Chương 2 : Khả năng thu nhận ỏnh sỏng của laser
3.1. Hệ thu tớn hiệu laser độ nhạy caọ
3.1.8. Mỏy đo cụng suất
Mỏy đo cụng suất quang KyngFisher cú cụng suất đo giới hạn 40 mW, dải bước súng đo được là từ 850 nm đến 1620 nm
3.1.9. Hiện tượng kộo tần số:
Sơ đồ khối của thớ nghiệm được chỉ ra trong hỡnh 3-1. Thớ nghiệm được tiến hành như sau: laser phỏt và laser thu đều được giữ nguyờn cụng suất. Laser phỏt được bơm xa ngưỡng, tớn hiệu cú cụng suất ổn định là -5 dBm. Lối ra của laser tớn hiệu được đưa tới bộ suy giảm để suy giảm cụng suất xuống cũn -30 dBm là khoảng cụng suất mà đầu thu cũn thu nhận được. Tớn hiệu được đưa vào một đầu 1550 nm của bộ trộn bước súng WDM, một đầu cũn lại của WDM nối
50
với nguồn bơm, cũn đầu ra của WDM nối với lối vào của laser thụ Thay đổi bước súng của laser phỏt tớn hiệu (laser nguồn) trong khoảng 2 nm và quan sỏt tiến trỡnh phổ tại đầu thu phụ thuộc vào khoảng cỏch giữa bước súng của tớn hiệu và bước súng trung tõm của laser thụ Hỡnh ảnh phổ thu được bằng mỏy phõn tớch phổ OSA MS9710B.
.
Hỡnh 3-6: Tiến trỡnh tớn hiệu laser chủ tiến gần tới laser tớ.
Hỡnh 3-6 là đồ thị kết quả phổ thu được khi thay đổi bước súng tớn hiệu tới gần bước súng của laze thụ Trong đú:
1. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ là 0.12 nm. 2. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.1 nm. 3. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.06 nm. 4. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.03 nm. 5. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.02 nm 6. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0 nm. 7. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.03 nm. 8. Là hỡnh ảnh khi độ lệch cộng hưởng Δλ = 0.05 nm.
51
Nhỡn vào hỡnh 3-6 ta thấy khi bước súng của laser chủ và laser tớ khụng trựng nhau hay việc tiờm bị lệch cộng hưởng cú thể thấy rừ ràng sự di chuyển phổ và
độ kết hợp từ laser chủ sang laser tớ. Đầu tiờn, độ lệch cộng hưởng là 0.2 nm, tớn hiệu vẫn rất nhỏ, laser thu chưa cú ảnh hưởng gỡ tới tớn hiệụ Thay đổi bước súng sao cho bước súng của tớn hiệu tới gần bước súng trung tõm của laser thu cho đến khi độ lệch cộng hưởng là khoảng 0.02 nm thỡ năng lượng bắt đầu được truyền từ
laser thu sang cho tớn hiệu, vạch phổ của tớn hiệu cao lờn. Khi hai bước súng trựng nhau thỡ năng lượng truyền sang là lớn nhất và ta quan sỏt thấy vạch laser tớ bị tiờm thu được là cao nhất.
3.1.10. Thu nhận tớn hiệu Thiết lập thớ nghiệm
Điều chỉnh hệ kộo căng, thiết lập laser nguồn phỏt tớn hiệu laser tại bước súng 1539.16 nm, trựng với bước súng phỏt xạ của laser thụ
Laser thu được bơm ở gần ngưỡng với tỉ số dũng bơm trờn dũng ngưỡng là r = 1.2.
Laser nguồn phỏt ra tớn hiệu laser tại bước súng trựng với bước súng của laser thu và được bơm ở xa ngưỡng, cú cụng suất ổn định tại – 5 dBm.
Lối ra của nguồn tớn hiệu được đưa tới bộ suy giảm để cú thể thay đổi được cụng suất. Lối ra của bộ suy giảm cụng suất được đưa tới bộ trộn bước súng của bộ WDM để trộn bước súng với laser diode bơm 980 nm và đưa tới laser thụ
Đầu ra của hệđược gắn với mỏy phõn tớch phổ OSA MS9710B.
Kết quả thực nghiệm:
52 1538 1539 1540 1541 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035 0.0040 0.0045 B C D E F G
B: Công suất tiêm -46 dBm C: Công suất tiêm -47 dBm D: Công suất tiêm -48 dBm E: Công suất tiêm -49 dBm F: Công suất tiêm -50 dBm G: Công suất tiêm -53 dBm B−ớc sóng (nm) C − ờ ng độ ( au) Hỡnh 3-7: Tiến trỡnh tớn hiệu lối ra tăng theo cụng suất tiờm
Kết quả thực nghiệm này đo được khi thay đổi cụng suất tớn hiệu xuống tới -53 dBm. Nhỡn vào hỡnh 3-7 ta thấy khi suy giảm cụng suất tớn hiệu tới – 53 dBm thỡ khụng cú hiệu ứng khuếch đại, hỡnh ảnh chỳng ta quan sỏt thấy chớnh là phổ của laser thụ Khi cho cụng suất tiờm tăng lờn, cụng suất lối ra bắt đầu tăng dần. Điều đú chứng tỏ đó cú hiệu ứng khuếch đại tớn hiệu: năng lượng đó được truyền một cỏch hiệu suất từ dải rộng của laser sang cho tớn hiệụ Hỡnh ảnh phổ được quan sỏt bởi mỏy phõn tớch phổ OSA MS9710B cú giới hạn phõn giải là 0.06 nm.
3.2. Chế tạo và khảo sỏt tớnh chất cảm biến nhiệt quang của vật liệu VO2 cấu trỳc nano
3.2.1. Màng mỏng VO2 cấu trỳc nano
ễxớt vanađi là một trong số cỏc vật liệu cú nhiều tớnh chất phong phỳ và khả năng ứng dụng trong thực tiễn, thớ dụ như trong cỏc linh kiện vi điện tử, quang-điện, hiển thị điện sắc (ECD), sensor khớ màng mỏng, cửa sổ nhiệt sắc thụng minh (STW) [13-15]. Việc chế tạo màng mỏng ụxớt vanađi đơn pha, đỳng
53
thành phần hợp thức và cấu trỳc tinh thể là khụng dễ dàng, nhất là đối với đi-ụxớt vanađi (VO2), bởi vỡ vanađi là nguyờn tố kim loại chuyển tiếp cú khả năng liờn kết với ụxy dưới dạng nhiều húa trị khỏc nhau (từ 1 đến 5). Trong cỏc phương phỏp húa học như CVD [16], điều khiển hợp thức húa học trong quỏ trỡnh lắng
đọng cú nhiều thuận lợi, vỡ thế dễ nhận được màng mỏng VO2 cấu trỳc hoàn hảo và đỳng thành phần cấu tạọ Với cụng nghệ sol-gel cú thể chế tạo vật liệu cấu trỳc nanụ nhờ khả năng tạo gel dưới dạng xốp kớch thước nanụ. Bằng cỏc phương phỏp lắng đọng vật lý bốc bay chõn khụng, phỳn xạ catốt cao ỏp một chiều và cao tần [17,18] màng mỏng penta-ụxớt (V2O5) hay đi-ụxớt vanađi (VO2) cũng đó được chế tạo với mục đớch nghiờn cứu lý thuyết cơ bản và ứng dụng thực tiễn trong linh kiện ECD và STW. Trong hầu hết cỏc cụng trỡnh cụng bố, vật liệu màng mỏng VO2 được chế tạo hầu như chưa tồn tại dưới dạng cấu trỳc nanụ. Với khả
năng tự điều chỉnh tớnh chất điện và quang của VO2 theo nhiệt độ hay cũn gọi là hiệu ứng nhiệt sắc, màng mỏng VO2 hoàn toàn cú thể ứng dụng làm tế bào nhiệt-
điện trở hay tế bào nhiệt-quang trong hệ cảm biến nhiệt-điện, nhiệt-quang thụng minh. Để cú thể ứng dụng vào thực tiễn, nhiệt độ làm việc của cảm biến ứng với nhiệt độ chuyển pha cần hạ thấp đến vựng nhiệt độ của mụi trường ứng dụng. Thớ dụ, trong cỏc kho chứa xăng (tộc xăng ngầm) nhiệt độ cần bỏo ngưỡng an toàn vào khoảng 60 – 65 oC, cũn trong cụng nghệ STW nhiệt độ chuyển pha cần hạ đến trong khoảng 35 – 40 oC .... Hạ nhiệt độ chuyển pha cú thể thực hiện bằng cỏch pha tạp W vào trong mạng VO2, tuy nhiờn cụng nghệ này đũi hỏi thiết bị đồng phỳn xạ (sử dụng nhiều bia phỳn xạ). Thiết bị phỳn xạ đũi hỏi đầu tư lớn, mà diện tớch của mẫu khú đạt được độ lớn đỏp ứng thực tiễn ứng dụng.
Cảm biến nhiệt quang sử dụng VO2 cấu trỳc nanụ cũng được chế tạo thử
nhằm mục đớch ứng dụng vào thực tiễn đo đạc và theo dừi nhiệt độ của kho xăng dầu hay húa chất độc hạị
3.2.2. Thực nghiệm chế tạo màng mỏng VO2 cấu trỳc nano
Màng mỏng VO2 được chế tạo bằng phương phỏp bốc bay chõn khụng sử
dụng chựm tia điện tử hội tụ lờn bia đường kớnh 7 mm, dày 10 mm làm từ vật liệu V2O3 độ sạch 4N. Để cú thể nhận được màng mỏng cấu trỳc nanụ, chỳng tụi đó ỏp dụng phương phỏp bốc bay chậm lờn đế nguội (đế là phiến thủy tinh Corning-
54
2747, sợi quang đường kớnh vào 1,0 mm . Tốc độ bốc b ay vào khoảng 0.1 nm/s, chiều dày màng được khống chế trong khoảng 150 – 180 nm. Sau khi lắng đọng, màng được tỏi kết tinh trong lũ chứa ụxy sạch ỏp suất thấp cỡ 5 x 10-2 Torr tại nhiệt độ 450oC, tổng thời gian là 8 giờ, trong đú thời gian nõng nhiệt độ lũ từ
nhiệt độ phũng đến 450oC là 3 giờ, giữ ổn định tại 450oC là 3 giờ và hạ nhiệt độ
xuống nhiệt độ phũng là 2 giờ.
Cấu trỳc tinh thể được kiểm tra bằng phương phỏp nhiếu xạ tia X (XRD), cấu trỳc bề mặt kiểm tra bằng hiển vi điện tử quột (SEM), Trường ĐHKHTN. Khảo sỏt phụ thuộc nhiệt của điện trở suất được tiến hành trờn hệ
Autolab.Potentiostat-PGS30, Viện KHVL, Viện KHCN VN. Nghiờn cứu tớnh chất quang (T, R, A) dưới tỏc dụng của nhiệt độ được tiến hành trờn hệ quang phổ kế UV-VIS-NIR V-570, Trường ĐHCN, ĐHQG HN. Tớnh chất cảm biến nhiệt quang được khảo sỏt trờn hệ laser sợi quang với hệ thu tớn hiệu photon độ
nhạy cao tại bước súng λ = 1550nm.
3.2.3. Phõn tớch kết quả
ạ Cấu trỳc nanụ của màng mỏng VO2
Bề mặt và mặt cắt của màng VO2 trước và sau khi ủ được chụp ảnh SEM. Từ ảnh mặt cắt của mẫu đó xỏc định chiều dày của màng, vào khoảng 210 nm. So với màng bốc bay thỡ màng tỏi kết tinh dày lờn khoảng 20 – 25 %. Vỡ màng bốc bay lờn trờn đế nguội thường là vụ định hỡnh và giàu vanađi (thiếu ụxy), do trong quỏ trỡnh tỏi kết tinh, cấu trỳc vụ định hỡnh biến đổi thành cấu trỳc tinh thể, cựng với việc nhận thờm ụxy từ mụi trường ủ (ụxy húa nhiệt). Trong cỏc thớ nghiệm trước đõy, bỡnh thường chiều dày chỉ tăng lờn cỡ 15 %. Điều này chứng tỏ màng VO2 cú độ xốp cao hơn thường lệ. Cũng từ ảnh SEM, nhưng là ảnh bề mặt, cấu trỳc nanụ của màng VO2 thể hiện rất rừ ràng (Hỡnh 3-8).
55
Hỡnh 3-8: Ảnh SEM chụp bề mặt của màng VO2 trước (ảnh trờn) và sau khi tỏi kết tinh (ảnh dưới)
35 36 37 38 39 40 41 42 C B A C − ờng đ ộ (đvtđ ) 2θ (độ)
Hỡnh 3-9: Giản đồ nhiễu xạ tia chụp trờn mẫu VO2 cấu trỳc nanụ. Kớch thước trung bỡnh xỏc định được vào khoảng 85-120 nm
Kớch thước trung bỡnh của cỏc hạt xỏc định từ ảnh SEM là 110 nm. Nghĩa là lớp màng mỏng VO2, một cỏch gần đỳng, cú thể coi như một lớp cấu tạo từ hai lớp đơn hạt nanụ. Cỏc kết quả phõn tớch giản đồ nhiễu xạ tia X (Hỡnh 3-9) cho thấy, màng tỏi kết tinh cấu tạo đơn pha đi-ụxit vanađi, cấu trỳc mạng đơn tà với cỏc thụng số ụ cơ sở là a = 0.5753 nm, b = 0.4548 nm and c = 0.5376 nm, tra cứu trong ASTM về cấu trỳc tinh thể, tệp dữ liệu số Nọ 19-1398. Cỏc đỉnh nhiễu xạ
khụng xắc nhọn như trong giản đồ XRD của tinh thể khối hay màng thụng thường. Cỏc đỉnh tự như trong Hỡnh 3-9 cũng chứng tỏ màng được cấu tạo từ cỏc hạt nanụ tinh thể. Để tớnh kớch thước hạt tinh thể (t), ỏp dụng cụng thức Sherrer [15]:
56 θ β λ cos . 9 . 0 = t (43) trong đú:
λ là bước súng tia X sử dụng để ghi nhiễu xạ (trong trường hợp cụ thể, bức xạ tia X của cực đối Cu, λ = 0,1504 nm),
β là độ rộng (tớnh theo radian) của đỉnh nhiễu xạ tại vị trớ nửa chiều cao của đỉnh (độ rộng bỏn đỉnh),
θ là gúc nhiễu xạ, trong thực nghiệm giản đồ XRD được ghi theo gúc 2θ.
Từ cỏc giỏ trị thực nghiệm của β và θ, kớch thước trung bỡnh của cỏc hạt tinh thể trong màng mỏng VO2 xỏc định được trong khoảng 85 đến 120 nm. Giỏ trị này hoàn toàn phự hợp với giỏ trịđo trực tiếp trờn ảnh SEM.
b. Tớnh chất chuyển mạch nhiệt quang
Màng mỏng cấu trỳc nanụ cú tớnh chất chuyển pha KLBD thể hiện rất rừ tại nhiệt độ 63oC (Hỡnh 3-10), thấp hơn nhiệt độ chuyển pha của màng VO2 thụng thường hay VO2 tinh thể khốị
Điều này cú thể giải thớch là do năng lượng tự do trong vật liệu nanụ thấp hơn (bởi sự sắp xếp mất trật tự của cỏc hạt nanụ đạt mức độ cao). Pha cấu trỳc bền vững của một vật rắn tồn tại ứng với năng lượng tự do thấp nhất. Quỏ trỡnh chuyển pha KLBD xảy ra khi nhiệt độ của mẫu tăng lờn đến giỏ trị tới hạn nhất
định. Năng lượng cần thiết cho quỏ trỡnh chuyển pha tỷ lệ thuận với năng lượng tự dọ Về mặt cấu trỳc tinh thể, cú thể núi, đú chớnh là năng lượng tối thiểu để
“dịch” chuyển cỏc nguyờn tử trong mạng tinh thể từ vị trớ của mạng đơn tà (ứng với pha bỏn dẫn) sang vị trớ của mạng tứ giỏc (ứng với pha kim loại). Do đú tại nhiệt độ chuy ển pha điện trở suất của màng VO2 hạđột ngột, giỏ trị điện trở suất cú thể giảm đờn ba bậc. Tớnh chất này được ứng dụng trong cụng nghệ chế tạo nhiệt điện trở thụng minh.
57 20 40 60 80 100 120 10-2 10-1 100 101 2 đ iệ n t rở suất (O hm.cm) 3 1 Nhiệt độ (0C)
Hỡnh 3-10: Đường trễ nhiệt trờn màng mỏng nano VO2
Trong chuyển pha BDKL chỳng ta cũn nhận thấy một tớnh chất đặc biệt nữa là sự thay đổi tớnh chất quang của màng mỏng VO2 ở nhiệt độ phũng hay dưới nhiệt độ chuyển pha cú cấu trỳc mạng đơn tà với độ rộng vựng cấm vào khoảng 3,2 eV, vỡ vậy màng VO2 trong suốt ở vựng nhỡn thấy và hồng ngoại gần. Tại vựng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha, VO2 cú cấu trỳc tứ giỏc thuộc pha kim loạị Do màng mỏng cho nờn ở vựng nhỡn thấy VO2 vẫn trong suốt, nhưng ở vựng hồng ngoại hệ số phản xạ tăng lờn – tớnh chất đặc trưng của pha kim loạị Vỡ vậy, độ truyền qua giảm.
5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 3 0 0C 8 0 0C Độ tr uy ền qu a (%) B−ớ c s ó n g (n m )
Hỡnh 3-11: Phổ truyền qua của màng VO2 nanụ tại hai vựng nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha (30oC) và cao hơn nhiệt độ chuyển pha (80oC)
58
Trờn Hỡnh 3-11 là phổ truyền qua của màng VO2 phụ thuộc nhiệt độ. Tại bước súng 2500 nm, độ truyền qua của màng VO2 ở nhiệt độ cao giảm xuống dưới 10% cũn ở nhiệt độ phũng thỡ độ truyền qua là khoảng 60 %, giỏ trị sai khỏc về độ truyền qua theo nhiệt độ là 50%. Tại bước súng 1550 nm - bước súng của thụng tin quang hiện đại mà chỳng ta quan tõm, độ sai khỏc trong phổ truyền qua đạt giỏ trị 35%. Như vậy VO2 cú thể ứng dụng làm sensor nhiệt-quang trong cụng nghệ chế tạo cảm biến nhiệt-quang.
Nguyờn lý của cảm biến nhiệt quang như sau: tia laser hồng ngoại chiếu vào đầu một sợi quang đó được phủ lớp màng mỏng VO2. Khi nhiệt độ của đầu sợi quang cũn thấp, độ truyền qua của màng VO2 cao, tia laser truyền qua lớp màng gần như hoàn toàn, do đú phổ phản xạ rất thấp. Khi nhiệt độ tăng lờn đến 63 oC là nhiệt độ chuyển pha của VO2-nanụ thỡ tia laser được phản xạ ngược lại cú cường độ phổ cao hơn hẳn do độ truyền qua của màng VO2 giảm xuống. So sỏnh hai phổ phản xạ này, bộ phận hiển thị của mỏy cho chỳng ta biết nhiệt độ
của mụi trường đó tăng lờn đến ngưỡng cao bằng nhiệt độ chuyển pha của đầu sensor.
Sơđồ khối của hệ cảm biến quang thử nghiệm được chỉ ra trờn hỡnh 3-12:
59
Hỡnh 3-13 là kết quả thử nghiệm trờn hệ sensor cảm biến nhiệt quang.
Đường cong số 2 là hỡnh ảnh phổ của tớn hiệu phản xạ thu được ở nhiệt độ phũng (thấp hơn nhiệt độ chuyển pha) và đường cong số 1 là hỡnh ảnh phổ thu được ở
nhiệt độ 80oC (cao hơn nhiệt độ chuyển pha). Khi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ
chuyển pha thỡ màng trong suốt, phổ tớn hiệu phản xạ nhỏ. Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha thỡ độ truyền qua của màng giảm, phổ tớn hiệu phản xạ lớn hơn. 1541 1542 1543 1544 1545 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 1 2 Buoc song (nm) C uon g do ( a .u ) Hỡnh 3-13: Phổđo được tại nhiệt độ 30oC và 80oC
Khảo sỏt trờn hệ cảm biến nhiệt quang thử nghiệm, bước đầu mới đó cho thấy hiệu ứng nhưng chưa ổn định. Nguyờn nhõn cú thể là do kỹ thuật gắn sợi