Phản ứng quang húa được chia làm hai loại: loại quang húa trực tiếp hay cũn gọi là quang húa khụng cần chất cảm quang (non-induced reaction) và loại quang hoỏ giỏn tiếp. Phản ứng quang húa trực tiếp xảy ra khi chiếu ỏnh sỏng trực tiếp vào tỏc nhõn phản ứng và phản ứng quang húa xảy ra. Loại quang húa giỏn tiếp hay cũn gọi là quang húa cần chất cảm quang (photo-induce reaction) nếu chiếu ỏnh sỏng vào cỏc tỏc nhõn một cỏch đơn thuần thỡ phản ứng khụng xảy ra, nhưng khi cho thờm một chất gọi là chất cảm quang thỡ lập tức phản ứng quang húa xảy ra. Một cỏch tổng quan, quỏ trỡnh đúng rắn quang xuất phỏt từ cỏc monome, oligome, thường được gọi là cỏc tiền chất. Dưới tỏc dụng của bức xạ quang, cỏc phản ứng trựng hợp và khõu mạch xảy ra hỡnh thành nờn sự liờn kết giữa cỏc chuỗi mạch cao phõn tử. Sự polyme hoỏ quang bao gồm một chuỗi cỏc phản ứng được khơi mào bởi ỏnh sỏng kớch thớch.
M (M)2 — (M)n
Hầu hết những monome, oligome hay núi chung cỏc tiền chất thường khụng tạo ra những phản ứng khởi đầu cú hiệu suất phản ứng cao kể cả khi được chiếu sỏng. Do đú, trong những tiền chất cần cú những phõn tử hữu cơ cũn được gọi là
chất khơi mào quang để bắt đầu cho quỏ trỡnh polyme diễn ra. Đõy là giai đoạn rất quan trọng của phản ứng, thời điểm này cú cỏc quỏ trỡnh quang hoỏ lớ xảy ra.
Vật liệu ASZ chứa nhúm Acrylat, thuộc loại quang hoỏ giỏn tiếp, cú thể polyme hoỏ dưới tỏc dụng của ỏnh sỏng hay nhiệt độ. Tốc độ phản ứng polyme hoỏ sẽ tăng lờn nếu tỡm được cỏc chất khơi mào quang thớch hợp. Qua nghiờn cứu cỏc tài liệu, một số chất khơi mào quang được chọn lựa là: DPA (22-dimethoxy-2 phenylacetophenone), HCPK (1 - hydroxycyclohecxyl-phenyl-keton) và BIE (Benzoin isobutyl ether) để nghiờn cứu tỏc dụng của ỏnh sỏng tử ngoại, cú cường độ cực đại ở 320 nm, đến sự thay đổi chiết suất của màng mỏng ASZ (acrylat- silica-zircon).
Phổ Raman được sử dụng để đỏnh giỏ ảnh hưởng của cỏc chất khơi mào đến chất lượng của cỏc mẫu vật liệu tổng hợp được. Hỡnh 2.28 là phổ MicroRaman của màng ASZ pha DPA phụ thuộc vào thời gian chiếu sỏng, cho phộp theo dừi và kiểm tra mức độ polyme hoỏ của hệ vật liệu, khi sử dụng ỏnh sỏng tử ngoại chiếu vào cỏc hệ màng mỏng với thời gian khỏc nhau.
400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 2934,26 1405,54 1637 942,56 309,23 C -ờ ng đ ộ ( đ vt đ ) B- ớ c sóng (cm-1) 0' 5' 10' 20' 30' Số súng (cm-1 )
Hỡnh 2.28. Phổ MicroRaman của vật liệu ASZ pha DPA phụ thuộc vào thời gian chiếu sỏng
Trong hệ vật liệu dẫn súng cú chứa cỏc nhúm nhạy quang, dưới tỏc dụng của ỏnh sỏng tử ngoại cỏc liờn kết trong nhúm cú nối đụi bị gẫy, liờn kết lại với nhau hỡnh thành cỏc mạch polyme. Điều này gõy nờn hiệu ứng xớch lại gần nhau của cỏc mạch phõn tử, dẫn đến tỷ trọng của vật liệu tăng. Hệ quả của việc tăng tỷ trọng là làm tăng chiết suất của vật liệu. Một nguyờn nhõn khỏc cần được tớnh đến là quỏ trỡnh quang trựng hợp cú thể kộo theo một hiệu ứng khỏc: như thay
C ư ờ ng độ ( đv tđ)
đổi độ phõn cực. Nếu độ phõn cực của vật liệu tăng lờn, cũng là một trong những yếu tố làm tăng chiết suất của vật liệu.
Phổ dao động của phõn tử trờn hỡnh 2.29, cho chỳng ta bức tranh về tần số dao động đặc trưng cỏc liờn kết hoỏ học. Tại cỏc vựng tần số dao động khoảng 3000 cm-1, là cỏc vạch phổ liờn quan đến dao động của nhúm CH2 và CH3. Một số vựng phổ khỏc bị thay đổi mạnh về cường độ khi chiếu ỏnh sỏng tử ngoại. Một trong cỏc vạch phổ thay đổi mạnh về cường độ là vạch tại 1640 cm-1. Vạch này cú nguồn gốc là dao động căng đối xứng của nhúm nối đụi C=C và cú thể sử dụng làm vạch phõn tớch quỏ trỡnh quang trựng hợp hay núi khỏc đi là quang tạo hỡnh đối với màng mỏng của vật liệu nhạy quang ASZ.
Vạch tại 1640 cm-1
cũng được sử dụng để nghiờn cứu đỏnh giỏ tỏc dụng của cỏc chất khơi mào trong phản ứng quang hoỏ. Hỡnh 2.29, hỡnh 2.30 là phổ MicroRaman của màng ASZ pha DPA với tỉ lệ khỏc nhau, cú vạch Raman ở bước súng 1640 cm-1
.
Số súng (cm-1) Số súng (cm-1)
Hỡnh 2.29. Phổ MicroRaman của màng ASZ pha DPA (8%)
Hỡnh 2.30. Phổ microraman của màng ASZ pha DPA (30%)
Thời gian (phỳt) Thời gian (phỳt)
Hỡnh 2.31. Chiết suất màng ASZ phụ thuộc vào nồng độ DPA và HCPK
Hỡnh 2.32. Sự thay đổi độ dày màng chế tạo từ vật liệu ASZ pha DPA
Độ tă ng c h iết su ất ( n) Độ tă ng c h iều dà y ( T) C ườn g độ (đv tđ) C ườn g độ (đv tđ) 1) HCPK 5% 3) HCPK 15% 5) HCPK 25% 2) DPA 5% 4) DPA 15% 6) DPA 25% 1) DPA 5% 2) DPA 15% 3) DPA 25% 1 2 3
Trờn hỡnh 2.31 cho thấy rừ trong khoảng thời gian 20 phỳt đầu, từ 30 phỳt trở lờn giỏ trị này hầu như khụng thay đổi. Như vậy, quỏ trỡnh phản ứng quang húa chỉ xảy mạnh ra trong giai đoạn đầu của chiếu sỏng. Giỏ trị chờnh lệch chiết suất lớn nhất thu được khi chiếu sỏng ở bước súng 330nm là từ 0,007 đến 0,009 khi đo ở bước súng 1550nm.
Trờn hỡnh 2.32 cho thấy một điểm đặc biệt của hệ vật liệu lai ASZ, khi cú mặt của một số chất khơi mào quang, dưới tỏc dụng của chựm tử ngoại, độ dầy của cỏc màng mỏng ở vựng bị chiếu sỏng tăng lờn. Sự thay đổi độ dầy màng với nồng độ chất tăng nhạy từ 5% đến 25% đó được nghiờn cứu. Khi chiếu sỏng tử ngoại độ dầy màng cú thể tăng lờn từ 3% đến 15%. Tỷ lệ tăng độ dầy cũn phụ thuộc vào độ dầy màng ban đầu, với cỏc màng dầy từ 3 đến 5 micro một, độ dầy cú thể tăng cao hơn cỏc màng dầy cỡ 10 micro một.
Hiện tượng tăng chiều dầy màng khi chiếu sỏng cú thể được lý giải như sau: khi chiếu sỏng UV, cỏc nhúm methoxy và silanol giảm do sự ngưng tụ alkoxyl tăng lờn, nồng độ vật chất tập trung tại vựng chiếu sỏng tăng lờn kộo theo việc giảm nồng độ cỏc vựng xung quanh (vựng khụng được chiếu sỏng), chớnh vỡ vậy chiều dày của màng tăng lờn. Dưới tỏc dụng của ỏnh sỏng tử ngoại, cỏc liờn kết đụi C=C giảm theo thời gian chiếu UV, quỏ trỡnh polyme húa tăng dẫn đến tăng độ đặc chắc tại vựng được chiếu sỏng, điều này đồng nghĩa với việc chiết suất tại vựng này tăng lờn so với vựng xung quanh, tạo ra sự chờnh lệch chiết suất giữa vựng chiếu sỏng và vựng khụng chiếu sỏng.
Trờn cơ sở hệ màng đa lớp và sử dụng hiệu ứng tăng chiết suất và tăng độ dầy màng, cú thể chế tạo cấu trỳc dẫn súng planar dạng tầng theo qui trỡnh cụng nghệ quang vi hỡnh.
2.4. Kết luận
Trong chương này chỳng tụi đó khảo sỏt cấu trỳc và cỏc tớnh chất quang tử của vật liệu nano ASZ và rỳt ra được bộ thụng số tớnh chõt của vật liệu:
1. Khoảng điều chỉnh chiết suất lớn: 1.45 - 1.50
2. Cú tớnh nhạy quang (chựm UV) và cú thể tăng chiết suất màng đến 0.009 (khi chiếu chựm bước súng 330 nm)
3. Độ phõn cực vật liệu nhỏ: nTE- nTM 0.001
4. Tổn hao lan truyền ỏnh sỏng trong dẫn súng tầng: 0.5-1.0 dB/cm tại bước súng 1538 nm.
5. Hệ số quang nhiệt lớn: dn/dT - 2.3x10-4
Chương 3
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHIA CễNG SUẤT QUANG
Trong chương này chỳng tụi trỡnh bày nghiờn cứu thiết kế và chế tạo chip chia cụng suất quang 1x2 (PS1x2) từ vật liệu lai hữu cơ-vụ cơ ASZ. Nghiờn cứu này là một phần của đề tài nghiờn cứu chế tạo vật liệu dẫn súng quang cấp Nhà nước, đó được nghiệm thu KC.02.14 (2001-2004) và đề tài nhà nước về Khoa học và Cụng nghệ Nanụ, 801304 (2004-2005) và một số kết quả nghiờn cứu đó được cụng bố trong cỏc bài bỏo [1-7,33,36,40,41,48,49].