Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ==================== Họ tên: Lê Văn Luật VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm ỨNG DỤNG CHO THÔNG TIN QUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử Viễn thông HÀ NỘI - 2005 Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV1LÊ Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Họ tên: Lê Văn Luật VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm ỨNG DỤNG CHO THÔNG TIN QUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử Viễn thông Cán hướng dẫn: PGS.TS Phạm Thu Nga Cán đồng hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hội HÀ NỘI - 2005 Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV2LÊ Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Mục lục Mở đầu Chương Các sở lý thuyết tinh thể photonic 1.1 Giới thiệu tinh thể photonic Các yếu tố “lý thuyết” tinh thể photonic 1.1.1 Sự tương tự phương trình Schrodinger Maxwell 1.1.2 Sự giải số toán 1.1.2.1 Các sóng phẳng 1.1.2.2 Phương pháp tính đến chiều xác định tinh thể 1.1.2.3 Phương pháp tính phần đến chiều xác định tinh thể 1.1.3 Quy luật chiều dài bước sóng 1.1.4 Các tính chất 1.1.4.1 Sự tuần hoàn theo chiều 1.1.4.2 Sự tuần hoàn theo chiều 1.1.4.3 Sự tuần hoàn theo chiều 1.1.5 Các khuyết tật 1.2 Các tinh thể photonic 1.2.1 Các phương pháp chế tạo tinh thể photonic 1.2.2 Phương pháp điện hoá 1.2.3 Phương pháp oxy hoá chọn lọc theo chiều thẳng đứng 1.2.4 Các tinh thể photonic tự tổ chức từ opal (self-organised photonic crystals) 1.3 Sự phát xạ tự nhiên 1.4 Các ion erbium dịch chuyển phát xạ 1,530 µm Chương Phương pháp chế tạo kỹ thuật nghiên cứu 2.1 Phương pháp nuôi từ dung dịch màng mỏng SiO2 từ Si(C2H5O)4 2.1.1 Giới thiệu phương pháp 2.1.2 Thực nghiệm chế tạo màng mỏng: 2.1.2.1 Tự tập hợp hạt cầu SiO2 2.1.2.2 Tự tập hợp hạt hình cầu SiO2 cấy ion erbium 2.2 Các kỹ thuật đặc trưng tinh thể photonic Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV3LÊ Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 2.2.1 Kết qua ảnh TEM SEM kích thước, tính trật tự tuần hoàn theo chu kỳ 2.2.2 Phép đo với ánh sáng trắng: phổ phản xạ vùng nhìn thấy tinh thể làm từ hạt cầu SiO2 2.3 Kỹ thuật quang huỳnh quang từ mẫu tinh thể làm từ hạt SiO2:Er3+ Chương Các kết thảo luận 3.1 Kết chế tạo mẫu đặc trưng chúng 3.2 Kết chế tạo tinh thể photonic dạng màng đế Si 3.3 Phép đo với ánh sáng trắng: phổ phản xạ 3.4 Phép đo huỳnh quang Kết luận Tài liệu tham khảo Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV4LÊ Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Các từ viết tắt sử dụng luận văn D dimension chiều, hướng fcc face centre cubic lập phương tâm mặt BIP bande interdite photonique vùng cấm quang TEOS tetra-ethoxy-silane SEM scanning electro microscopy kính hiển vi điện tử quét TEM transmission electron microscopy kính hiển vi điện tử truyển qua LDOS Local density of states Mật độ cục trạng thái Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV5LÊ Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 TÓM TẮT Các nghiên cứu tinh thể photonic nhằm mục đích ứng dụng cho viễn thông trình bầy nội dung luận văn Một số kiến thức vật lý vật liệu tinh thể có cấu trúc tuần hoàn theo số điện môi trình bầy chương Các đặc trưng vùng cấm quang tinh thể photonic nêu Chúng sử dụng phương pháp tự tập hợp để chế tạo nên mẫu tinh thể photonic từ hạt cầu SiO2 Một số phương pháp tạo mẫu màng tinh thể photonic kỹ thuật thực nghiệm liên quan trình nghiên cứu trình bầy Một số kết bước đầu nhận nhiễu xạ phản xạ theo góc định theo kích thước hạt (hay theo chu kỳ mạng tinh thể) trình bầy luận văn Do đặc trưng cấu trúc tuần hoàn tinh thể liên quan tới khả định hướng ánh sáng vùng ánh sáng nhìn thấy, nên quan sát cách rõ ràng ánh sáng phản xạ theo góc Phổ phản xạ đặc trưng quan trọng để nghiên cứu tinh thể photonic, trình bầy, với vùng cấm quang mẫu mà chế tạo Khả tạo tinh thể có cấu trúc tuần hoàn với vùng cấm quang hoàn toàn rộng bước sóng 1,5 µm tạo ứng dụng viễn thông Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV6LÊ Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Mở đầu Cuộc cách mạng điện tử với 50 năm qua có gốc rễ hai lĩnh vực khoa học công nghệ Một mặt, có nhiều tiến vượt bậc hiểu biết cúng ta vật lý chất kim loại, điện môi chất bán dẫn, dẫn đến phát triển linh kiện transistor… Mặt khác, vô số trình công nghệ nuôi lắng đọng để chế tạo màng mỏng, cấy ion quang khắc cho phép tích hợp khối chức điện tử diện tích nhỏ, đẫn đến microprocessor, hay microcontroler… nhớ mật độ cao đổi cải tiến công nghệ khác Sự truyền dẫn điện tử chất bán dẫn theo tuần hoàn bắt nguồn từ cấu trúc mạng nguyên tử tuần hoàn chất rắn Chính nhờ điều mà có vùng dẫn vùng cấm xuất chất bán dẫn Khả để kiểm soát photon, nhiều trường hợp, non trẻ, so với việc kiểm soát điện tử Các linh kiện thụ động sợi quang, linh kiện dẫn sóng, tách sóng ghép đa bước sóng phát triển tốt Nhưng cấu trúc phức tạp tích hợp đòi hỏi, giải pháp quang học chưa xuất Ví dụ, chuyển mạch toàn quang to thô, mạch tích hợp quang (IC) thường có kích thước cỡ milimet kích thước micromet công nghệ điện tử [1] Tuy nhiên, rõ ràng cần thiết để phát triển vật liệu quan điểm mới, với chức quang tăng lên cho nhiều ứng dụng khác Thị trường viễn thông toàn cầu phát triển theo đường cong lạ thường dẫn dắt khai thác mạng internet cách vô rộng lớn, thâm nhập ngày tăng vào sống hàng ngày Sự đòi hỏi mạng băng thông rộng ngày tăng năm tới Các tiếp cận việc điều khiển photon phát triển thập niên tới, để chế tạo linh kiện quang học cần thiết cho mạng Các tinh thể photonic đóng vai trò quan trọng phát triển [1] Tinh thể photonic vật liệu có cấu trúc tuần hoàn, mà biểu lộ tương tác mạnh với ánh sáng Một ví dụ đơn giản quan điểm loại vật liệu chồng nhiều lớp vật liệu có số điện môi cao thấp xếp liền kề Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV7LÊ Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Có tương tác mạnh với ánh sáng xày vật liệu nhờ giao thoa chùm ánh sáng mà chúng phản xạ khúc xạ tất mặt tiếp giáp bên vật liệu Sự đáp ứng quang học cuối xác định chồng chập pha toàn sóng quang Đã biết từ lâu rằng, đống xếp chồng nhiều lớp điều khiển việc chế tạo để có, ví dụ sợi phản xạ gần hoàn hảo dãy bước sóng (hẹp rộng), gọi vùng cấm (stop band) Các ví dụ tinh thể photonic 1D gương điện môi, kính lọc, cách tử sợi, cấu trúc distributed-feedback laser phát xạ cộng hưởng thẳng đứng bề mặt (vertical-cavity sưrface-emitting lasers) Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu triển khai từ quan điểm cấu trúc lớp tuần hoàn, đơn giản tinh thể photonic 1D tới cấu trúc nhiều chiều Đầu tiên đề nghị E.Yablonovite John [2,3], theo hai ông này, tính chất quang vật liệu miêu tả "cấu trúc vùng quang học" Quan điểm có tương tự với cấu trúc vùng vật liệu điện tử, nghĩa vật liệu với cấu trúc đặc biệt này, tiên đoán tồn vùng cấm quang, hay là, dãy tần số quang học lan truyền vật liệu Quan điểm đặc biệt đáng tò mò tinh thể photonic 3D, bao hàm dải tần số đặc biệt, phát xạ tự nhiên loại bỏ hoàn toàn Các nghiên cứu ban đầu cấu trúc vùng có vùng cấm hoàn toàn dẫn đến cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện (fcc), chúng sinh kết qủa dương Soukoulis cộng có phát quan trọng đối xứng kim cương loại bỏ suy biến giản đồ vùng, mở vùng cấm hướng tinh thể Trong năm gần đây, nhiều cố gắng đạt kết chế tạo cấu trúc Các tinh thể photonic 2D hấp dẫn khó kiểm soát quang học theo chiều thứ ba chúng lại có nhiều ưu điểm khả thích hợp với công nghệ dẫn sóng quang theo mặt phẳng Thêm nữa, đầu dò hồng ngoại dùng để xác định tính chất bên tinh thể Cũng cần phải nói thêm khuyết tật vài điểm trật tự đóng vai trò quan trọng nghiên cứu tinh thể photonic, chúng điều khiển tính chất đặc biệt bước sóng đặc biệt Hiển nhiên có nhiều ứng dụng tinh thể photonic vùng ánh sáng nhìn thấy vùng hồng ngoại tương ứng với cửa sổ viễn thông Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV8LÊ Header Page of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 1,3 µm 1,5 µm độ phân giải micromet cần đòi hỏi cho công nghệ sản xuất Các chất bán dẫn Si GaAs có độ tương phản chiết suất cao hấp thụ thấp yêu cầu cần cho tinh thể photonic có vùng cấm quang hoàn toàn hai ba chiều Cũng vậy, tinh thể photonic làm từ vật liệu điện môi với chiết suất thấp hơn, SiO2, TiO2 polymer, vùng cấm quang hoàn toàn, tương tác mạnh với ánh sáng, có tính chất photonic thú vị [1] Các sợi quang học xương sống toàn mạng quang Knight cộng tổng quát nên quan điểm sợi quang vi cấu trúc tích hợp cấu trúc 2D hình thành từ việc kéo preform sợi quang có cấu trúc Trong sợi này, ánh sáng truyền lõi gồm không khí, có số tính chất phi tuyến [1] Sự đóng góp nhóm Colvin bao phủ tiếp cận để xây dựng nên mẫu có cấu trúc chu kỳ 3D với kích thước theo micromet cách dùng hạt hình cầu tự tập hợp Các tinh thể photonic lặp lại cách dùng kỹ thuật khác nhau, đặc trưng cấu trúc quang học thảo luận đến Trong thập kỷ gần đây, nghiên cứu tinh thể photonic có tính thời cao, số lượng nghiên cứu lĩnh vực ngang với nghiên cứu carbon nanotube Cần lưu ý rằng, chương trình việc tổng hợp tinh thể photonic xuất từ năm 1997 Hiện nghiên cứu liên quan tới tinh thể photonic tìm thấy trang web: http://home.earthlink.net/~jpdowling/pbgbib.html#y Việc nghiên cứu tinh thể photonic sở tương tự điện tử photon, tương đồng hai phương trình Maxwell Schrodinger Sự tuần hoàn tinh thể rắn gây phân chia thành vùng điện tử chất rắn, tương ứng với tuần hoàn mạng tinh thể photonic vùng cấm quang xuất Trong chất bán dẫn vùng cấm liên quan trực tiếp tới mức lượng electron, tinh thể photonic vùng cấm quang liên quan trực tiếp tới bước sóng hay tần số Nghiên cứu luận văn liên quan đến tinh thể photonic chế tạo từ hạt silica hình cầu với kích thước từ 300 nm – 400 nm, số mẫu tinh Footer Page of VĂN 126 LUẬT SV9LÊ Header Page 10 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 thể photonic chế tạo từ hạt cầu SiO2 pha tạp ion erbium, kỹ thuật tự tập hợp, phát triển dựa theo công trình J.D Joannopoulos A Blanco et al, đăng tạp chí Nature, số vol 414, Nov 2001, p.257-258 Vol.405, May 2000, p.437-439 Các mẫu chế tạo được nghiên cứu tính chất quang tính chất đặc biệt nhằm cho ứng dụng viễn thông quang Bố cục luận văn bao gồm ba chương Ngoài ra, có phần mở đầu kết luận vấn đề nghiên cứu tồn Phần tài liệu tham khảo đưa phần cuối luận văn Cụ thể là: Chương Các sở lý thuyết tinh thể photonic Chương Phương pháp chế tạo đặc trưng quang học Chương Các kết thảo luận Footer Page 126.LUẬT SV10 LÊofVĂN 10 Header Page 44 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 26 Ảnh SEM mẫu tinh thể photonic SiO2 đế Si Có thể nhìn thấy rõ kích thước hạt cầu SiO2 cấu trúc quan sát hexagonal Hình 25 26 cho thấy khả tự tập hợp hạt cầu SiO2 Hình 25 ảnh quan sát diện tích nhỏ, cho thấy mặt có cấu trúc trật tự Đây điều mong muốn trình thực hành thí nghiệm Hình 27 ảnh SEM mẫu tinh thể tập hợp lắng đọng bề mặt lam kính thuỷ tinh Hình 27 Ảnh SEM mẫu tinh thểphotonic SiO2 đế thuỷ tinh Cho thấy khả xếp trật tự hạt cầu SiO2 vật liệu nhẵn Có thể thấy với kích thước 330 nm, hạt cầu SiO2 xếp trật tự miền khối tinh thể Có lẽ điều phụ thuộc vào xác quy trình thực hành thí nghiệm Quy luật tuân thủ theo Footer Page 126.LUẬT SV44 LÊofVĂN 44 Header Page 45 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 quy tắc thấp vật chất tồn trạng thái bảo toàn Với tính chất hạt cầu, qúa trình tự xếp tuân thủ quy luật nghiêm ngặt, xung quanh hạt cầu có hạt cầu bao quanh che kín hạt cầu mà cụ thể 12 hạt cầu bám xung quanh hạt vị trí Đây xếp hoàn hảo mà trình thí nghiệm hoàn toàn đạt Quá trình thực tự tập hợp tốt trình tự tập hợp, thực thêm bước, rung học, phương pháp chế tạo rung siêu âm (phương pháp 2) Cũng công trình khoa học công bố (theo hình 24), hình ảnh mẫu quan sát hình 24 cho kết mà theo họ xếp tuần hoàn đạt nhiều điều mong muốn Các kết mà công trình đạt cho thấy tính chất đắn thời b) a) Hình 28 Ảnh SEM mẫu màng hạt cầu số công trình khoa học công bố So sánh kết công trình báo cáo với kết đạt công trình nghiên cứu Các hình 26 27 trình bày ảnh SEM mẫu màng tinh thể photonic với kích thước khác Các kích thước hạt mà tạo 330 nm, công trình tác giả khác có kích thước khác Như hình 28 (a) kích thước đạt 270 đến 300 nm [23], (b) kích thước khoảng 290 nm [24] Hình ảnh quan sát tốt, tin tưởng tới hướng tuần hoàn tinh thể mà trình thí nghiệm tạo Tuy nhiên kết hạt cầu theo đánh giá thí nghiệm với bước sóng khoảng 1530 nm chưa đủ lớn Một điều cần thiết tạo hạt cầu có kích thước lớn Footer Page 126.LUẬT SV45 LÊofVĂN 45 Header Page 46 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 với phương pháp nuôi hạt cầu môi trường thân dung dịch chứa hạt cầu lắng đọng chúng Hình 29 Ảnh SEM mặt cắt mẫu tinh Hình 30 Ảnh SEM mặt cắt mẫu thể, mẫu tách tay, làm cho cấu tinh thể SiO2 đế thuỷ tinh, ảnh trúc không trật tự nữa, ta chụ theo vết nứt tự nhiên mẫu quan sát thấy hạt hình cầu cấu trúc Ảnh SEM cho ta thấy rõ cấu trúc trật tự vật liệu Có thể so sánh xếp hạt cầu SiO2 hai đế khác nhau, với mẫu Si, ta có cấu trúc không bị nứt đế thuỷ tinh Tất nhiên cấu trúc rạn nứt thấy đế thuỷ tinh không mong muốn Điều quan trọng trình thí nghiệm phải tạo bề mặt cấu trúc tinh thể phải thật phẳng Nghĩa cấu trúc phải trật tự toàn mẫu vùng nhỏ chụp hình 26 Chúng so sánh kết với kết từ công trình khoa học quốc tế công bố [17,23,24], thấy kết thu khả quan, mẫu tinh thể thu có mức độ cấu trúc trật tự gần giống tác giả Khả tự tập hợp tạo thành cấu trúc trật tự tinh thể photonic kiểm chứng ánh sáng phản xạ bề mặt tinh thể Ở góc khác thu màu sắc phản xạ khác Các quan sát định tính thông thường ánh sang trắng, cho phép chúng kết luận tính trật tự mẫu tinh thể ảnh chụp quan sát phản xạ nhiễu xạ ánh sáng mặt trời vài góc quan sát khác nhau, trình bầy hình từ 31- 34 : Footer Page 126.LUẬT SV46 LÊofVĂN 46 Header Page 47 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 31 ảnh mẫu tinh thể quan sát ánh sáng mặt trời, góc định (cỡ 35o) so với phương pháp tuyến mặt phẳng mẫu Khi màu ánh sáng phản xạ từ mẫu màu đỏ Hình 32 ảnh mẫu tinh thể quan sát góc nhìn so với phương pháp tuyến mẫu khoảng 120o, ánh sang mặt trời Màu ánh sáng phản xạ xanh Như thấy rằng, với cấu trúc tinh thể photonic, ánh sáng phản xạ nhiễu xạ khác nhau, tuỳ theo góc tới ánh sáng Hoặc là, ngược lại, tương ứng với số mạng định, tinh thể phản xạ nhiễu xạ với bước sóng phù hợp với số mạng tinh thể Đây khả chọn lọc ánh sáng tinh thể photonic Rõ ràng màu sắc phản xạ từ tinh thể cho thấy khả phản xạ nhiễu xạ ánh sáng cấu trúc tuần hoàn, liên quan tới bước sóng ánh sáng tới Hình 31 32 ảnh mẫu màng khác, cho kết quan sát tương tự Như vậy, với mẫu tinh thể photonic có cấu trúc trật tự tuần hoàn chiết suất SiO2 (n=1,45) không khí (n=1), thu ánh sáng phản xạ đơn sắc, ứng với góc khác nhau, từ ánh sáng trắng, minh hoạ hai hình Điều cho thấy mẫu nghiên cứu kết quan sát phù hợp Footer Page 126.LUẬT SV47 LÊofVĂN 47 Header Page 48 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 33 Định hướng ánh sáng vật Hình 34 Định hướng ánh sáng vật liệu theo bước sóng khác Với liệu ứng với màu xanh quan sát mắt điều kiện ánh sáng trắng màu đỏ điều kiện ánh sáng trắng Sự định hướng ánh sáng đặc trưng cấu trúc tuần hoàn với chu kỳ tuấn hoàn vùng bước sóng Điều chứng minh lý thuyết Bragg (chương 1) Sự định hướng đánh bước đầu trình chế tạo, tất nhiên tinh thể photonic có khả nhiễu xạ vùng nhìn thấy Vì quan sát ánh sáng phản xạ trực tiếp Bằng cách quan sát phổ phản xạ bước sóng ta đánh giá ước lượng miền cấm quang tinh thể chế tạo trực quan Một số kết khảo sát có kết tương tự, khả phản xạ ánh sáng theo góc khác phù hợp với điều kiện Bragg Hình 35 ảnh mẫu tinh thể Hình 36 ảnh ba mẫu tinh thể ế ắ Footer Page 126.LUẬT SV48 LÊofVĂN 48 Header Page 49 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 photonic chiếu với ánh sang trắng chiếu ánh sáng trắng phản xạ [25] chúng Mầu phản xạ thay đổi theo đường kính hạt cầu tạo ba mẫu tinh thể khác [26] Hình 35 - 36 mô tả phản xạ tín hiệu ánh sáng trắng góc khác nhau, ví dụ minh hoạ từ công bố công trình [26], hình từ 31 đến 34 hình ảnh phản xạ từ tinh thể photonic làm từ hạt cầu kích thước khoảng 330 nm, tượng phản xạ xảy điều kiện Bragg thoã mãn, phù hợp với vùng ánh sáng khả kiến Hình vẽ rõ khả phản ánh sáng trắng, định hướng phản xạ theo bước sóng vật liệu tinh thể photonic 3D Các màng tinh thể 3D tạo từ phương pháp tự tập hợp lắng, hay phương pháp thổi rung siêu âm Hình ảnh cho trình bày phản xạ quan sát từ màng mỏng Các vi cấu trúc tương ứng với khả nhiễu xạ phản xạ ánh sáng mạnh màng mỏng tinh thể photonic Để nghiên cứu cách định lượng, tiến hành ghi phổ phản xạ từ mẫu góc thu khác 3.3 Các đặc trưng qua phổ phản xạ Bằng phương pháp đo phổ phản xạ với hệ đo OMA Viện Khoa học Vật liệu, thu số kết qủa mẫu tinh thể photonic Nguyên lý hệ đo trình bày chương Phương pháp đo phổ phản xạ nhiều hạn chế phần phản ánh tính chất phản xạ ánh sáng vùng bước song, so với quan sát mắt Một số kết phổ phản xạ trình bầy hình 38 Footer Page 126.LUẬT SV49 LÊofVĂN 49 Header Page 50 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 (a) (b) (d) (c) (e) (f) Footer Page 126.LUẬT SV50 LÊofVĂN 50 Header Page 51 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Hình 38 Phổ phản xạ mẫu màng tinh thể photonic SiO2 lắng đọng đế Si Các mẫu (a, b) mẫu tinh thể photonic với hạt cầu SiO2 xếp trật tự (c) mẫu tinh thể photonic nung nhiệt độ 750o(1h) Các mẫu (d, e, f) mẫu photonic có pha tạp Erbium (f) mẫu màng nung 750oC(1h) Các hình 38 trình bày phổ phản xạ tín hiệu ánh sáng vùng nhìn thấy theo góc thu Trong giới thiệu trước trình bày phương pháp chế tạo mẫu màng tinh thể photonic SiO2 đế Si phương pháp lắng đọng rung Ở trình bày phổ phản xạ mẫu màng mỏng chế tạo từ phương pháp Các vùng phổ xác định rõ phổ khác (vùng màu xám) Với mẫu có độ dày mỏng khác mẫu mà tạo có độ dày nhiều lớp, với ảnh minh hoạ cụ thể hình 29, 30 Hình ảnh quan sát phổ phản xạ mẫu màng tinh thể cho kết qủa phù hợp tương tự Theo tài liệu nghiên cứu số mạng tinh thể photonic có quan hệ với bước sóng mà nhiễu xạ phản xạ [27] Mối quan hệ λmax, φ, không gian (d111) mặt phẳng (111) cho phương trình Bragg: λmax = 2d111 (na2 − sin φ )1 / [ 27 ] Với na chiết suất tinh thể tự tập hợp, nghiên cứu chúng tôi, SiO2 có chiết suất na = 1,45 Với a số mạng, khoảng cách gần hai hạt màng, ta có cấu trúc liên quan tới d111 a d111 = (2/3)1/2a phương trình trở thành: λmax = 2(2 / 3)1 / a(na2 − sin φ )1 / Khi xét ví dụ vật liệu mà tạo Bằng cách áp dụng công thức Ở đây, với a = 330nm, na = 1,45 φ = 560 Chúng thu kết mẫu vật liệu mà tạo theo tính toán λmax = 641 nm Các phổ mà thu từ phương pháp đo trên, muốn có độ xác cao phải có vi chỉnh, tiến hành cách đo đạc mà phải chỉnh thủ công, việc xác định xác góc khó khăn Nhưng ý đến kết so sánh Footer Page 126.LUẬT SV51 LÊofVĂN 51 Header Page 52 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 lý thuyết [27] thực nghiệm Các kết phù hợp tốt với kết qủa nghiên cứu nhiều nhà khoa học, mà đặc biệt phù hợp tốt với thực nghiệm Trong hình 39 (a, b, c), hình c mẫu màng trước đo nung lên nhiệt độ cao Với nhiệt độ nung lên kích thước hạt có xu hướng giảm đi, điều kiểm chứng Và kết thu quan sát phổ cùa Hình c kết từ mẫu màng có chất lượng tốt Với mẫu màng thu phổ phản xạ, điều đáng lưu ý trình nhiệt góp phần quan trọng trình tự tập hợp hạt cầu SiO2 Vì nung nóng chuyển động nhiệt làm cho hạt có xu hướng chuyển động phía khe hẹp, kích thước hạt giảm 15 - 25% điều kiện quan trọng việc thu phổ chúng, khoảng cách So sánh kết thu kết nghiên cứu, từ phổ truyền qua phản xạ hình 38 Tuy kết phổ không dạng phần cho thấy khả truyền ánh sáng vật liệu theo điều kiện Bragg, cấm truyền dựa sở phản xạ lại ánh sáng Vật liệu nói vật liệu có khả hấp thụ tốt Và cấu trúc kim cương có khả phản xạ tốt Việc tiến hành đo nghiên cứu phổ phản xạ điều khó khăn điều kiện Vì để nghiên cứu xác đòi hỏi phải có dãy góc phản xạ khác theo tiêu chuẩn Bragg Vì kiểm tra hết tín hiệu theo góc khác Các phổ hình 39 thực hiên đo góc 680 Và tất nhiên chưa có kết xác Việc điều chỉnh đơn giản tay cho hình ảnh tốt Kết nghiên cứu bước đầu cho kết loại vật liệu photonic mới, có đặc tính vật liệu bán dẫn điện tử, có khả tạo vùng cấm quang từ phương pháp đơn giản chi phí thấp Một vùng cấm quang tạo mẫu màng tinh thể photonic Kết chưa phải kết thực mong muốn cuối cùng, phải tạo tinh thể có kích thước chiết suất phù hợp để có vùng cấm quang bước sóng 1530 nm Và mục đích phải mạng opal đảo lấp đầy lỗ trống lớp vật liệu Si Phát xạ tự nhiên từ huỳnh quang tinh thể photonic pha tạp với erbium nghiên cứu Các ion erbium cấy vào lớp hình cầu tạo nên tinh thể, chúng nằm bên cấu trúc tinh thể Phát xạ từ erbium có Footer Page 126.LUẬT SV52 LÊofVĂN 52 Header Page 53 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 thể bị hạn chế cách mạnh mẽ, vậy, không quan sát phát xạ từ erbium Footer Page 126.LUẬT SV53 LÊofVĂN 53 Header Page 54 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Kết luận Quá trình nghiên cứu phương pháp chế tạo đặc tính quang học tinh thể photonic với cấu trúc tuần hoàn số điện môi Chúng thu số kết khoa học sau Đã xây dựng hai phương pháp tạo mẫu tinh thể photonic theo phương pháp tự tập hợp từ hạt hình cầu SiO2 với vài loại kích thước khác nhau, dạng màng đế Si thuỷ tinh Các nghiên cứu quan sát trực tiếp đặc tính chúng thực qua việc chụp ảnh TEM SEM Chúng chế tạo loại hạt từ 100 nm, 200 nm > 300 nm, tuỳ theo điều kiện nuôi tinh thể SiO2 Đã chế tạo hạt hình cầu với kích thước khoảng 350nm, cần thiết cho việc chế tạo tinh thể photonic sở opal đảo, với Si, dùng cho bước sóng gần 1.5 µm Đã thực số nghiên cứu quang học để đánh giá sơ xác định vùng cấm quang học, dựa nghiên cứu phổ phản xạ mẫu màng tinh thể photonic Cụ thể mẫu tinh thể photonic sở hạt cầu SiO2 kích thước từ 300 nm đến 400 nm, tập hợp đế Si thể vùng cấm bước sóng ~ 650 nm Với mẫu làm từ hạt SiO2 với kích thước, sau qua nung nhiệt, phổ phản xạ bị dịch phía bước sóng ngắn hơn, với góc thu tín hiệu Theo xu hướng nghiên cứu việc nuôi tinh thể để làm tăng kích thước hạt cầu SiO2 (có thể tới ~800 nm), tạo mẫu tinh thể photonic sở SiO2 không khí, với vùng cấm quang ~ 1,5µm Các vấn đề nghiên cứu cần phải có thời gian Vì thời gian làm luận văn hạn chế, nên chưa thực việc Các nghiên cứu luận văn lần thực Việt nam Đây nghiên cứu tinh thể photonic, vật liệu liên quan đến chuyển mạch toàn quang, sử dụng công nghệ máy tính viễn thông Vào thời điểm khoá luận trình bày, nghiên cứu tiếp tục Footer Page 126.LUẬT SV54 LÊofVĂN 54 Header Page 55 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 thực phòng thí nghiệm phòng Vật liệu Ứng dụng Quang sợi - Viện Khoa học Vật liệu Các nghiên cứu chế tạo tinh thể photonic sở công nghệ khắc chùm điện tử phiến Si chất bán dẫn khác, phòng thí nghiệm, ví dụ Viện điện tử Pháp (Đại học Paris Sud (XI), Pháp), tiến hành mạnh mẽ Footer Page 126.LUẬT SV55 LÊofVĂN 55 Header Page 56 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 TÓM TẮT Các nghiên cứu tinh thể photonic nhằm mục đích ứng dụng cho viễn thông trình bầy nội dung luận văn Một số kiến thức vật lý vật liệu tinh thể có cấu trúc tuần hoàn theo số điện môi trình bầy chương Các đặc trưng vùng cấm quang tinh thể photonic nêu Chúng sử dụng phương pháp tự tập hợp để chế tạo nên mẫu tinh thể photonic từ hạt cầu SiO2 Một số phương pháp tạo mẫu màng tinh thể photonic kỹ thuật thực nghiệm liên quan trình nghiên cứu trình bầy Một số kết bước đầu nhận nhiễu xạ phản xạ theo góc định theo kích thước hạt (hay theo chu kỳ mạng tinh thể) trình bầy luận văn Do đặc trưng cấu trúc tuần hoàn tinh thể liên quan tới khả định hướng ánh sáng vùng ánh sáng nhìn thấy, nên quan sát cách rõ ràng ánh sáng phản xạ theo góc Phổ phản xạ đặc trưng quan trọng để nghiên cứu tinh thể photonic, trình bầy, với vùng cấm quang mẫu mà chế tạo Khả tạo tinh thể có cấu trúc tuần hoàn với vùng cấm quang hoàn toàn rộng bước sóng 1,5 µm tạo ứng dụng viễn thông Footer Page 126.LUẬT SV56 LÊofVĂN 56 Header Page 57 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Tài liệu tham khảo [1] Albert Polman, P Wiltzius, MRS Bulletin, August 2001, 608-613 [2] E.Yablonovitch, Phys Rev Lett 58 (1987) p 2059; E Yablonovitch and T.J Gmitter, Phys Rev Lett 63 (1989) p 1950 [3] S John, Phys Rev Lett 58 (1987) p 2486 [4]S Rowson, These de Doecteur en Science de l’Universite Paris XI Orsay, Materiaux a bandes photoniques interdites pour l’optique et les THz Realisation a base de silicium, etude et caracterisation, 27/1/2000 [5] K.S Yee, IEEE Trans.Antennas and Propagation, 14 (1966), pp.302 [6] a Taflove, Computation Electrodynamics: The Finit-Difference Time-Domaine Method, (Norwood: Arthech House), 1995 [7] T.F Krauss, R.M De La Rue, Progres in Quantum Electronics 23 (1999)51-96 [8] J.M Lourtioz et P.Gogol, Tinh thể photonic cấu trúc nano kim loại, Lớp học chuyên đề Pháp Việt «Các nguyên lý Quang điện tử học Viễn thông Quang học », Đồ sơn, Tháng 11/2004 [9] J.B Pendry, Photonic Gap Materials, Current Science 76, 1311-6 (1999) [10] V.N Bogomolov, S.V Gaponenko, I.N Germanenko, A.M Kapitonov, E.P Petrov, N.V Gaponenko, A.V Prokoviev, A.M Ponyavina, N.I Silvanovich, S.M Samoilovich, Physical Review E 55 (1997) 7619-7625 [11] W Stober, A Fink, E Bohn, Journal of Colloid and Interface Science 26 (1968) 62 [12] M.J.Andried de Dood, Ph.D Thesis Utrecht University, 4-2002 [13] J.D Joannopoulos, Nature, Vol 414, 15-11-2001, 257-258 [14] Nanophotonics, Paras N Prasad, xuất năm 2004, trang 253 [15] Y Vlasov et al, Nature, Vol 414, 15-11-2001, 289-293 [16] A Blanco et al, Nature, Vol 405, 25May 2000, 437-440 Footer Page 126.LUẬT SV57 LÊofVĂN 57 Header Page 58 of 126 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 [17] Arnot Imhof, Deybe Institute, Utrecht University, Postbus, 3508 TA Utrecht, The Netherlands [18] S Noda, et al., Science 289 (2000) 604 [19] UPC Review 23-24 July 2003 [20] MRS BULLETIN/AUGUST 2001 [21] Silicon photonic crystals and spontaneous emission, p6 [22] J.Phys [Condensed Matter] 1094 - 1097 [23] Peigen Ni, Peng Dong, Bingying Cheng, Xinyan Li, and Daozhong Zhang Adv Mater 2001, 13, No 6, March 16 [24] Kurt Wostyn, Yuxia Zhao, Gaetan de Schaetzen, Louis Hellemans, Naoki Matsuda, Koen Clays, and Andre´ Persoons Langmuir 2003, 19, 4465-4468 [25] Peng Jiang, Gordana N Ostojic, Roxana Narat, Daniel M Mittleman, and Vicki.Colvin Adv Mater 2001, 13, No 6, March 16, 389-393 [26] Vicki L Colvin MRS BULLETIN/AUGUST 2001 [27] Sang Hyun Park and Younan Xia Langmuir 1999, 15, 266-273 [28] Alexander C Edrington, Augustine M Urbas, Peter DeRege, Cinti X Chen, Timothy M Swager, Nikos Hadjichristidis, Maria Xenidou, Lewis J Fetters, John D Joannopoulos, Yoel Fink, and Edwin L Thomas Adv Mater 2001, 13, No 6, March 16 Footer Page 126.LUẬT SV58 LÊofVĂN 58 ... ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Họ tên: Lê Văn Luật VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm ỨNG DỤNG CHO THÔNG... loại vật liệu Các tinh thể photonic cấu trúc tuần hoàn vật liệu với số điện môi khác Các tinh thể photonic 1D, 2D hay 3D tuỳ theo giả thiết không gian chiều, chiều hay chiều Các tinh thể photonic. .. mở vùng cấm photon dựa theo bố trí hình học tinh thể photonic đề cấp đến Đặc tính nhân tạo vật liệu với vùng cấm quang cho ta phép tưởng tượng nhiều cấu trúc Có cách để phân loại tinh thể photonic