Phổ phản xạ và phổ truyền qua là phương pháp thường được sử dụng để khảo sát vùng cấm quang của tinh thể quang tử. Sơ đồ hệ đo phổ phản xạ và truyền qua được mô tả theo Hình 2.5. Tại bước sóng mà ánh sáng phản xạ mạnh thì độ truyền qua yếu và ngược lại. Vùng cấm quang ức chế, không cho ánh sáng truyền qua, nên ánh sáng bị phản xạ mạnh tại đó. Vị trí của vùng cấm quang trong tinh thể quang tử opal có thể dự đoán bằng lý thuyết nhiễu xạ Bragg [15,53]: 𝜆111 = 2𝑑111(𝑛𝑒𝑓𝑓2 − 𝑠𝑖𝑛2θ)1/2, trong đó 111 là bước sóng phản xạ từ mặt (111); d111 (= 0,816 D) là khoảng cách giữa hai mặt (111), phụ thuộc vào đường kính D của quả cầu; chiết suất hiệu dụng được xác định neff = fnsphere +(1 - f)nvoid = 1,33, với nsphere và nvoid lần lượt là chiết suất của SiO2 (nsphere = 1,45) và không khí (nvoid = 1), hệ số lấp đầy của cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt f = 0,74; là góc tới của ánh sáng. Chúng ta thấy rằng neff phụ thuộc vật liệu chế tạo, vùng cấm quang có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi đường kính của hạt cầu hoặc góc tới của ánh sáng. Khi kích thước hạt cầu tăng thì vùng cấm quang dịch về phía bước sóng dài, nhưng khi góc tới của ánh sáng tăng thì vùng cấm quang bị dịch về bước sóng ngắn hơn.
Hình 3.4 trình bày phổ phản xạ và phổ truyền qua theo phương vuông góc với bề mặt mẫu (góc tới = 0) của tinh thể quang tử opal. Chúng ta thấy rằng, đỉnh phổ phản xạ trùng với đáy phổ truyền qua, và ngược lại vùng bước sóng ánh sáng phản xạ yếu thì truyền qua lớn. Đường kính hạt cầu SiO2 đo trực tiếp thông qua ảnh SEM là 295 nm (Hình 3.3(b)), thay vào công thức Bragg tính được bước sóng ứng với đỉnh phản xạ là 643 nm. Kết quả này phù hợp tốt với phép đo phổ thực nghiệm có đỉnh phản xạ tại 641 nm.
Hình 3. 4. Phổ phản xạ và phổ truyền qua theo phương vuông góc với mặt (111) của tinh thể quang tử opal với đường kính hạt cầu SiO2 D = 295 nm.
Để khảo sát sự thay đổi vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal phụ thuộc vào kích thước của hạt cầu của SiO2, chúng tôi tiến hành đo phổ phản xạ với các đường kính khác nhau của hạt cầu SiO2. Hình 3.5 trình bày phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal đo tại góc tới = 0. Vị trí của đỉnh phổ phản xạ tăng từ 586 đến 803 nm khi kích thước hạt cầu tăng từ 270 đến 370 nm. Bước sóng phản xạ thay đổi tương ứng với mầu của mẫu khi quan sát bằng mắt. Điều này chứng tỏ vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal có thể điều khiển được thông qua kích thước của hạt cầu SiO2.
Hình 3. 5. Phổ phản xạ đo tại góc tới = 0 của tinh thể quang tử opal với hạt cầu SiO2 có đường kính khác nhau.
Khảo sát sự thay đổi vùng cấm quang của các tinh thể quang tử opal phụ thuộc vào góc tới, chúng tôi tiến hành đo phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal với các góc tới khác nhau. Hình 3.6 trình bày phổ phản xạ của mẫu opal được tạo thành từ các hạt cầu silica có đường kính trung bình D = 295 nm với góc tới tăng từ 0 – 40. Khi góc tới tăng lên, đỉnh phổ phản xạ dịch về phía bước sóng ngắn. Điều này chứng tỏ vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal có thể điều khiển bằng cách thay đổi góc chiếu sáng.
Hình 3. 6. Phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal phụ thuộc vào góc tới với đường kích quả cầu D = 295 nm.
Vị trí đỉnh phản xạ tương ứng với các góc tới được so sánh với kết quả tính toán theo định luật Bragg được trình bày trên Hình 3.7. Chúng ta thấy khi góc tới tăng lên, đỉnh phản xạ bị dịch về phía tần số thấp, kết quả này phù hợp với các tính toán theo định luật Bragg.
Hình 3. 7. So sánh đỉnh phổ phản xạ phụ thuộc vào góc tới của ánh sáng và định luật Bragg