Luận văn Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D

c phát triển nguồn cung cấp nước uống một cách thường xuyên là một nhiệm vụ khá khó khăn. Các nhóm nitrogen (nitrates NO3) là nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước trên bề mặt và không khí. Nitrate là hợp chất vô cơ và chất dẫn xuất của nó là nitrite hiện diện trong nguồn nước, các loại rau, củ, quả và dưới dạng hóa chất bảo quản thực phẩm. Các nhóm nitrogen trong nước có thể tồn tại dưới nhiều dạng hóa học khác nhau như nitrites, nitrates, amonia,...Nitrate không trực 20 tiếp gây độc cho người nhưng trong điều kiện tự nhiên nitrate bị vi khuẩn trong môi trường tác động, khi đó các nhóm nitrogen kết hợp với oxy trong môi trường thì chúng tồn tại dưới các dạng chính là nitrites và nitrates. Phản ứng tiếp theo của nitrit với amin thứ cấp hoặc bậc ba trong cơ thể có thể dẫn đến sự hình thành N- nitrosamines gây ung thư. Hơn nữa, chất nitrite oxit sắt đẩy nhanh quá trình hình thành methmoglobin trong các tế bào hồng cầu, cản trở quá trình vận chuyển oxi của hemoglobin, gây ra hội chứng thiếu oxy ở các mô, cơ quan, với triệu chứng da xanh tím, khó thở, co giật, thậm chí tử vong. Ở người trưởng thành do có men khử nitrate nên có thể kích hoạt quá trình phân giải nitrate - nitrite; ngược lại ở trẻ em do hệ thống tiêu hóa có độ pH cao nên chưa hình thành men khử này. Chính vì vậy trẻ em dưới 12 tháng tuổi, đặc biệt dưới 6 tháng tuổi, nếu dùng nguồn nước hoặc rau quả nghiền có hàm lượng nitrate cao dễ bị ngộ độc. Nhiều phương pháp khác nhau như: hóa học, điện hóa và quang phổ được nghiên cứu sử dụng để xác định nồng độ Nitrate. Trong luận văn này, chúng tôi trình bày một phương pháp đơn giản bằng cách sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử một chiều (1D) trên cơ sở Silic xốp và cách tử Bragg trong sợi quang để xác định nồng độ nitrates thấp trong nước, đặc biệt là trong khoảng ppm. 21 Chương 2 MỘT SỐ PHÉP ĐO THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG CHO CẢM BIẾN SINH - HÓA DỰA TRÊN CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D 2.1. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến hóa- sinh Đối với tinh thể photonic 1D dựa trên màng Silic xốp đa lớp, để kiểm tra cấu trúc của các lỗ xốp, bề dày tổng thể của mẫu chế tạo được cũng như bề dày của từng lớp để từ đó có thể tính toán sơ bộ cực đại của phổ phản xạ, chúng tôi sử dụng các phép đo phổ phản xạ bằng máy CARRY 5000 cùng các kỹ thuật SEM, FE-SEM. Đồng thời, chúng tôi cũng mô tả chi tiết hệ thiết bị cảm biến quang tử nano sử dụng để đo nồng độ Nitrate trong môi trường nước với phương pháp đo sử dụng cảm biến pha lỏng. 2.1.1. Các phép đo phổ phản xạ bằng máy CARRY 5000 (UV-VIS-NIR Spectrophotometer Cary 5000) 2.1.1.1. Nguyên lý hoạt động Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ quang học máy quang phổ UV/VIS/NIA Carry 5000[1]. Hệ số phản xạ được định nghĩa là tỷ số R() = I()/I0() với I0() là cường độ bức xạ đơn sắc tới mặt mẫu opal và cường độ ánh sáng phản xạ trên mặt mẫu I() với I() < I0(). 22 Cấu tạo và nguyên lý hệ quang học của Carry 5000 được mô tả như hình 2.1. Hệ máy cho phép thực hiện các phép đo của mẫu trên một dải bước sóng từ 200 nm đến 3000 nm bao gồm: phổ truyền qua, phổ hấp thụ và phổ phản xạ. Đèn deuterium (D2) phát các bức xạ trong vùng UV (từ 200 nm đến 350 nm) và đèn halogen W1 phát các bức xạ trong vùng VIS/NIR (từ 330 nm đến 3000 nm) là nguồn cấp sáng chính cho hệ. Ánh sáng phát ra từ nguồn được hội tụ và đi vào máy đơn sắc G1, được tán sắc bởi cách tử trong G1 và hội tụ trên khe lối ra S2 là chùm ánh sáng đơn sắc. Nhờ một gương hình quạt M8 chùm sáng được tách thành một chùm truyền đến mẫu cần đo (Sam) và chùm kia đến mẫu so sánh (Ref). Nhờ hệ thống các gương phản xạ mà detector PM (thu tín hiệu trong vùng UV/VIS) hoặc detector PbS (thu tín hiệu trong vùng NIR) thu nhận các chùm phản xạ trên mẫu cần đo và mẫu so sánh chiếu đến. Thiết bị cũng bao gồm hệ thống điện và điện tử giúp chuyển tín hiệu quang từ detector thành tín hiệu điện và tín hiệu số được xử lý bằng phần mềm tương thích trên máy tính sau đó hiển thị dưới dạng phổ trên màn hình máy tính. 2.1.1.2. Phổ kế vùng tử ngoại-nhìn thấy-hồng ngoại Cary5000 (UV-VIS-NIR Spectrophotometer Cary 5000) Máy quang phổ UV/VIS/NIR Carry 5000 của Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (hình 2.2) hoạt động theo nguyên tắc so sánh hai chùm tia cho phép thực hiện các phép đo đối với các loại mẫu trong vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần bao gồm: mẫu lỏng có dung tích dung dịch và dung môi lớn hơn 100 ml (phổ hấp thụ, truyền qua), mẫu rắn dạng khối có bề mặt mẫu đo phải nhẵn và mẫu màng (phổ hấp thụ, truyền qua và phản xạ), mẫu bột được nghiền nhỏ, có khối lượng lớn hơn 1g. (phổ phản xạ). Thiết bị đồng thời cũng cho biết chiết suất hoặc độ dày của mẫu màng. Thiết bị cho phép thực hiện các phép đo trong dải bước sóng từ 175 nm đến 3300 nm với tốc độ quét: 0.004 - 2000 nm/phút và sử dụng phần mềm: Carry WinUV version 3.0. 23 Hình 2.2 UV-VIS-NIR Spectrophotometer (Carry 5000)[1]. Khi sử dụng ánh sáng phản xạ từ gương phẳng có tráng một màng nhôm mỏng có tác dụng như một vật so sánh thì thiết bị phản xạ gương SLM-736 của Carry 5000 có khả năng đo hệ số phản xạ tương đối của mẫu tại một góc tới cố định là 50 với các chùm song song là các chùm ánh sáng chiếu tới mẫu cần đo và vật so sánh. Vết ánh sáng chiếu tới bề mặt mẫu dạng hình chữ nhật có thể có diện tích cực đại ~3x5 mm2 và bằng cách điều chỉnh các khe sáng có thể thu hẹp diện tích này. Detector đồng thời tiếp nhận các chùm sáng phản xạ trên mẫu cần đo và trên vật và cho phép thu nhận trực tiếp tỷ lệ I/Iref nhằm đảm bảo cả cường độ I và Iref được ghi trong cùng một điều kiện đo (I là cường độ chùm bức xạ thu được từ mẫu cần đo và Iref. là cường độ chùm bức xạ thu được từ mẫu so sánh). 2.1.2. Hệ thiết bị cảm biến quang tử nano Đây là hệ thiết bị cảm biến quang tử đo dung môi hoặc dung môi hữu cơ sử dụng phương pháp vật lý để xác định thành phần các chất dung môi hữu cơ hòa tan với nồng độ thấp có trong môi trường nước thuộc đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang tử nano ứng dụng xác định nồng độ chất hữu cơ (dung môi, atrazine) trong môi trường lỏng”, mã số: VAST 03.06/15-16 do Ths Nguyễn Thúy Vân – Viện khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chủ trì năm 2015 – 2016. 2.1.2.1. Giới thiệu về hệ thiết bị Các mẫu dung môi hoặc dung môi hữu cơ được nhỏ lên bề mặt cảm biến quang tử kiểu cấu trúc vi cộng hưởng quang học được đặt trong buồng đo, sẽ làm thay đổi bước sóng cộng hưởng của cảm biến. Bộ phận chiếu sáng dùng đèn Halogen của hãng Ocean Optics chiếu vào cảm biến quang tử và ánh sáng phản xạ từ cảm biến sẽ 24 được phân tích bằng thiết bị đo phổ quang là USB 4000. Độ nhạy và giới hạn phát hiện của thiết bị cảm biến phụ thuộc chủ yếu vào độ phân giải phổ của cảm biến và của thiết bị đo phổ. Dưới sự đồng ý của chủ nhiệm đề tài VAST 03.06/15-16 cùng nhóm nghiên cứu, chúng tôi đã tiến hành xác định thực nghiệm với mô hình thiết bị cảm biến quang tử này để xác định thành phần Nitrate có các nồng độ khác nhau trong môi trường nước với các mẫu được tạo ra trong phòng thí nghiệm và cho kết quả khả quan. Cấu tạo của hệ thiết bị được mô tả ngắn gọn kèm theo một số hình ảnh trích lược từ trong nội dung bản thiết kế của thiết bị. 2.1.2.2 Mô tả chi tiết hệ thiết bị Hình 2.3 trình bày sơ đồ của khối nguồn phát sáng. Đèn halogen (HL-2000- LL, Tungsten Halogen Source, 360 – 2000 nm, 10.000 hrs, 2800 k) có nhiêṃ vu ̣taọ nguồn sáng có bước sóng từ 360- 2000 nm và được kết nối với đầu connector để dẫn ánh sáng chiếu tới bề mặt của cảm biến. Hình 2.3 Sơ đồ khối nguồn phát sáng. Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của khối máy đo phổ quang. Hình 2.4 là sơ đồ nguyên lý của khối máy đo phổ quang được nối với cảm biến bằng sợi dẫn quang. Khối máy đo phổ quang có nhiêṃ vu ̣ thu nhâṇ ánh sáng phản xạ từ cảm biến quang tử vi cộng hưởng, phân tích phổ của ánh sáng thu được từ cảm biến quang tử khi có hoặc không có các chất hữu cơ cần đo trong môi trường. Phổ chuẩn ban đầu của cảm biến là bước sóng cộng hưởng của cảm biến trong môi trường không khí hoặc trong môi trường nước sạch (nước khử ion). Khối 25 máy đo phổ quang bao gồm: máy đo phổ quang có dải phổ bước sóng đo được từ 200 nm đến 1100 nm, đô ̣phân giải phổ 0,1 nm; bô ̣ truyền dẫn và ghép/tách quang sử dụng sợi dẫn quang có nhiêṃ vu ̣truyền ánh sáng từ nguồn phát quang đến cảm biến quang tử và đồng thời thu nhâṇ tín hiêụ ánh sáng phản xa ̣từ cảm biến quang tử và truyền ánh sáng này đến máy đo phổ quang. Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của khối chứa cảm biến. Hình 2.5 là sơ đồ nguyên lý của khối chứa cảm biến. Dung môi hữu cơ cần xác định được nhỏ vào sẽ tác động lên cảm biến quang tử được đặt trong hộp kín có gá. Bô ̣ gá cố điṇh được gắn trên mặt chân đế có nhiệm vụ gá giữ cố định đầu connector. Toàn bộ hệ được cố định bởi chân đế. Hình 2.6 Hệ thiết bị cảm biến quang tử và mặt trước của hệ thiết bị. 2.2. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng trong cảm biến hóa - sinh. Đối với tinh thể photonic 1D dựa trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang, ngoài việc kiểm tra hình thái bề mặt sợi cách tử, đường kính tổng thể của sợi sau khi ăn mòn bằng kỹ thuật SEM, chúng tôi còn sử dụng phương pháp đo phổ phản xạ và 26 phổ truyền qua để từ đó có thể điều khiển quá trình ăn mòn sợi một cách liên tục và chính xác. 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái Kính hiển vi điện tử là một thiết bị phân tích hiệu quả và chính xác được dùng để nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc của vật liệu trong các ngành khoa học vật liệu, hóa học, sinh học...Cho đến nay, kính hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electron Microscope) là loại thiết bị phổ biến nhất bởi SEM cho ảnh có độ phân giải, độ tương phản cao, dễ phân tích, đồng thời có thể sử dụng để phân tích thành phần nguyên tố của vật liệu. Bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu kính hiển vi điện tử quét có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Chùm điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...) trong SEM được tăng tốc với thế tăng tốc thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ nên việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Nhờ hệ thống thấu kính từ mà điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện, chùm tia electron xuyên qua mẫu, mà quét trên bề mặt mẫu nên thiết bị được gọi là hiển vi quét. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét được trình bày trên hình 2.7. Các electron được hội tụ thành chùm tia hẹp nhờ các thấu kính điện từ (2) và đi thẳng tới mặt mẫu (3), lần lượt quét lên bề mặt mẫu, hết hàng nọ đến hàng kia nhờ bộ phát quét (4) tạo ra thế răng cưa dẫn đến các cuộn dâyvới diện tích quét, giả sử là hình vuông cạnh d và có thể thay đổi được. Bộ phát quét (4) đồng thời điều khiển tia electron trong đèn hình (7), quét đồng bộ với tia electron quét trên mặt mẫu, nhưng với diện tích trên màn hình có cạnh D lớn hơn. Các electron thứ cấp, các electron tán xạ ngược, các bức xạ như tia X... có thể phát ra khi chùm tia electron đập vào mặt mẫu, các electron va chạm vào các nguyên tử ở bề mặt mẫu phản ảnh một đặc điểm của mẫu tại nơi chùm tia electron chiếu đến như: bước sóng tia X phát ra phụ thuộc bản chất nguyên tử ở bề mặt mẫu, 27 số electron thứ cấp phát ra phụ thuộc vào độ lồi lõm ở bề mặt mẫu, số electron tán xạ ngược phụ thuộc nguyên tử số v.v....Dùng đầu thu (detector) (5) thu một loại tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại (6), để điều khiển cường độ chùm tia electron quét trên màn hình hay điều khiển được độ sáng của màn hình: số electron thứ cấp phát ra từ chỗ đó nhiều hơn các chỗ lân cận, chỗ tương ứng trên màn hình sáng hơn các chỗ xung quanh khi tia electron quét đến chỗ lồi trên mặt mẫu nên chỗ sáng, chỗ tối trên màn hình tương ứng với chỗ lồi, chỗ lõm trên mặt mẫu. Vì vậy, dộ phóng đại của ảnh là /M D d . Kính hiển vi điện tử quét có nhiều ưu điểm nổi trội như làm mẫu dễ dàng, không phải cắt thành lát mỏng và phẳng, thông thường có độ phân giải ~ 5 nm, xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ (bị hạn chế bởi quang sai) do đó thấy được các chi tiết thô trong công nghệ nano. Hình 2.7 Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét: (1) Súng điện tử, (2) Thấu kính điện từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phát quét, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đèn hình. Sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm: - Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét. - Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): do phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu nên chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề 28 mặt mẫu bị bật ngược trở lại thường có năng lượng cao, có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử), rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Kính hiển vi điện tử quét có điểm mạnh là phân tích mà không cần phá hủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp, các thao tác điều khiển đơn giản hơn so với TEM khiến cho nó rất dễ sử dụng, giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vì thế SEM phổ biến hơn so với TEM. 2.2.2. Đo hệ phản xạ của FBG thông qua phổ phản xạ Trong mô hình đo phản xạ, ta đối chiếu với bảng để biết được độ phản xạ của cách tử sau khi xác định được điểm 0 và xác định khoảng cách từ điểm 0 đến đỉnh phản xạ. Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử được mô tả như hình 2.9. Bộ EDFA phát phổ dải rộng (trong vùng 1530nm – 1560nm) cho ánh sáng tới vào cổng 1 của Circulator và được đưa tới cổng 2. Qua cách tử FBG, các bước sóng được truyền qua gần như nguyên vẹn, chỉ có bước sóng trùng với bước sóng cách tử được phản xạ trở lại và được đưa ra cổng 3 nối với máy phân tích phổ. Hình 2.8 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ. Hình 2.9 Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử[2]. 29 Trong đó thiết bị phân tích phổ chuyên dụng cho sợi quang (OSA - OPTICAL SPECTRUM ANALYZER) được sử dụng là Advantest Q8384. Đây là thiết bị phân tích phổ dải rộng sử dụng cách tử nhiễu xạ đơn sắc có các đặc tính sau: - Giao diện thích hợp với các thiết bị truyền thông quang: EDFA, FBG. - Độ phân giải theo bước sóng: ≥10pm. - Dải dynamic: ≥60dB. - Độ chính xác bước sóng: ±20pm. - Phụ thuộc phân cực: ±0.05dB. - Chức năng phân tích WDM. - Có ổ mềm 3.5 inch và máy in nội. - Màn hình tinh thể lỏng màu, kích thước lớn. Giới hạn đo của thiết bị thuộc các vùng cụ thể như sau: vùng bước sóng hoạt động: 600nm ÷ 1700nm, vùng level hoạt động: -87dBm ÷ 23dBm. Hình 2.10 Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384. Circulator là một thiết bị quang có ba hoặc bốn cổng không thụ động, có tác dụng chuyển hướng ánh sáng từ cổng đến cổng tuần tự theo chỉ một hướng. Trong đó một tín hiệu quang được đưa vào bất kỳ cổng nào đều được truyền đến cổng xoay kế tiếp. Tín hiệu áp dụng cho cổng 1 chỉ ra khỏi cổng 2, tín hiệu áp dụng cho cổng 2 chỉ ra khỏi cổng 3, với mỗi cổng là một điểm mà ở đó một đường truyền dẫn tín hiệu bên ngoài được kết nối với thiết bị. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng loại Circulator có ba cổng. Mạch khuếch đại tín hiệu quang (EDFA) có thành phần chính gồm một đoạn sợi quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium. Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium - Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để 30 ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ cách ly quang (Isolator) để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống. Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA được mô tả như hình 2.11. Hình 2.11 Cấu tạo của một bộ khuếch đại quang (EDFA). Nguồn laser bơm cho sợi pha tạp là laser bán dẫn bước sóng 980 nm thuộc họ SDLO 2564 có công suất quang có thể đạt được 150 đến 170 mW, dòng ngưỡng thấp Ith từ 10 đến 20 mA. Hình 2.12 Nguồn bơm laser tạo bước sóng 980 nm. Đây là laser bán dẫn có cách tử Bragg chọn lọc bước sóng, phát laser trong vùng 980 nm, và, các thông số hoạt động được cho như bảng 2.1. Bảng 2.1 Các thông số hoạt động module laser SDLO 2564-165-GC. Thông số của module laser Dòng điện Công suất quang Dòng ngưỡng - I th 11mA Dòng hoạt động - I op 255,9 mA 150 mW Dòng cực đại - I max 285,2 mA 165 mW Dòng photodiode khi laser hoạt động với dòng I op 0,24 mA Hệ số chuyển đổi quang điện η = 0,63 (mW/mA) 31 Hình 2.13 Phổ dải rộng của ASE khi chưa khắc cách tử.[2] 2.2.3. Đo hệ số phản xạ của cách tử thông qua phổ truyền qua Hình 2.14 Mô hình đo truyền qua của FBG.[2] Ta mắc theo mô hình như hình vẽ và xác định khoảng L (dB) và tiến hành đo độ phản xạ sau khi đo phổ truyền qua của tín hiệu sau khi qua cách tử,: 101 10 L R    (2.1) Hình 2.15 Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua. 32 Chương 3 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HÓA TRÊN TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP VÀ CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI QUANG 3.1. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa trên tinh thể quang tử một chiều (1D) trên cơ sở Silic xốp 3.1.1. Nguyên lý, quy trình chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano 3.1.1.1. Nguyên lý chế tạo Cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D được chế tạo theo cấu trúc màng mỏng đa lớp có sự thay đổi tuần hoàn một lớp có chiết suất cao xen kẽ với một lớp có chiết suất thấp hay nói cách khác là tuần hoàn về hằng số điện môi theo một hướng xác định trở thành cơ sở cho phép chế tạo thành công linh kiện cảm biến quang tử nano. Với cấu trúc màng mỏng đa lớp này thì định luật phản xạ Bragg có thể viết dưới dạng công thức: n.d = λ0/4. Xét tinh thể quang tử 1D đặt trong không khí, gồm N cặp lớp (LH)N = LHLHLH...LH (L: lớp có chiết suất thấp, H: lớp có chiết suất cao) có mặt ngoài của tinh thể quang tử là tiếp xúc với môi trường có chiết suất xấp xỉ 1 thì lớp ngoài cùng của tinh thể quang tử sẽ là lớp có chiết suất thấp để đảm bảo sự phù hợp về mặt chiết suất với môi trường. Theo điều kiện phản xạ Bragg ta xác định được bước sóng của cực đại phản xạ là λ0 và chiều dày của lớp là d. Trong mỗi một lớp của tinh thể quang tử sẽ xảy ra sự phản xạ giao thoa sóng tại bước sóng λ0 khi sóng tới là sóng phẳng và hiệu suất phản xạ năng lượng sóng tới gần như hoàn toàn. Tinh thể quang tử có độ rộng phổ phản xạ được tính một cách gần đúng theo công thức [1]: ∆λ = (4λ0/ π) arcsin [((nH/nL) – 1)/ ((nH/nL + 1)] (3.1) Trong đó: nH và nL tương ứng là chiết suất của lớp có chiết suất cao và lớp có chiết suất thấp, λ0 là bước sóng của cực đại phản xạ. Tại bước sóng của cực đại phản xạ λ0 lần lượt xác định được chiều dày dm và chiết suất nm của mỗi lớp. Phổ phản xạ ∆λ của tinh thể quang tử có thể được mở rộng khi hai lớp liền kề có sự gia tăng độ tương phản chiết suất ∆n = nH – nL. 33 Chúng tôi tập trung quan tâm đến phương pháp ăn mòn điện hóa phiến Silic để tạo ra PC 1D là vì nhiều yếu tố như sau: độ xốp bị ảnh hưởng nhiều bởi dòng ăn mòn điện hóa và dẫn đến khả năng có thể tạo ra vật liệu có chiết suất thay đổi, đặc biệt là lớp xốp mới được tạo ra hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi sau đó của dòng ăn mòn. Ngoài ra các điều kiện trong quá trình điện hóa như là loại tạp, nồng độ HF, nồng độ tạp trong đế Silic, nhiệt độ, thành phần hóa học của dung dịch điện hóa,...cũng góp phần thay đổi độ xốp theo chiều sâu. Như vậy thông qua việc điều khiển dòng điện điện hóa và một số điều kiện kèm theo ta có thể chế tạo được cấu trúc có sự thay đổi chiết suất một cách tuần hoàn. 3.1.1.2. Quy trình chế tạo Quy trinh chế tạo gồm 2 bước chính như sau: Bước 1: Chuẩn bị mẫu, dụng cụ và hóa chất - Tiến hành thổi khí nitơ trong 2 giờ sau khi ủ tiếp xúc mặt sau cho phiến Silic có điện trở suất ρ = 0,01 - 0,015 Ωcm loại p+ đã được bốc bay Al ở nhiệt độ 4500C (sử dụng hệ lò GSL1600X thuộc phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (hình 3.1) để ủ tiếp xúc cho phiến Silic bốc bay nhôm). - Rung siêu âm trong isopropanol các phiến Silic được cắt thành miếng 1,6 x 1,6 cm sau đó rửa bằng nước khử nhiều lần. Bình teflon, cốc pha hóa chất và panh gắp mẫu cũng được rung siêu âm, rửa sạch, sấy khô. - Chuẩn bị cồn tuyệt đối hóa chất và dung dịch HF để tiến hanh ăn mòn. Hình 3.1 Hệ lò được dùng để ủ tiếp xúc cho phiến Silic bốc bay nhôm [1]. 34 Bước 2: Chế tạo PC 1D bằng phương pháp ăn mòn điện hóa Hệ thống điện hóa bao gồm các phần: * Bình điện hóa có dạng hình trụ làm từ polyme độ bền cao trong axit ví dụ như teflon, gồm 2 cực trong đó cực âm là platin hoặc bất kỳ chất nào dẫn điện, trơ trong dung dịch điện phân là hỗn hợp của cồn (C2H5OH) và axit HF với nồng độ nồng độ về thể tích của HF từ 16% đến 20%, cực dương được đặt nối tiếp với mặt sau tấm Silic kích thước 1,6 x 1,6 cm đã đượ bốc bay nhôm đặt ở đáy của bình teflon, mặt trước của mảnh Silic tiếp xúc với dung dịch ăn mòn. Rửa mẫu sau khi được chế tạo được trong cồn tuyệt đối rồi sấy khô bằng khí nitơ. * Để điều khiển quá trình dương cực tan ta thường sử dụng nguồn dòng vì khả năng cho phép điều khiển tốt độ dày, độ xốp và khả năng lặp lại của những lớp Silic xốp hơn phương pháp sử dụng nguồn thế. Quá trình ăn mòn được thực hiện trên hệ điện hóa AUTOLAB PGSTAT 30 có tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hệ thống và sơ đồ hệ điện hóa được trình bày cụ thể trong hình 3.2 và 3.3. Hình 3.2 Hệ thống ăn mòn điện hóa [1]. Hình 3.3 Sơ đồ hệ điện hóa AUTOLAB. PGSTAT 30 dùng để chế tạo PC 1D [1]. 35 3.1.2. Thiết kế chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D 3.1.2.1. Thiết kế tinh thể quang tử 1D Tinh thể quang tử 1D là màng đa lớp có chiết suất trong mỗi lớp là đồng nhất và quang trình của mỗi lớp thoả mãn điều kiện Bragg: n.d=λ/4, trong đó n là chiết suất, d là độ dày của lớp và λ là là bước sóng thiết kế. Hình 3.10: Lược đồ chế tạo màng đa lớp Hình 3.4 Lược đồ chế tạo màng đa lớp [1]. Ta có thể xác định được các mật độ dòng J1, J2 cùng các khoảng thời gian t1, t2 thông qua tốc độ ăn mòn và mật độ dòng từ điều kiện Bragg và mối quan hệ phụ thuộc giữa chiết suất để duy trì các mật độ dòng dạng xung vuông hai mức ứng với tương ứng mỗi một bước sóng λ thiết kế cho trước. Để đảm bảo các tham số thiết kế như chiều dày d, chiết suất n của mỗi lớp trong một màng đa lớp có chiều dày đáng kể khi số chu kỳ N lớn thì cần quan tâm đến quá trình xâm nhập vào bên trong phiến Silic của dung dịch HF và quá trình hình thành các bọt khí hydro ở các lớp nằm sâu trong màng vì để giảm bớt ảnh hưởng có thể tác động đến tốc độ ăn mòn cũng như chiết suất của lớp xốp. Vì vậy nhằm đảm bảo quá trình ăn mòn hóa học vẫn diễn ra dù chậm và quá trình ăn mòn điện hóa dừng lại sau khi mỗi chu kỳ tạo ra hai lớp xốp liền kề chúng tôi đã chủ động tạm dừng quá trình điện hóa với khoảng thời gian (t3 - t2) không thể quá dài và được lấy đúng bằng thời gian điện hóa cho một chu kỳ. 3.1.2.2. Thiết kế cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng một chiều (1D) Cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D được chế tạo khi hình thành được một lớp khuyết tật thường có độ dài quang học bằng λ/2 hoặc λ xen kẽ giữa 2 gương phản xạ Bragg để phá vỡ tính tuần hoàn về chiết suất 36 của gương phản xạ Bragg và tạo ra các mức năng lượng được phép bên trong vùng cấm quang. Khi đó, buồng vi cộng hưởng cho phép ánh sáng truyền qua tại một hoặc một vài bước sóng xác định gọi là bước sóng cộng hưởng. Bước sóng này có giá trị phụ thuộc vào chiều dài quang học của lớp khuyết tật. Khi độ dài quang học của lớp khuyết tật tang lên sẽ dẫn tới nhiều bước sóng mà photon được phép truyền qua trong FBG. Các nghiên cứu trước đây của chúng tôi [1,3] đã chỉ ra rằng để tạo ra một dải rộng của các giá trị chiết suất của các lớp xốp