhiên là đá opal. Chúng đã được biết đến từ lâu và thường được dùng với mục đích làm đồ tín ngưỡng, trang trí hoặc đồ trang sức do màu sắc tuyệt vời của chúng. Màu sắc của chúng có thể thay đổi khi nhìn ở các góc khác nhau. Tính chất này của tinh thể quang tử opal cũng xuất hiện trong nhiều cấu trúc tự nhiên và nhân tạo. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự nhiễu xạ ánh sáng trên cấu trúc tuần hoàn của các hạt cầu silica kích thước cỡ nanomet tại bề mặt của chúng.
Hình 1. 15. Ảnh SEM của tinh thể quang tử SiO2 opal và silicon opal đảo. (a) Đá opal trong tự nhiên với nhiều màu sắc khác nhau; (b) ảnh SEM của cấu trúc
opal; (c) Ô cơ sở mạng FCC [54].
Tinh thể quang tử opal nhân tạo có thể được chế tạo bằng phương pháp từ dưới lên (bottom – up) bởi quá trình tự sắp xếp. Ban đầu, các hạt cầu silica SiO2 với kích thước giống nhau được chế tạo thành công bằng phương pháp của Stöber [55]. Các hạt cầu silica hay polystryrene dạng dung dịch huyền phù (hạt cầu lơ lửng trong dung môi) được sắp xếp thành cấu trúc opal theo nhiều cách như: lắng
đọng trọng lực, lắng đọng dọc, ô xếp chặt,vv…Ta có thể làm nhanh các quá trình với sự hỗ trợ của nhiệt độ, dòng điện, vv…
Tinh thể quang tử opal nhân tạo là một ví dụ điển hình về tinh thể quang tử 3D, bởi vì chúng có thể cung cấp kiến thức cơ bản để nghiên cứu tính chất quang của những cấu trúc quang học mới khác. Hơn nữa, nghiên cứu chúng cho ta những hiểu biết cơ bản về sự tương tác giữa ánh sáng và môi trường rắn. Tinh thể quang tử nhân tạo opal chế tạo từ các hạt cầu silica hay polystryrene không tạo ra vùng cấm quang hoàn toàn, nhưng chúng có thể được sử dụng để chế tạo cấu trúc opal đảo có vùng cấm quang hoàn toàn khi chiết suất của vật liệu lớn hơn 2,85 [56].
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng tính tuần hoàn của các hạt cầu SiO2 trên bề mặt (111) để tạo ra cấu trúc đĩa nano vàng. Nghiên cứu hiệu ứng plasmonic hấp thụ ánh sáng và thử nghiệm khảo sát tán xạ Raman tăng cường bề mặt của phân tử hữu cơ.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương 2 trình bày phương pháp chế tạo vật liệu biến hóa có cấu trúc đĩa nano vàng – tinh thể quang tử SiO2 opal và các kỹ thuật thực nghiệm để khảo sát tính chất của các mẫu. Tinh thể quang tử SiO2 opal được chế tạo theo phương pháp tiếp cận từ dưới lên, sau đó các đĩa vàng được chế tạo bằng phương pháp phún xạ.