Tóm tắt: Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THANH HƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT
HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG
PLASMONIC DẠNG NÊM

Ngành: Khoa học vật liệu
Mã số: 9440122

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2022


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. CHU MẠNH HOÀNG
TS. PHẠM ĐỨC THÀNH

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nghiên cứu và ứng dụng SPP trong kênh dẫn sóng plasmonic
đã được nhiều nhóm nghiên cứu triển khai. Tùy thuộc vào hình dạng,
kích thước và vật liệu tạo nên mà các kênh dẫn sóng có những đặc
tính khác nhau và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau. Các ứng dụng
của kênh dẫn sóng có thể kể đến như: truyền dẫn ánh sáng ở kích
thước nano, điều biến quang, cảm biến quang và các mạch quang tử
cho xử lý thơng tin tốc độ cao. Vì vậy, NCS lựa chọn đề tài: "Nghiên
cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn
sóng plasmonic dạng nêm" để nghiên cứu và thực hiện.
2. Mục đích nghiên cứu
- Đạt được thiết kế tối ưu kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm
(wedge) với độ nhám bề mặt thấp dựa trên công nghệ vi cơ khối
ướt.
- Tăng cường khoảng cách truyền của kênh dẫn sóng dựa trên
giao diện điện môi/kim loại và kim loại/kim loại được cải tiến.
- Thiết kế thành cơng kênh dẫn sóng plasmonic lai cải thiện suy
hao truyền trong khi diện tích mode truyền với kích thước nhỏ
hơn nhiều bước sóng ánh sáng.
- Phát triển thành cơng các kênh dẫn sóng lai tùy biến, nhằm ứng
dụng trong các linh kiện và mạch quang tử đa chức năng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là kênh dẫn sóng plasmonic và
giới hạn phạm vi nghiên cứu các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm

và kênh dẫn sóng plasmonic lai
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu của luận án dựa trên khảo sát các kết
quả nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng plasmonic, từ đó
đề xuất ý tưởng nghiên cứu của luận án phù hợp với điều kiện
công nghệ hiện tại ở Việt Nam.
- Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu đặc
trưng của kênh dẫn sóng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu
hạn.

1


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Ý nghĩa khoa học của luận án:
Luận án đưa ra một số kết quả nghiên cứu về: giảm suy hao
truyền do tán sắc bề mặt; lựa chọn kim loại và thiết kế cấu trúc giao
diện dẫn sóng plasmon; đề xuất cấu trúc kênh dẫn sóng lai cải tiến
tăng khả năng truyền dẫn suy hao thấp với kích thước mode truyền
nhỏ và các kênh dẫn sóng lai tùy biến.
- Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Luận án đã phát triển và cải thiện chiều dài truyền các kênh
dẫn sóng đơn dựa trên cơng nghệ vi cơ khối ướt silíc đơn tinh thể.
Công nghệ vi cơ khối ướt là khả thi và có thể sử dụng chế tạo các
kênh dẫn sóng đơn cho ứng dụng trong các cảm biến quang.
Các kênh dẫn sóng lai được phát triển có suy hao truyền thấp
với diện tích mode truyền nhỏ và khả năng tùy biến trong dải rộng có
tiềm năng trong phát triển các linh kiện quang đa chức năng như bộ
điều biến cường độ, truyền thơng tin quang tốc độ cao.
6. Tính mới của luận án

Tính mới của luận án được thể hiện ở các kết quả sau đây:
- Luận án đã đưa ra được cấu trúc tối ưu của kênh dẫn sóng
plasmonic dạng nêm đơn.
- Luận án đã đưa ra được các cấu trúc giao diện điện môi/kim loại
và kim loại/kim loại có khả năng tăng cường dẫn sóng plasmon
bề mặt.
- Luận án đã đưa ra được hướng khắc phục giảm suy hao truyền
trong kênh dẫn sóng khi diện tích mode truyền với kích thước
nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng.
- Luận án đã đề xuất một số cấu trúc kênh dẫn sóng lai tùy biến.
7. Nội dung luận án
Luận án có nội dung như sau:
Mở đầu:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô phỏng bằng phương pháp phần
tử hữu hạn
Chương 3: Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm dựa trên ăn
mịn dị hướng ướt
Chương 4: Kênh dẫn sóng plasmonic lai
Chương 5: Kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến
Kết luận: Trình bày tóm lược những kết quả chính của luận án.

2


Các kết quả chính của luận án đã được cơng bố trong 14 cơng
trình khoa học (trong đó có 04 bài báo đã được đăng trên tạp chí
chuyên ngành quốc tế ISI, 01 bài báo được đăng trên tạp chí chuyên
ngành trong nước, 08 báo cáo được đăng trên kỷ yếu các hội thảo
trong nước và quốc tế và 01 Bằng sáng chế Giải pháp hữu ích).

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Nội dung của chương 1 tập trung vào một số vấn đề chính sau:
- Cơ sở lý thuyết về polariton plasmon bề mặt, nguyên lý cơ
bản và các phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt
được trình bày với mục đích cung cấp những hiểu biết về cơ chế lan
truyền các polariton plasmon bề mặt trong kênh dẫn sóng
plasmonic.
- Phân loại kênh dẫn sóng plasmonic, trong đó tập trung vào
những đặc điểm và ứng dụng của kênh dẫn sóng plasmonic dạng
nêm. Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm có những ưu điểm như có
thể đạt được kích thước kênh nhỏ hơn bước sóng và có nhiều ứng
dụng như: tập trung năng lượng ánh sáng vào các vùng nhỏ cỡ vài
nm (nanofocusing), bộ điều biến, tạo ra laze nano…Tuy nhiên, do
tổn hao Ohmic trong kim loại, kênh dẫn sóng dạng nêm thường có
chiều dài lan truyền tương đối ngắn.
- Đánh giá sự phát triển gần đây của kênh dẫn sóng
plasmonic. Trong đó, các nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng
plasmonic lai đang được phát triển mạnh mẽ. Các kênh dẫn sóng lai
khắc phục được những nhược điểm của các kênh dẫn sóng đơn và có
nhiều ứng dụng trong các mạch quang tích hợp và vi hệ thống.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chương 2 trình bày những cơ sở tính tốn, xác định giá trị
của các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng plasmonic. Để giải các
phương trình sóng, tìm ra hằng số truyền và các thành phần trường
của kênh dẫn sóng plasmonic với cấu trúc phức tạp, luận án đã sử

3

dụng phương pháp mơ phỏng số, tính tốn dựa trên phương pháp
phần tử hữu hạn trong COMSOL Multiphysics.
Để làm cơ sở tính tốn cho các đề xuất cấu trúc cải tiến,
trong chương này chúng tôi cũng nghiên cứu về đặc trưng hoạt động
của kênh dẫn sóng phụ thuộc vào chia lưới và chiều dày kim loại.
Với cùng một thông số cấu trúc, sự suy giảm chiều dài lan
truyền khi sử dụng vàng mạnh hơn gấp 2 lần khi sử dụng bạc, trong
khi các đặc tính khác gần như giống nhau. Vì vậy, chúng tơi chọn
bạc để tạo thành giao diện kim loại/điện mơi cho các nghiên cứu về
sau.
Chương này có thể coi là cơ sở cho các tính tốn và khảo sát
đặc trưng và chế tạo kênh ở những chương sau.
CHƯƠNG 3: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG
NÊM DỰA TRÊN ĂN MỊN DỊ HƯỚNG ƯỚT
Trong chương này, chúng tơi đề xuất các kênh dẫn sóng
dạng nêm SPP và khảo sát các đặc trưng truyền của chúng. Các kênh
dẫn sóng dạng nêm SPP với bề mặt nhẵn ở mức nguyên tử có thể
được chế tạo bằng cách nghiên cứu tính chất ăn mịn dị hướng ướt
của si-líc đơn tinh thể trong dung dịch kali hydroxit (KOH). Bề mặt
nhẵn đóng một vai trị quan trọng trong kênh dẫn sóng dạng nêm
SPP, bề mặt tổn hao thấp ở bước sóng truyền thơng quang được
nghiên cứu bằng mơ phỏng số. Chúng tơi cũng phân tích và so sánh
các đặc tính lan truyền của kênh dẫn sóng dạng nêm SPP, từ đó đề
xuất kênh dẫn sóng dạng nêm SPP với hoạt động tối ưu.
Cụ thể, chúng tôi đề xuất hai cấu trúc kênh dạng nêm cải
tiến: cấu trúc kênh sử dụng thêm giao diện lớp oxit mỏng/kim loại và
cấu trúc kênh sử dụng thêm giao diện kim loại/kim loại (Au/Ag).
3.3. Các đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm
Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm bao gồm một lớp
kim loại được phủ trên bề mặt của kênh silíc dạng nêm, được đặt

trong khơng khí hoặc trong một mơi trường khác. Các góc nghiêng
được đề xuất dựa trên tính chất ăn mịn dị hướng ướt trong công
nghệ vi cơ khối ướt.

4


Các đặc trưng truyền của kênh được khảo sát theo các tham
số: góc mặt bên (Hình 3.5), độ rộng bề mặt đỉnh (Hình 3.6), chiều
cao kênh (Hình 3.7), chiết suất mơi trường (Hình 3.8)
3.4.1. Tăng cường truyền sóng plasmon bằng giao diện lớp oxit
mỏng/kim loại
3.4.1.1. Mơ hình

Hình 3.9: Sơ đồ hai cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic: (a) cấu trúc
truyền thống và (b) dạng nêm cải tiến với lớp giao diện ơxít
mỏng/kimloại
3.4.1.2. Khảo sát các đặc trưng của mơ hình kênh tăng cường
truyền sóng plasmon bằng giao diện lớp ơxít mỏng/kim loại

Hình 3.11: Độ dài truyền của kênh sử dụng giao diện lớp ơxít
mỏng/kim loại là hàm của tỉ số (t0/tm) với 3 độ dày tm = 75 nm, 100
nm và 125 nm.
Chúng tôi khảo sát độ dài lan truyền của mode SPP của kênh
dẫn sóng (LSPP) phụ thuộc vào tỷ lệ độ dày của lớp SiO2 (to) và kim
loại (tm). Hình 3.11 cho thấy LSPP là một hàm của tỷ lệ độ dày to/tm.
Kết quả khảo sát cho thấy khi tăng độ dày của lớp bảo vệ SiO2,
chiều dài truyền của kênh dẫn sóng bị giảm mạnh. Khi to/tm tăng đến

5

1, LSPP giảm 8 lần. Trong nghiên cứu này, tm được cố định ở 75 nm,
100 nm và 125 nm. Trong trường hợp, tổng độ dày của lớp SiO2 và
Ag là không đổi, LSPP là hàm của tỷ lệ độ dày to/(tm + to) với ba giá
trị khác nhau của tổng độ dày tm + to = 100 nm, 150 nm và 200 nm
cũng thể hiện trong hình 3.12. LSPP phụ thuộc mạnh vào to/(tm + to).

Hình 3.13: So sánh các đặc trưng của kênh đề xuất với kênh dạng
nêm đơn Au: (a) Chiều dài truyền phụ thuộc vào tm của nêm kim loại
Ag đặt trong môi trường SiO2 và nêm kim loại Au đặt trong khơng
khí, (b) Hệ số phẩm chất FoM của nêm kim loại Ag đặt trong môi
trường SiO2 và nêm kim loại Au đặt trong không khí.
Để so sánh hoạt động của kênh dẫn sóng được đề xuất với
kênh dẫn sóng dạng nêm kim loại khác, chúng tôi đã nghiên cứu các
đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng. Đối với nêm Ag, hai lớp SiO2
mỏng được chọn để lắng đọng là 2 nm và 5 nm. Những giá trị độ dày
này phù hợp với các công nghệ lắng đọng màng mỏng hiện tại. Kênh
dẫn sóng dạng nêm Au được sử dụng để nghiên cứu vì nó trơ với
mơi trường và cũng có khả năng dẫn sóng SPP khá tốt. Rõ ràng là

6


nêm Ag được bao phủ bởi một lớp SiO2 màng mỏng có khả năng dẫn
sóng SPP tốt hơn nhiều so với kênh nêm Au trong khơng khí. Ngay
cả đối với nêm Ag đặt trong môi trường SiO2, LSPP của kênh dẫn
sóng được đề xuất cũng lớn hơn nhiều. Đối với lớp SiO2 mỏng 2 nm,
LSPP của kênh dẫn sóng được đề xuất lớn hơn 8 lần so với nêm Au
được đặt trong khơng khí, Hình 3.13 (a).

Mặc dù kênh nêm Ag được nhúng trong mơi trường SiO2 có
LSPP thấp hơn nhiều so với nêm Ag được bao phủ bởi một lớp SiO2
mỏng (Hình 3.13a), nhưng giá trị FoM của nó cũng lớn hơn 2 lần so
với nêm kim loại Au đặt trong mơi trường khơng khí (Hình 3.13b).
Do đó, bằng cách sử dụng nêm Ag được bao phủ bởi lớp ôxít mỏng
bảo vệ, chúng tôi cũng thu được chiều dài truyền lớn gấp 2 lần so với
sử dụng kênh dẫn sóng SPP dạng nêm dùng kim loại khác như Au.
3.4.2. Tăng cường truyền sóng plasmon bằng giao diện kim
loại/kim loại
3.4.2.1. Mơ hình

Hình 3.14: Sơ đồ cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm cải
tiến với lớp giao diện kim loại/kimloại
3.4.2.2. Khảo sát các đặc trưng của mơ hình kênh tăng cường
truyền sóng plasmon bằng giao diện lớp kim loại/kim loại
So với các kênh dẫn sóng nêm được làm bằng Au, các nêm
Ag có khả năng dẫn sóng SPP tốt hơn. Trong phạm vi khảo sát ứng
với độ dày các lớp kim loại thay đổi từ 50 nm đến 250 nm, chiều cao
kênh điện môi hDW = 0,5 m và 1 m, có thể thấy tỷ lệ chiều dài
chiều của kênh nêm Ag/kênh nêm Au lớn hơn 4 lần (Hình 3.15).

7


Hình 3.15: Sự phụ thuộc của tỷ lệ độ dài truyền giữa các nêm Au/Ag
vào độ dày của các lớp kim loại tương ứng, tAu và tAg, trong trường
hợp chiều cao của kênh điện môi, hDW = 0,5 m và 1 m.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Một số kết luận chính đạt được trong chương này gồm có:
- Đã đề xuất các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm được

nghiên cứu từ đặc tính ăn mịn ướt dị hướng của silíc đơn tinh thể.
- Kênh dẫn sóng SPP dạng nêm với góc mặt bên α = 54,74°
thể hiện hệ số phẩm chất FoM gần với giá trị tối ưu.
- Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm được đặt trong
môi trường điện môi chiết suất thấp cho thấy hiệu suất tốt hơn.
- Khi lắng đọng một lớp oxit hoặc lớp kim loại mỏng có khả
năng trơ về mặt hóa học lên một lớp kim loại có khả năng dẫn sóng
plasmon tốt như Ag, nhưng dễ bị oxy hóa bởi mơi trường, chúng ta
có thể tạo ra kênh dẫn sóng plasmonic với đặc trưng truyền tốt hơn
các kênh dẫn sóng plasmonic được tạo từ kim loại có khả năng trơ về
hóa học, nhưng có tính chất dẫn sóng plasmonic kém hơn.
.
CHƯƠNG 4: KÊNH DẪN SĨNG PLASMONIC LAI
Trong chương này, chúng tôi đề xuất các kênh dẫn sóng
polariton plasmon bề mặt khe hẹp lai (HGSPPW) có những ưu điểm
như suy hao lan truyền thấp và khả năng giam hãm mode truyền
cao.

8


Chúng tôi đề xuất hai loại kênh HGSPPW. Loại thứ nhất bao
gồm một nêm kim loại hình chữ nhật kết hợp với kênh dẫn sóng điện
mơi có chiết suất cao hình chữ nhật (Hình 4.1 a và c). Loại thứ hai
bao gồm một nêm kim loại hình nón kết hợp với kênh dẫn sóng điện
mơi có chiết suất cao hình chữ nhật (Hình 4.1 b và d). Các nêm kim
loại được chế tạo trên giá đỡ điện môi được tách ra khỏi kênh dẫn
sóng điện mơi bằng một khe hẹp khơng khí g.
Chúng tơi cũng nghiên cứu về dung sai chế tạo kênh lai như:
Sai lệch giữa nêm kim loại và kênh điện môi; Độ xoay của nêm kim

loại; Độ trịn góc đỉnh của nêm kim loại; Nhiễu chéo gây ra bởi các
thành phần điện môi kết cặp với kênh điện mơi.
4.1. Cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai

Hình 4.1: Sơ đồ hai loại HGSPPW tùy biến với hình chữ nhật (a, c)
và với cặp nêm kim loại hình nón (b, d) kết hợp với kênh dẫn sóng
điện môi RDW

9


4.2. Các đặc trưng của kênh HGSPPW-RMW-RDW

Hình 4.3: Các đặc trưng LHGP, Aeff /A0, và FOM của HGSPPW-RMWRDW là một hàm của khoảng cách, g, và độ dày của RMW, tm: (a - c)
phụ thuộc vào g cho ba giá trị độ dày khác nhau của RMW, lần lượt
là tm = 10, 12 và 15 nm; (d - f) là độ dày của RMW, tm , sự phụ thuộc
vào ba khe khác nhau tương ứng với g = 2,5 và 10 nm

Hình 4.4: Các tính chất quang học của mode HGP của HGSPPWRMW-RDW là một hàm của kích thước mặt cắt ngang
của DW, Hw (Ww ): (a) phần thực chỉ số mode hiệu dụng, Neff , (b)
chiều dài, LHGP, (c) diện tích mode chuẩn hóa, A eff /A0 và (d) FoM.

10


Khi tm tăng, diện tích mode tăng trong khi chiều dài dẫn
truyền giảm đơn điệu như trong Hình 4.3 (d và e). Sự biến đổi như
vậy của Aeff và LHGP dẫn đến sự suy giảm đơn điệu của FoM, Hình
4.3 (f). Khi tm = 10 nm và g = 2 nm, LHGP có thể đạt được 1 mm,
trong khi Aeff nhỏ bằng 2 /(4x105 ) và FoM có thể đạt được giá trị

rất cao là 1.6x105. Do đó, tổn hao dẫn truyền thấp và giới hạn trường
trong vùng khe hẹp với diện tích mode truyền nhỏ hơn nhiều bước
sóng ánh sáng có thể đạt được đồng thời ở các giá
trị tm nhỏ. Bên cạnh đó, suy hao truyền có thể được hạn chế bằng
cách giảm tm trong khi thiết kế các khe hẹp lớn hơn (như quan sát
thấy trong Hình 4.3 (a) và (d)).
Chúng tôi nghiên cứu sự phụ thuộc của các đặc trưng truyền
vào kích thước mặt cắt ngang của DW. Ở đây, chúng tôi xem xét hai
trường hợp. Trường hợp đầu tiên là sự phụ thuộc của các đặc trưng
truyền vào chiều cao Hw khi chiều rộng cố định ở Ww = 0,7 m của
DW. Trường hợp ngược lại khi chiều cao Hw cố định ở 0,7 m và
chiều rộng Ww thay đổi. Khi chiều cao hoặc chiều rộng của DW
giảm, năng lượng trường điện từ tập trung mạnh hơn vào khe hẹp
điện mơi. Điều này có nghĩa là khi kích thước của DW giảm,
HGSPPW-RMW-RDW ưu tiên mode HGP, giống như trường hợp
giảm g như đã thảo luận ở trên.
4.3. Các đặc trưng của kênh HGSPPW-TMW-RDW
Hình 4.5 (a và b) trình bày các profile điện trường tương ứng
với ba góc nêm dọc theo trục x và y. Biên độ trường có sự thay đổi
khơng đơn điệu với E. Như đã thấy trong hình 4.5(b), biên độ của
điện trường bên trong khe hẹp điện môi giảm với E, đạt đến một giá
trị tối thiểu vào khoảng 50o sau đó tăng ở một góc lớn hơn. Để đồng
thời đạt được suy hao truyền thấp và diện tích mode nhỏ, góc đỉnh
của nêm kim loại cần phải được chọn càng nhỏ càng tốt. Xu hướng
biến đổi của chiều dài dẫn truyền LHGP , diện tích mode hiệu
dụng Aeff , chiều rộng ở nửa cực đại (FWHM), FoM được nghiên
cứu như là một hàm của E, Hình 4.5 (c và d). Ở đây, FWHM được
tính cho profile điện trường dọc theo trục y cho thấy sự mở rộng của
điện trường dọc theo trục y khi giá trị E ngày càng lớn. Những kết
quả này cho thấy HGSPPW-TMW-RDW có suy hao truyền thấp

khi E nhỏ. Đặc biệt, khi E  40o, HGSPPW-TMW-RDW duy trì
đồng thời cả tổn hao dẫn truyền cực thấp (LHGP = 2mm) và diện tích

11


mode nhỏ hơn rất nhiều bước sóng ánh sáng (Aeff /A0 = 3.3x10 -4), và
FoM cũng đạt được một giá trị siêu cao lên đến 1,3x105. Bản chất vật
lý của suy hao truyền thấp là sự suy giảm tổn hao ohmic do diện tích
tiếp xúc giảm giữa nêm kim loại và DW khi E nhỏ hơn.

Hình 4.5: Các profile điện trường của HGSPPW-TMW-RDW tương
ứng với trục x (a) và trục y (b). Hình nhỏ trong (b) cho thấy biên độ
điện trường cực đại là một hàm của E. (c) và (d)
là LHGP, Aeff/A0, FOM, và FWHM là một hàm của E.
4.4. Ảnh hưởng của dung sai chế tạo
Dung sai chế tạo đầu tiên được xem xét là sai lệch vị trí, y,
giữa nêm kim loại và mặt phẳng trung tâm của DW. Các kết quả
nghiên cứu xác nhận rằng các HGSPPW được đề xuất có dung sai
chế tạo rất tốt đối với sự sai lệch giữa nêm kim loại và DW.
Dung sai chế tạo thứ hai có thể ảnh hưởng đến các đặc trưng
truyền là góc xoay, φ, của nêm kim loại so với vị trí ban đầu của nó.
Ở đây, khoảng cách điện môi luôn được giữ ở mức 5 nm. Các sai số
của Neff , Aeff và LHGP được khảo sát theo góc xoay φ. Trong phạm vi

12


góc xoay với sai số từ 0o - 10o, chỉ số mode hiệu dụng gần như không
bị ảnh hưởng, ngược lại diện tích mode Aeff tăng trong khi độ dài

truyền giảm, LHGP giảm với φ tăng. Ở góc xoay 10o, sai số
của Aeff và LHGP lần lượt là 20% và -20%. Kết quả này chứng tỏ rằng
suy hao mode tăng theo góc xoay và nó khơng đáng kể ở sai số lớn
của góc xoay.
Các sai số của Neff , LHGP và Aeff đã được khảo sát theo hàm
của bán kính trịn của góc ở đỉnh của nêm kim loại, Rw cho khoảng
cách g = 5 nm. Kết quả chỉ ra rằng Neff và LHGP giảm đơn điệu
với Rw trong khi Aeff tăng với Rw. Giá trị sai số của Aeff tăng nhanh
hơn với Rw so với Neff và LHGP. Các sai số lớn của Rw dẫn đến sự thay
đổi mạnh các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng.
Chúng tơi cũng nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu chéo gây ra
bởi các thành phần điện mơi kết cặp với kênh dẫn sóng điện mơi. Từ
các kết quả nghiên cứu, có thể rút ra một quy tắc thiết kế chung cho
các kênh dẫn sóng plasmonic lai. Các vật liệu điện mơi phụ trợ nên
được lựa chọn là loại vật liệu có chiết suất thấp, giao diện tiếp xúc
giữa điện môi phụ trợ và DW nên được thiết kế với một khoảng cách
đủ lớn và khu vực tiếp xúc nên càng nhỏ càng tốt.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Chúng tôi đã đề xuất và nghiên cứu các kênh dẫn sóng
SPP lai với suy hao truyền thấp bằng cách làm giảm suy hao ohmic
trong kênh dẫn sóng, đồng thời suy hao truyền do tán xạ bề mặt được
khắc phục bằng cách sử dụng kênh dẫn sóng điện mơi dựa trên ăn
mịn dị hướng ướt.
Bằng cách chọn các tham số thiết kế một cách thích hợp,
chúng ta có thể đạt độ dài truyền dẫn của HGSPPWs ở tỷ lệ centimet
bằng cách sử dụng mode truyền được hình thành bởi sự kết cặp giữa
các plasmon bề mặt và các mode quang điện mơi, trong khi mode
truyền được duy trì ở kích thước rất nhỏ so với bước sóng (2/105).
Kết quả nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng do sai lệch về chế
tạo, hiệu ứng kết cặp và chiều dài kết cặp thể hiện các kênh dẫn sóng

được đề xuất có thể được chế tạo với sai số cơng nghệ hiện tại mà
khơng ảnh hưởng đáng kể tới tính chất truyền đã được khảo sát lý
thuyết.

13


CHƯƠNG 5: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI TÙY BIẾN
Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu các phương pháp
điều khiển đặc trưng của kênh dẫn sóng lai. Trên cơ sở đó, chúng tơi
đưa ra hai mơ hình kênh dẫn sóng lai tùy biến: (1) Kênh dẫn sóng
plasmonic khe hẹp lai tùy biến dựa trên chất lỏng; (2) Kênh dẫn sóng
plasmonic tùy biến bằng cách nhiễu loạn sóng rìa.
Một số kết quả khảo sát tùy biến các đặc trưng truyền sóng
của hai mơ hình kênh đề xuất như sau:
5.1. Các phương pháp điều khiển đặc trưng của kênh dẫn sóng
plasmonic lai

Hình 5.1: Minh họa ba cơ chế điều khiển của kênh dẫn sóng HGP
dựa trên: (a) điều khiển chiết suất của mơi trường khe điện môi, (c)
điều khiển khe điện môi và (e) điều khiển chiết suất của kênh điện
môi. (b), (d) và (f): phạm vi điều khiển các đặc trưng của kênh dẫn
sóng HGP, LHGP (L) và Aeff (A), cho ba trường hợp được mô tả
tương ứng trong (a), (c ) và (e).

14


Có ba phương pháp để điều khiển các đặc trưng của kênh
dẫn sóng plasmonic lai, bao gồm điều khiển chiết suất của mơi

trường điện mơi khe, kênh dẫn sóng điện môi hoặc khe hẹp điện
môi. Chiết suất của môi trường khe điện mơi và kênh dẫn sóng điện
mơi có thể được điều khiển bằng hiệu ứng quang nhiệt hoặc hiệu ứng
quang điện, trong khi khoảng cách điện mơi có thể được thay đổi
bằng bộ truyền động điện cơ nano. Ưu điểm và nhược điểm của từng
cơ chế điều khiển sẽ được phân tích trong phần này.
5.2. Kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai tùy biến dựa trên chất
lỏng
Ở đây chúng tơi đề xuất một loại kênh dẫn sóng plasmonic
lai có thể điều khiển được dựa trên chất lỏng. Linh kiện này bao gồm
một nêm kim loại được tách ra khỏi kênh dẫn sóng điện mơi bằng
một kênh nano khơng khí.
Kết quả nghiên cứu về khả năng tùy biến của kênh dẫn sóng
HGP được đề xuất được thể hiển trong Hình 5.2(b).

Hình 5.2: Mơ hình kênh dẫn sóng plasmonic lai có thể tùy biến dựa
trên chất lỏng (a), và (b) Khả năng tùy biến, L và A , phụ thuộc vào
chiết suất của chất lỏng

15


Kết quả cho thấy độ dài dẫn truyền có thể được điều khiển
lên tới 43% trong khi biến thiên của chiết suất và diện tích mode nhỏ
hơn 3 lần. Do đó, kênh dẫn sóng HGP điều khiển dựa trên chất lỏng
hứa hẹn sẽ phát triển các thành phần quang tử tích cực cho các mạch
tích hợp quang tử mật độ cao và các vi hệ thống trên một chíp (labon-a-chip).
5.3. Tùy biến các đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic lai
bằng cách nhiễu loạn sóng rìa

Hình 5.3: Mơ hình hình học kênh dẫn sóng plasmonic lai: (a) hình
ba chiều của kênh; (b) mặt cắt ngang kênh. αE là góc đỉnh của nêm
kim loại. g là khoảng cách giữa nêm kim loại và kênh dẫn sóng điện
mơi. Hw và Ww là kích thước mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng điện
mơi. te và we là kích thước mặt cắt ngang của điện cực điều biến chiết
suất. ge là khoảng cách giữa điện cực và kênh dẫn sóng. Điện cực
điều biến có thể được di chuyển cơ học dọc theo hướng x hoặc
hướng y. Các chuyển vị trong trục x và y lần lượt là x và y.

16


Để điều khiển các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng
plasmonic lai, chiết suất của kênh dẫn sóng điện mơi có chiết suất
cao được điều khiển bằng cách làm nhiễu trường sóng rìa bởi điện
cực điều biến chiết suất ở gần kênh dẫn sóng điện mơi. . Chúng tơi
cũng sẽ phân tích sự phụ thuộc của các đặc trưng vào các tham số
hình học và các thay đổi vị trí của điện cực điều biến để thấy hiệu
quả của phương pháp này.
Điện cực có thể được dịch chuyển bằng các phương pháp truyền
động như tĩnh điện, áp điện, hoặc lực quang. Trong số đó, sự dẫn
động tĩnh điện rất được quan tâm do công suất hoạt động không đáng
kể và khả năng tích hợp tương thích cao với các linh kiện quang học
khác. Mode plasmon truyền trong kênh dẫn sóng plasmonic lai là
mode plasmon khe hẹp được tạo ra bởi sự kết cặp giữa mode
plasmon nêm kim loại và mode quang tử của kênh dẫn sóng điện
mơi. Do đó, bằng cách sử dụng một điện cực để làm nhiễu trường rìa
của kênh dẫn sóng điện mơi, chúng ta có thể kiểm soát các đặc trưng
truyền của mode plasmon khe hẹp lai (HGP).
5.3.2. Tùy biến các đặc trưng truyền sóng

Hình 5.6: Các đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic
lai, Neff , LHGP , Aeff /A0 và FoM , được khảo sát theo y

17


Sự phụ thuộc của các đặc trưng truyền sóng vào y, với we =
200, 400 và 800 nm, được thể hiện trong Hình 5.6 (a) và (d). Như đã
thấy, Neff và LHGP tăng khi điện cực được di dời liền với kênh dẫn
sóng điện mơi (y giảm) trong diện tích mode Aeff (= 2,44 2 /105 ) là
độc lập với y. Tại giá trị lớn của we , LHGP thay đổi mạnh theo  y
và đạt một giá trị tiệm cận, Hình 5.6 (b). Trường hợp đặc biệt, khi
điện cực điều biến với we = 800 nm được thay thế bởi y = 100 nm,
phạm vi điều khiển của LHGP (L) có thể được điều biến lên đến 74%,
từ 11,2 mm đến 19,6 mm. Hơn nữa, kết quả cho thấy phương pháp
tùy biến cho kênh dẫn sóng plasmon lai với LHGP (ở tỷ lệ cm) hiệu
quả trong khi duy trì kích thước mode truyền nhỏ hơn nhiều bước
sóng ( 2/104 ). Hệ số phẩm chất FoM của linh kiện cũng đạt được
giá trị rất cao, hơn 1,2x106, Hình 5.6(d), cao hơn hai bậc độ lớn so
với báo cáo [38].
KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
Trong chương này, các cơ chế tùy biến cho kênh dẫn sóng
plasmonic lai đã được nghiên cứu. Một kênh dẫn sóng lai có thể điều
biến khoảng cách truyền cũng đã được đề xuất và khảo sát. Các kết
quả đạt được trong chương này có thể được tóm tắt như sau:
- Cơ chế tùy biến dựa trên thay đổi chiết suất của kênh điện
môi thể hiện sự ưu việt hơn so với cơ chế thay đổi chiết suất môi
trường khe hẹp điện môi và và khoảng cách khe hẹp. Khi sử dụng cơ
chế này, chiều dài truyền sóng plasmon ở tỷ lệ cm có thể điều biến

trong khi diện tích mode truyền được duy trì rất nhỏ (2 /105).
- Đã đề xuất và minh họa thành cơng kênh dẫn sóng lai tùy
biến dựa trên điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện mơi khi sử
dụng phương pháp nhiễu loạn trường rìa.
- Khả năng năng điều biến khoảng cách truyền có thể đạt tới
hơn 80%, trong khi diện tích mode truyền khơng bị thay đổi trong
q trình điều biến (2,44 2/105).
- Cơ chế điều khiển nhiễu loạn trường rìa kênh điện mơi có
thể thực hiện dựa trên chấp hành tĩnh điện có tốc độ tương đối
nhanh, cỡ µs, trong khi cơng suất tiêu thụ rất thấp bởi hoạt động chấp
hành dựa trên cơ chế chấp hành kiểu điện dung, khơng có dòng điện.

18


KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN
Dựa trên các kết quả nghiên cứu đạt được trong luận án, một
số kết luận chính được rút ra như sau:
- Luận án đã đưa ra các cấu trúc hình học khác nhau của
kênh dẫn sóng plasmonic đơn được cấu tạo từ một kênh dẫn sóng
điện mơi silíc có độ nhám thấp ở mức ngun tử phủ một lớp kim
loại mỏng dựa vào tính chất ăn mịn dị hướng ướt của silíc đơn tinh
thể. Kênh dẫn sóng plasmonic đơn hoạt động tối ưu đã được tìm thấy
với góc mặt bên ở khoảng 60o, chiều dài truyền của kênh dẫn sóng
đạt được là 400 m, diện tích mode truyền là 2/103 khi sử dụng kim
loại Ag làm lớp phủ tạo giao diện điện mơi/kim loại dẫn sóng
plasmonic.
- Luận án đã đề xuất và thiết kế cấu trúc kênh dẫn sóng
plasmonic, trong đó lớp kim loại Ag có tính chất dẫn sóng plasmon
tốt nhưng dễ bị oxy hóa được phủ một lớp oxít hoặc kim loại mỏng

có tính chất trơ với môi trường để bảo vệ lớp màng mỏng Ag. Kết
quả khảo sát thể hiện rằng chiều dài truyền có thể được tăng cường
lên gấp 4 lần so với kênh dẫn sóng plasmonic khi sử dụng kim loại
trơ với môi trường như Au để tạo giao diện kim loại/điện mơi cho
dẫn sóng plasmonic.
- Luận án cũng đã đề xuất kênh dẫn sóng plasmonic lai có độ
suy hao truyền thấp với kích thước mode truyền nhỏ hơn rất nhiều
kích thước bước sóng ánh sáng truyền. Kênh dẫn sóng có khoảng
cách truyền ở tỷ lệ cm, trong khi diện tích mode truyền có kích thước
nhỏ hơn nhiều kích thước bước sóng ánh sáng (2/105). Các nhân tố
ảnh hưởng như sai số quá trình chế tạo và các thành phần kết cặp tới
đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng đã được khảo sát. Qua kết quả
khảo sát cho phép kênh dẫn sóng có thể được chế tạo với sai số cơng
nghệ hiện tại nhưng khơng làm thay đổi nhiều tính chất mode truyền
của kênh dẫn sóng thu được từ thực nghiệm.
- Luận án cũng đã đưa ra các kênh dẫn sóng lai tùy biến.
Kênh dẫn sóng với cấu trúc có thể được tích hợp và ứng dụng các cơ
chế tùy biến để điều khiển đặc trưng truyền. Các cơ chế tùy biến có
thể ứng dụng trong kênh dẫn sóng lai như điều khiển khoảng cách
khe điện môi, chiết suất của môi trường khe điện mơi và chiết suất
kênh dẫn sóng điện môi. Dựa trên kết quả khảo sát thể hiện rằng cơ
chế tùy biến dựa trên điều khiển chiết suất của kênh dẫn sóng điện

19


môi thể hiện ưu việt hơn so với hai cơ chế còn lại như khả năng điều
khiển khoảng cách truyền lớn, nhưng diện tích mode truyền được giữ
khơng đổi trong quá trình điều biến. Dựa trên các kết quả nghiên cứu
so sánh như vậy, luận án cũng đã đưa ra một cơ chế tùy biến khả thi

để điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện mơi khi sử dụng một
điện cực nhiễu loạn sóng rìa của kênh dẫn sóng điện mơi. Kết quả
khảo sát thể hiện rằng, chúng ta có thể điều khiển khoảng cách
truyền tới hơn 100%, trong khi diện tích mode truyền (2/105) khơng
bị thay đổi trong q trình điều khiển chiều dài truyền.
Định hướng nghiên cứu tiếp theo
- Xây dựng hệ thống đo lường để khảo sát thực nghiệm đặc trưng
truyền của các kênh dẫn sóng plasmonic được chế tạo. Mặt khác,
nhóm nghiên cứu cũng có thể kết hợp với các nhóm nghiên cứu khác
để tiến hành khảo sát đặc trưng truyền thực nghiệm.
- Tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu này trong tương lai, đặc biệt
là ứng dụng các kênh dẫn sóng plasmonic trong các cảm biến quang.

20


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, and Chu Manh
Hoang (2015), “Design and simulation of triangular wedge surface
plasmon polariton waveguide”, The 9th Vietnam National
Conference of Solid Physics and Materials Science , pp. 314-317,
ISBN: 978-604-938-722-7.
2. Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, Vu Ngoc Hung,
Chu Manh Hoang (2015), “Fabrication of triangular-shaped
plasmonic waveguide based on wet bulk micromachining”,
International Conference on Applied & Engineering Physics, pp.
124-127, 2015, ISBN: 978-604-913-232-2
3. Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, Chu Manh
Hoang (2016), “Wedge Mode Propagation Characteristics of

Triangular–shaped Surface Plasmon Waveguide”, VNU Journal of
Science: Mathematics – Physics, Vol. 32, No. 3, pp. 41-48.
4. Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, Vu Ngoc Hung,
Chu Manh Hoang (2016), “Characteristics of Trapezoidal-Shaped
Plasmonic Waveguide”, The 3rd International Conference on
Advanced Materials and Nanotechnology, pp. 111-114, ISBN: 978604-95-0010-7
5. Nguyen Thanh Huong, Nguyen Van Chinh, Vu Ngoc Hung,
Chu Manh Hoang (2016), “Design and simulation of channel
surface plasmon polariton waveguide”, The 3rd International
Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, ISBN:
978-604-95-0010-7.
6. Nguyen Thanh Huong, Nguyen Van Chinh, Vu Ngoc Hung,
Chu Manh Hoang (2016), “Surface Plasmon Polariton Modes in VShaped Groove”, The 3rd International Conference on Advanced
Materials and Nanotechnology, ISBN: 978-604-95-0010-7.
7. Nguyen Thanh Huong, Nguyen Van Chinh, Chu Manh
Hoang (2016), “Guiding mode characteristics of hybrid V-grooved
surface plasmon waveguide”, The 9th Vietnam National
Conference on Optics & Spectroscopy, ISBN: 978-604-913-578-1,
pp. 189-192.


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

8.
Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, Chu Manh
Hoang (2016), “A study on direct coupling between photonic and
wedge surface plasmon waveguides”, The 9th National Conference
on Optics & Spectroscopy, ISBN: 978-604-913-578-1, pp. 224227.
9.
Huong, Nguyen T.; Chinh, Nguyen V.; Hoang, Chu M.

(2019), "Wedge Surface Plasmon Polariton Waveguides Based on
Wet-Bulk
Micromachining." Photonics 6,
no.
1:
21.
(ISI)
10. Huong Thanh Nguyen, Son Ngoc Nguyen, Minh Tuan Trinh,
Kazuhiro Hane, Hoang Manh Chu (2019), "Tunable hybrid gap
surface plasmon polariton waveguides with ultralow loss deepsubwavelength propagation", Plasmonics, DOI: 10.1007/s11468019-00971-4 (ISI)
11. Nguyen Thanh Huong, Nguyen Manh Duong, Nguyen Van
Chinh, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang (2019), “Wedge
plasmonic waveguides for light wave propagation at the
nanoscale”, Vietnam – Japan Science and Technology Symposium
(VJST2019).
12. Thành viên Bằng độc quyền Giải pháp hữu ích số 2363:
“Kênh dẫn sóng plasmon lai”, Quyết định số 7472w/QĐ-SHTT,
ngày 16/06/2020.
13. Nguyen Thanh Huong, and Chu Manh Hoang (2020),
“Modal characteristics and the tunability of horizontal hybrid gap
plasmonic waveguide”, AIP advances - Journal of Applied Physics
B, DOI: (ISI).
14.
Nguyen Thanh Huong, Nguyen Duy Vy, Minh Tuan Trinh,
Chu Manh Hoang (2020), “Tuning SPP propagation length of
hybrid plasmonic waveguide by manipulating evanescent field”,
Optics
Communications,
DOI:
(ISI).