Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng trên nền silica biến tính

7. Trần Thu Hơng, Trần Kim Anh, Lê Quốc Minh Chế tạo
mng (1-X) Silica-(X)Titania trên đế Silic đơn tinh thể v nghiên
cứu ảnh hởng của nhiệt độ tới cấu trúc của chúng . Tạp chí
Khoa học v Công nghệ, tập 42, số 2
(2004) 92-97.
8. T. Kim Anh,
T. Thu Huong, T. T. Kim Chi, N. Vu , M. Hoai
Nam L. T. Kieu Giang, L. Dac Tuyen, W. Strek, C. Barthou

and
L. Quoc Minh Luminescence and up - conversion mechanism
of some photonic materials doped with Eu, Er and Yb ions.
Proceedings of the first Vietnamese-Italian International Joint
Workshop, November 28-29,
(2005) 63-70.
9.
Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Johannes Kirchhof, Claudia
Aichele and Le Quoc Minh Preparation and photonic features
of Erbium- activated Silica-Zirconia multilayer films derrived
from sol gel process. International Conference on Engineering
Physics ICEP 2006, October 9-13,
(2006) 78-82.
10.
Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Martin Becker, Ankha
Schwuchow and Le Quoc Minh Luminescence, Lifetime and
Optical Losses of Active Wave Guide Systems SiO
2
/TiO
2
and
SiO

2
/ZrO
2
Derived by Sol Gel. 1
st
IWOFM-3
rd
IWONN
Conference, Ha long, Vietnam, December 3-10,
(2006) 544-547.
11. Le Quoc Minh, Nguyen Thanh Binh,
Tran Thu Huong, Nguyen
Thanh Huong, Nguyen Tat Thanh, Vu Thi Nghiem, Vu Doan
Mien, Phan Viet Phong, Tran Kim Anh Hybrid and Composite
with nanostructures for Photonic Technology 1
st
IWOFM-3
rd

IWONN Conference, Ha long, Vietnam, December 3-10,
(2006) 480-484.
12.
T. Thu Huong, T.Kim Anh, M. Hoai Nam, C. Barthou, W.
Strek, L. Quoc Minh Preparation and infrared emission of
silicazirconiaalumina doped with erbium for planar
waveguide. Journal of Luminescence 122-123
(2007) 911-913.


Bộ Giáo dục v đo tạo

Viện Khoa Học v Công Nghệ việt nam


Viện Khoa học Vật liệu




Trần Thu Hơng



Chế tạo v nghiên cứu tính chất quang của vật liệu
dẫn sóng trên nền Silica biến tính


Chuyên ngnh: Vật liệu quang học, quang điện tử v quang tử
Mã số : 62 44 50 05




Tóm tắt Luận án tiến sĩ
khoa học vật liệu

h nội 2007


























Công trình đợc hon thnh tại :
Phòng Quang Hóa - Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu,

Viện Khoa học v Công nghệ Việt Nam




Ngời hớng dẫn khoa học : PGS.TS. Lê Quốc Minh
PGS.TS. Trần Kim Anh




Phản biện 1: GS. TSKH. Đinh Văn Hong
Đại học Quốc gia H Nội

Phản biện 2: GS. TS. Võ Thạch Sơn
Trờng Đại học Bách khoa H Nội

Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng
Trờng Đại học S phạm H Nội




Luận án đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp nh nớc, họp
tại:
Hội trờng tầng 2, nh B2, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học
v Công nghệ Việt Nam
vo hồi 9 giờ 00, thứ năm, ngy 20 tháng 12 năm 2007.

Có thể tìm hiểu Luận án tại:
Th viện Quốc gia
Th viện Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học v
Công nghệ Việt Nam




1
Mở đầu
Tính cần thiết v ý nghĩa khoa học của đề ti : Vật liệu mới
đóng vai trò quyết định trong xây dựng v phát triển các linh kiện
công nghệ cao. Trong đó, công nghệ truyền thông đơng đại dựa trên
vật liệu sợi dẫn ánh sáng - cáp quang l một thí dụ điển hình. Tín
hiệu, dới dạng tia sáng đợc truyền dẫn với khoảng cách hng trăm,
thậm chí hng ngn km, trong hệ thống mạng cáp quang bao bọc
hnh tinh chúng ta. nh sáng, tín hiệu thông tin sau khi truyền ở
những khoảng cách lớn nh vậy sẽ bị suy giảm mạnh về cờng độ.
Chính vì vậy, các hệ khuếch đại tín hiệu l không thể thiếu. Thông
thờng trong mạng thông tin cáp quang vẫn dùng khuếch đại quang
điện (khuếch đại O/E), trong đó tín hiệu quang đợc chuyển thnh tín
hiệu điện v ngợc lại. Trong những năm gần đây, xuất hiện kiểu
khuếch đại quang học có tín hiệu vo ra đều l ánh sáng. Khuếch đại
quang học có nhiều u điểm : ổn định, ít bị nhiễu bởi điện từ trờng
v dễ tơng thích với công nghệ truyền tin siêu tốc, bằng cách gộp v
tách theo bớc sóng. Đến nay, khuếch đại trên cơ sở sợi quang sử
dụng Erbi l yếu tố phát quang (Erbium Doped Fiber Amplification -
EDFA) đợc sử dụng ngy cng phổ biến trong mạng thông tin
quang. Tuy nhiên, các công nghệ khuếch đại quang sợi EDFA, vẫn

có một số nhợc điểm: Do phải sử dụng sợi dây di hng chục mét,
dẫn đến kích thớc linh kiện cồng kềnh, bị ảnh hởng nhiều của tác
động cơ học v nhiệt độ. Mặt khác, xét theo góc độ tích hợp chức
năng, các khuếch đại quang sợi sẽ có nhiều hạn chế khi tính đến việc
thu nhỏ kích th
ớc v giảm giá thnh linh kiện. Chính vì vậy, gần đây
các nghiên cứu tập trung tìm kiếm vật liệu dẫn sóng quang planar tích
cực nhằm chế tạo các linh kiện tích cực cho mạng thông tin quang.


2
Mục đích của luận án: Chế tạo v nghiên cứu tính chất quang của
vật liệu dẫn sóng trên nền Silica biến tính nhằm hớng tới ứng dụng chế
tạo khuếch đại quang cho vùng cửa sổ quang học thứ 3 vùng hồng ngoại
khoảng 1500 nm của công nghệ thông tin quang hiện đại.
Đối tợng nghiên cứu của đề ti: Đối tợng nghiên cứu của
luận án l các vật liệu nền SiO
2
/TiO
2
, SiO
2
/ZrO
2
có thể điều chỉnh
đợc chiết suất v vật liệu dẫn sóng tích cực SiO
2
/TiO
2
: Er

3+
,
SiO
2
/ZrO
2
: Er
3+
với các yếu tố nâng cao Al
3+
v Yb
3+
cho khả năng
phát quang mạnh ở vùng cửa sổ thứ 3 của công nghệ thông tin.
Nội dung v phơng pháp nghiên cứu: Luận án đợc tiến hnh
bằng phơng pháp thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu để giải
thích đợc các hiện tợng xảy ra trong quá trình chế tạo vật liệu v
xác định đợc các tính năng cần thiết. Luận án sử dụng phơng pháp
sol gel để tổng hợp các hệ vật liệu có thể điều chỉnh đợc chiết suất,
cụ thể Silica/Titania v Silica/Zirconia từ các hợp chất cơ kim l
alkoxy Silic, Titan hay Zircon.
Quá trình hoạt hóa sử dụng các ion đất hiếm nh Erbi đã đợc
tiến hnh ngay trong quá trình phản ứng thuỷ phân v ngng tụ.
Mng đa lớp đợc chế tạo bằng công nghệ quay phủ hoặc nhúng phủ.
Sử dụng các phơng pháp nghiên cứu cấu trúc vi mô, hình thái học v
tính chất quang để tìm mối liên hệ giữa đặc tính dẫn sóng tích cực v
cấu tạo phân tử, trạng thái rắn của vật liệu, nhằm giải thích v tìm
điều kiện tối u cho phép chế tạo vật liệu dẫn sóng tích cực phù hợp
với yêu cầu chế tạo khuếch đại quang planar. Đặc biệt, luận án đã sử
dụng phơng pháp quang phổ hiện đại - quang phổ m-line để đánh

giá hiệu suất dẫn sóng, độ tổn hao, một yếu tố quyết định cho vật liệu
dẫn sóng tích cực planar.


3
Bố cục của luận án: Luận án gồm 134 trang, bao gồm : Phần mở
đầu, 4 chơng nội dung với 72 hình vẽ, 14 bảng biểu, kết luận, danh
mục các công trình đã công bố v cuối cùng l ti liệu tham khảo.
Các kết quả chính của luận án đã đợc công bố trong 12 bi báo trên
các tạp chí v báo cáo tại hội nghị chuyên ngnh trong nớc v quốc tế.
Chơng 1. Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu v
cấu trúc dẫn sóng quang từ quá trình sol gel
1.1. Giới thiệu
Các nghiên cứu về vật liệu mới, trớc hết cần phải tiến hnh
nghiên cứu tơng tác giữa ánh sáng v các vật liệu, đặc biệt l sự
truyền dẫn ánh sáng trong các cấu trúc quang học.
1.2. Dẫn sóng quang học
1.2.1. Cấu trúc dẫn sóng
Các cấu trúc dẫn sóng quang
học bao gồm một lõi trong đó
ánh sáng bị giam giữ v vỏ hay
đế bao quanh (Hình 1.1). Trong
đó chiết suất của lõi (n
1
) lớn
y
x
z
x = -a
Vỏ n0

n0
Lõi n1
x
x = o
x = a
n
n1
n0
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của
một dẫn sóng quang học

hơn chiết suất của vỏ (n
0
).Với cấu trúc nh vậy tia sáng đợc truyền
dẫn đến cuối của cấu trúc dẫn sóng v bị phản xạ ton phần ở các
biên ngăn cách giữa lõi v vỏ.
1.2.2. Các dạng cấu trúc dẫn sóng cơ bản
Bao gồm: Dẫn sóng dạng sợi , dẫn sóng tầng v dẫn sóng kênh.
1.2.3. Dẫn sóng planar
Dẫn sóng quang planar dạng tầng l hoạt động của các chùm tia
dạng tấm bị giam giữ hai chiều, chúng có thể lan truyền theo hớng


4
song song với bề mặt của lớp dẫn sóng có chiết suất cao. Khi một
mng mỏng có chiết suất cao hơn đế, tia sáng luôn bị phản xạ từ mặt
ngăn cách v bị giam giữ trong mng dẫn. Hình 1.1 trình by cấu trúc
dẫn sóng quang theo bậc (SI). Lớp trên thờng l không khí hay có
thể sử dụng một lớp vật liệu có chiết suất nhỏ hơn.

Quá trình ánh sáng truyền dẫn trong cấu trúc dẫn sóng planar
Điều kiện thực hiện phản xạ ton phần ở biên phân cách lõi vỏ
có thể mô tả bằng biểu thức : n
1
sin (/2 - ) n
0
. Trong đó góc ở
trong biểu thức
2
0
2
11
sinsin nnn =

, chúng ta có điều kiện
tới hạn cho phản xạ ton phần từ biên phân cách nh sau :

2
0
2
1
1

sin
max

nn

=


(1.1)
Sự sai khác về chiết suất giữa lõi v vỏ trong thực tế thờng l
nhỏ: n
1
- n
0
= 0,01. Do vậy góc
max
trong biểu thức (1.1) có thể lấy
gần đúng l :
2
0
2
1max
nn

(1.2)
Nh vậy, góc theta l góc cực đại của dẫn sóng ở cửa vo v
thờng gọi l khẩu độ số ( NA). Sai lệch chiết suất tỷ đối giữa 2 hai
chiết suất n
1
v n
0
sẽ l :
1
01
2

1
2
0
2
1
2
n
nn
n
nn


=

(1.3)
Giá trị thờng đợc tính theo phần trăm. Nh vậy, (NA) liên hệ với
hiệu chiết suất tỷ đối theo biểu thức:
= 2
1ã
nNA
m

(1.4)
Từ đó có thể rút ra góc lớn nhất để thực hiện truyền sóng trong
lõi l:
2/
1maxmax
n

25
3. Le Quoc Minh, N. T. Huong, T. T. Huong, H. T. Khuyen, P. M.
Tuan, M. H. Nam, N. T. Binh, T. K. Anh, C. D. Thuy, C.
Barthou, M. Dumont and N. C. Thanh Development of sol gel
materials for photonics and optical telecommunication
application. Proceedings of the Sixth German-
Vietnamese Seminar on Physics and Engineering,
Chemnitz, 25 - 31, May (2003)
120-123.
4. Tran Thu Huong
, Tran Kim Anh, Carlos Barthou, Vo Thach
Son and Le Quoc Minh Fluorescent properties of Silica(92)-
Titania(08) / Alumina (X) and Silica(83)-Zirconia(17) /
Alumina (X) doped with Er
3+
and Yb
3+
. Proceedings of the
Sixth German-Vietnamese Seminar on Physics and
Engineering, Chemnitz, 25 - 31, May 2003
pp.172-176.
5. Tran Kim Anh, Le Quoc Minh, Nguyen Vu, Tran Thu Huong
,
Nguyen Thanh Huong, Charles Barthou and Wieslaw Strek
Nanomaterials containing rare earth ions Tb, Eu, Er and Yb:
Preparation, optical properties and application potential J.
of Luminescence 102-103 (2003)
391-394.

6. T. K. Anh, N. Vu, T. T. Huong
, L. Q. Minh, "Nanomaterials
containing rare earth ions for infrared card and planar
waveguide application, given at 2
nd
International workshop
on Nanophysics and Nanotechnology (IWONN04), Hanoi,
October 22-23, (2004)
161-164.


24
cờng phân hủy nhóm OH, l các yếu tố góp phần tăng hiệu suất
huỳnh quang của ion Er
3+
.
8. Các kết quả nghiên cứu khoa học với quy trình công nghệ tổng
hợp, phủ mng, quy trình gia nhiệt đạt trình độ cao, luận án đã
khẳng định công nghệ chế tạo vật liệu mới SiO
2
/TiO
2
(92/08)/ Al
(10%) Er (0,75%) Yb (0,825%) v SiO
2
/ZrO
2
(83/17)/ Al (6%)
Er (0,75%) Yb (0,825%) l một trong các vật liệu dẫn sóng tích
cực có triển vọng nhất nhằm hớng tới ứng dụng chế tạo khuếch

đại quang cho công nghệ thông tin, với các chỉ số cụ thể : Cực
đại huỳnh quang tại 1530 nm, độ rộng bán phổ > 50 nm, thời
gian sống phát quang đến 7,4 mili giây, tổn hao dẫn sóng thấp
nhất : 0,85 dB/cm. Tóm lại, hai hệ vật liệu dẫn sóng thu đợc của
luận án, thuộc loại vật liệu dẫn sóng tích cực, về mặt chất lợng
tơng đơng với các công bố trên quốc tế.
Nh vậy, luận án đã góp phần đáng kể vo hớng nghiên cứu tìm
kiếm vật liệu dẫn sóng tích cực planar, có nhiều tiềm năng tạo ra các
ứng dụng trong công nghệ thông tin v một số công nghệ liên quan.
Danh mục các công trình nghiên cứu
Các công trình đợc sử dụng cho nội dung luận án
1. Nguyễn Thanh Hờng, Trần Thu Hơng
, Vũ Thị Nghiêm, Lâm
Thanh Nhn, Charles Bathou, Trần Kim Anh, Lê Quốc Minh
Nghiên cứu quá trình biến đổi vi cấu trúc trong quá trình ủ
nhiệt của mng dẫn sóng Silíc/Titania v Silica/Zirconia. Báo
cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn ton quốc lần thứ III, Nha Trang,
8-10/8/2001
209-215.
2. Tran Thu Huong
, Lam Thanh Nhan, Tran Kim Anh and Le
Quoc Minh Effects of Aluminum to Silica(92)-Titania(08) and
Silica(83)-Zirconia(17) Wave-guide materials properties
Proceedings of 3
rd
National Conference on Optics &
Spectroscopy, Nha Trang, August 11-15, (2002)
281-286.

5
Dẫn sóng tích cực
Dẫn sóng tích cực l quá trình truyền sóng quang gây nên hiệu
ứng phát xạ, với các tâm phát xạ l các ion đất hiếm hay các chất
mầu huỳnh quang. Các nguyên tố cho khả năng phát quang mạnh,
bền, đặc biệt trong vùng hồng ngoại, trong đó nguyên tố Erbi do có
phổ phát quang trùng với cửa sổ thông tin thứ ba nên rất đợc quan
tâm nghiên cứu.
1.3. Các vật liệu chế tạo dẫn sóng quang planar
Gồm các vật liệu : Bán dẫn, thuỷ tinh, vật liệu hữu cơ cao phân
tử, vật liệu lai hữu cơ v vô cơ.
1.4. Một số phơng pháp chế tạo vật liệu dẫn sóng planar
Có nhiều phơng pháp để chế tạo vật liệu dẫn sóng, nh : Phơng
pháp phún xạ, phơng pháp oxy hóa v nitrat hóa nhiệt, phơng
pháp lắng đọng hoá học pha hơi (CVD), phơng pháp lắng đọng nhờ
thuỷ phân trong ngọn lửa (FHD)
Các phơng pháp pha lỏng, có nhiều u thế về khả năng chế tạo
vật liệu v cấu trúc với độ đồng nhất cao, sự pha trộn cỡ phân tử, dễ
điều khiển, yêu cầu nhiệt độ không cao, khả năng chế tạo mng đa
lớp diện tích lớn v với công nghệ đơn giản dẫn đến giá thnh sản
phẩm thấp. Đặc biệt l khả năng hoạt hoá (pha tạp) các vật liệu nền
để chế tạo các linh kiện tích cực l một u điểm lớn của các phơng
pháp hoá học, trong đó có phơng pháp sol gel. Hơn nữa, chúng còn
có thể sử dụng lm phơng pháp tạo hình vật lý trực tiếp cho khả
năng tạo đợc các mng mỏng đa lớp, các hình khối lm cơ sở cho
các cấu trúc quang tử hiện đại. Xuất phát từ tình hình nêu trên, chúng tôi
đã lựa chọn phơng pháp sol gel để triển khai các nghiên cứu của mình.


6

1.5. Tổng hợp sol gel
Nguyên liệu đầu vo cho các hớng phát triển của phơng pháp
sol gel có thể đi từ các muối kim loại dễ thủy phân, các phức chất
hoặc các alkoxide kim loạiTrong đó hớng phát triển đi từ các
alkoxide kim loại, ngy cng đợc dùng phổ biến, do những sản
phẩm quang học chất lợng cao thu đợc so với việc sử dụng nguyên
liệu đầu vo khác.
Alkoxide kim loại l hợp chất cơ kim chứa gốc ankyl (có cấu tạo
phân nhánh hoặc thẳng), có công thức chung: M(OR)
z
, trong đó M l ion
kim loại có hoá trị z v R l nhóm ankyl (R=CH
3
, C
2
H
5
, iso C
3
H
7
).
Hoá học sol gel dựa trên phản ứng thuỷ phân v phản ứng ngng tụ
của alkoxide kim loại M(OR)
z
. Đó l các phản ứng thế ái nhân đợc
mô tả bằng phơng trình phản ứng tổng quát nh sau:
Si(OR)
n
+ M(X)

n
(OR)
n-1
Si-O-M(OX)
n-1
+ RX
(X= iso-C
3
H
7
O; M=Ti hay Zr)
Sau đây l phản ứng thuỷ phân v ngng tụ của TEOS
Phản ứng thủy phân:
Si - O - C
2
H
5
+ H
2
O Si - OH + C
2
H
5
OH
Phản ứng ngng tụ :
Loại ancol:
Si - O - C
2
H
5

+ Si-OH Si - O -Si + C
2
H
5
OH
Loại nớc:
Si-OH + Si-OH Si - O -Si + H
2
O
1.6. Huỳnh quang của các ion đất hiếm
Các nguyên tố hiếm l những kim loại đợc đặc trng bởi sự lấp
đầy lớp điện tử 4f. Dãy nguyên tố ny bắt đầu từ Lantan (La, Z = 57,
[Xe] 6s
2
5d) v kết thúc bằng Lutexi (Lu, Z = 71, [Xe] 6s
2
5d 4f
14
).


23
dầy với 60 lớp (cỡ 3 m), có độ ổn định v độ đồng nhất cao. Với
điều kiện công nghệ đã xác lập, có thể chế tạo hệ mng đa lớp
với độ tổn hao dẫn quang thấp đến 0,85 dB/cm.
4. Cơ chế hình thnh mng thủy tinh vô định hình của hỗn hợp oxit
SiO
2
/TiO
2

v SiO
2
/ZrO
2
đã đợc nghiên cứu theo tiến trình ủ
nhiệt. Đây l quá trình biến đổi hóa học, loại nớc (H
2
O) v các
phân loại hữu cơ v dung môi. Đến một nhiệt độ nhất định
(900
o
C) xảy ra sự phá vỡ các cấu trúc không bền nhiệt hình thnh
các vi tinh thể của các oxit Titan hoặc oxit Zircon. Đây chính l
nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự tăng tính không đồng đều của
mng, lm tăng tổn hao dẫn sóng quang do quá trình tán xạ.
5. Chúng tôi đã giải quyết vấn đề giảm đợc nhiệt độ xử lý, đồng
thời xúc tiến quá trình phân hủy nhóm OH, kìm hãm quá trình
hình thnh vi tinh thể của các oxit Titan v Zircon khi pha nhôm
(Al
3+
) vo hỗn hợp oxit SiO
2
/TiO
2
v SiO
2
/ZrO
2
. Tạo cơ sở chế
tạo đợc các mng oxit đa lớp có độ đồng nhất cao v phát huỳnh

quang mạnh vùng cửa sổ thông tin thứ 3.
6. Luận án cũng góp phần lm sáng tỏ cơ chế phát quang của ion
Er
3+
. Đây l quá trình phát quang đồng thời ở vùng hồng ngoại
1500 nm do chuyển dịch từ mức năng lợng
4
I
13/2
xuống
4
I
15/2
. Các
quá trình phát quang hồng ngoại l u tiên. Kết hợp các biện
pháp xử lý nhiệt nhanh, dùng nhôm để pha loãng có thể đa nồng
độ ion Er
3+
lên tới 0,75 %.
7. Khi có mặt ion Yb
3+
, quá trình phát quang hồng ngoại của ion
Er
3+
cũng đợc tăng cờng, do quá trình truyền năng lợng từ ion
Yb
3+
. Vai trò của nhôm, tác nhân pha loãng kìm hãm hình thnh
vi tinh thể oxit Titan v oxit Zircon ở nhiệt độ cao, cũng nh tăng

22
hao của mng đa lớp SiO
2
/ZrO
2
(83/17) pha Er
3+
đợc trình by trong
bảng 4.3. Mng SiO
2
/ZrO
2
(83/17) Er
3+
với số lớp nhúng l 60 lớp đo
ở bớc sóng 632,8 nm, có độ tổn hao quang học l 0,85 dB/cm; ở
bớc sóng 1330 nm, có độ tổn hao quang học l 1,88 dB/cm (d=3,5
m, n = 1,49).
Bảng 4.3: Độ tổn hao quang học của một số mng đa lớp
STT Tên mẫu Tổn hao quang học
(dB/cm)
1.
Silica/Zirconia(83/17)50lớp

1,70 (532 nm)
2,24 (632,8 nm)
2.
Silica/Zirconia (83/17)Er 60lớp 0,85 (632,8 nm)
3.

Silica/Zirconia (83/17)Er 60lớp 1,88 (1310 nm)
Kết luận
1. Chúng tôi đã tổng hợp thnh công vật liệu dẫn sóng cấu trúc
planar của SiO
2
/TiO
2
, SiO
2
/ZrO
2
v SiO
2
/TiO
2
, SiO
2
/ZrO
2
hoạt
hóa với nồng độ cao của ion Er
3+
. Xây dựng đợc quy trình mới
chế tạo hệ vật liệu dẫn sóng tích cực phát quang mạnh ở vùng
hồng ngoại, thỏa mãn yêu cầu chế tạo linh kiện khuếch đại quang
tích hợp cho công nghệ thông tin hiện đại. Tính chất dẫn sóng
tích cực của hệ vật liệu dới dạng mng đa lớp đạt trình độ tiên
tiến hiện nay.
2. Quá trình tổng hợp sol gel 2 giai đoạn đã đợc tìm hiểu v sử
dụng để chế tạo vật liệu dẫn sóng tích cực với kỹ thuật tạo phức

để kiểm soát đợc độ nhớt của dịch, chiết suất v độ truyền qua
cao ở vùng cửa sổ thông tin hồng ngoại 1500 nm.
3. Công nghệ trải mng nhúng phủ (dip - coating) đợc phát triển v
đã xác định đợc các điều kiện công nghệ tối u chế tạo mng


7
Sự che chắn các điện tử 4f bởi các lớp bên ngoi 5s v 5p tạo cho
chúng có đặc tính ion hơn v các tính chất quang phổ rất phong phú.
Ion Er
3+
có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f
11
5s
2
5p
6
. Lớp 4f có 11
điện tử, có mômen quỹ đạo L = 6, mômen spin S = 3/2. Trạng thái cơ
bản của ion Er
3+
l
4
I
15/2
. Ion Er
3+
có phổ phát xạ trải rộng từ vùng khả
kiến tới vùng hồng ngoại. Nó có phát xạ xanh lá cây gây bởi dịch
chuyển

4
S
3/2

4
I
15/2
v đợc quan sát trong các chất huỳnh quang chuyển
đổi ngợc, hoặc phát xạ mầu đỏ gây bởi dịch chuyển
4
F
9/2

4
I
15/2
với một
số vật liệu nền ví dụ nh SiO
2
-TiO
2
.
Ion Er
3+
đợc pha tạp trong các sợi quang học với nồng độ (vi
trăm ppm) đóng vai trò quan trọng nh bộ khuếch đại quang học tại
1,55m (tơng ứng với dịch chuyển
4
I
13/2

4
I
15/2
). Sự đảo mật độ c
trú đợc quan sát giữa các mức thấp hơn
4
I
13/2
v trên mức
4
I
15/2
.
Công nghệ ny đã đợc phát triển cho các khuếch đại quang học
trong ngnh thông tin quang sợi khoảng cách di.
Ion Yterbi (Yb
3+
) có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f
13
5s
2
5p
6
. Có
13 điện tử ở lớp 4f. Mô men quỹ đạo L = 3, momen spin S = 1/2. Do
sự tơng tác spin quỹ đạo ion Yb
3+
có 2 mức năng lợng ứng với các
trạng thái cơ bản v trạng thái kích thích l J = 7/2 v J = 5/2. Vùng

hấp thụ hồng ngoại của ion Yb
3+
gần 1m do sự dịch chuyển của các
chuyển dời
5
F
5/2

5
F
7/2
của ion Yb
3+
. Chính vì lý do ny m nó đợc
sử dụng nh chất tăng nhậy cho ion Er
3+
.
Chơng 2. Chế Tạo v Kĩ thuật thực nghiệm nghiên
cứu tính chất vật liệu dẫn sóng cơ sở
Silica/Titania Silica/Zirconia


8
2.1. Chế tạo vật liệu dẫn sóng
Hệ vật liệu đợc chế tạo trong luận án l: Silica/Titania (SiO
2
/TiO
2
)
v Silica/Zirconia (SiO

2
/ZrO
2
). Quá trình thực nghiệm chế tạo một vật
liệu dẫn sóng bao gồm 3 bớc chính : Tổng hợp dung dịch, chế tạo
mng v quá trình xử lý nhiệt.
p dụng phơng pháp sol gel, điều chỉnh các điều kiện phản ứng
thuỷ phân v ngng tụ, chúng tôi tiến hnh điều chế hai hệ vật liệu
SiO
2
/TiO
2
v SiO
2
/ZrO
2
dựa trên các hợp chất cơ kim của Silic, Titan
v Zircon. Các tiền chất ban đầu sử dụng để chế tạo hai hệ vật liệu
trên l TetraEthoxysilane [TEOS], Titanium isopropoxide (TPOT) v
Zirconium (IV) iso propoxide [ZOP]. Đặc biệt trong phản ứng sol gel
với yếu tố nền l Silic v các yếu tố điều chỉnh chiết suất l Titan
hoặc Zircon, do tốc độ thủy phân của chúng rất khác nhau, nên phải
tiến hnh thủy phân 2 giai đoạn.
Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình phản ứng tạo dịch đợc khảo
sát tỷ mỷ nh xúc tác, độ pH, tỷ lệ nớc / tiền chất, thnh phần cấu
tử, nhiệt độ, dung môinhằm tìm ra chế độ tối u tổng hợp dung
dịch của hai hay nhiều cấu tử có độ đồng nhất cao v bền với thời
gian lu giữ. Một số tác nhân tạo phức khác nhau đã đợc chọn nh
axetylaxeton (ACT) với TPOT, axit methacrylic (MAA) với ZOP để
kìm hãm quá trình thuỷ phân ban đầu của TPOT v ZOP, tránh kết

tủa hydroxít kim loại không mong muốn.
Một số biện pháp đã đợc tiến hnh lm bền vững hóa dung dịch
sol thu đợc nh: Điều chỉnh pH, thay thế dung môi, hay hạ nhiệt độ
xuống thấp, trong đó các dịch (1-x) SiO
2
/ x TiO
2
; (1-x) SiO
2
/ x ZrO
2

đợc bảo quản ở nhiệt độ 6
o
C, có thể sử dụng để phủ mng chất
lợng cao trong thời gian từ 4 đến 6 tuần. Các mng đợc tạo trên đế
Silic đơn tinh thể hoặc trên đế thạch anh tổng hợp.


21
1400 1450 1500 1550 1600 1650
0
30
60
90
120
150

exc
= 514 nm

Power = 500 mW
T = 300 K
Cờng độ (Đvtđ)


(nm)
1
2


1400 1450 1500 1550 1600 1650
0
50
100
150
200
250
300
350

exc
= 514 nm
Power = 500 mW
T = 300 K
Cờng độ (Đvtđ)


(nm)
1
2

3

Hình 4.8: Phổ huỳnh quang của
SiO
2
/TiO
2
(92/08)pha Er
3+
có Al
(10) [1] v
SiO
2
/TiO
2
(92/08)
đồng pha tạp Er
3+
, Al(10) v Yb
(12,5) [2] ủ ở 950
o
C
Hình 4.9: Phổ huỳnh quang của
mẫu
SiO
2
/ZrO
2
(83/17) pha Er
3+

không có Al
3+
[3], có Al
3+
(6)
[2], v đồng pha tạp Er
3+
, Al(6)
v Yb (12,5) [1] ủ ở 850
o
C
4.5. Thời gian sống huỳnh quang của vật liệu
2 4 6 8 10 12 14 16 1820 22 24 26 28 30 3 2 34 36 38 40
0.01563
0.03125
0.0625
0.125
0.25
0.5
1
Cờng độ (Đvtđ)
Thời gian (ms)
SiO
2
/TiO
2
: Er
3+
(7.4 ms)

2468101214161820222426
0.01563
0.03125
0.06 25
0.125
0.25
0.5
1
Cờng độ (Đvtđ)
Thời gian (ms)
SiO
2
/ZrO
2
:Er
3+
(4.6ms)

Hình 4.14: Thời gian sống
huỳnh quang của SiO
2
/TiO
2
(92/08) pha Er
3+
ủ ở 880
o
C
Hình 4.15: Thời gian sống huỳnh

quang của mẫu SiO
2
/ZrO
2
(83/17) pha Er
3+
ủ ở 850
o
C
Hình 4.14 v 4.15 trình by thời gian sống của SiO
2
/TiO
2
(92/08)
pha Er
3+
ủ ở 880
o
C l 7,4 mili giây v của SiO
2
/ZrO
2
(83/17) pha Er
3+

ủ tại 850
o
C l 4,9 mili giây.
4. 6. Hiệu suất dẫn sóng quang
Độ dầy của mng SiO

2
/TiO
2
(92/08) Er
3+
(0,75 %) Al
3+
(10%)
Yb
3+
(0,825%) cha xử lý nhiệt l 585 nm. Khi ủ tại 850
o
C có độ dầy
377 nm. Tơng tự, độ dầy của mng SiO
2
/ZrO
2
(83/17) Er
3+
(0,75 %)
Al
3+
(6%) Yb
3+
(0,825 %) cha xử lý nhiệt l 1,01m. Mng ủ tại
850
o
C có độ dầy 0,721m. Kết quả đo độ dầy, chiết suất v độ tổn

20
4.3. Kết quả tính chất quang của vật liệu dẫn sóng tích cực











1450

1500












1550

1600












1650

0

2


























4

6

8

10

1

- 880C



2

-
800C




3
-
700C

4

-

70C



4



3



2



1

exc
=
972nm



T = 300 K

Cờng độ (Đvtđ)

(nm)















1450 1500 1550 1600 1650
0

2
4
6
8
10
12
14
4
3
2
1

1 850C
2 750C
3 650C
4 70C

exc
= 972 nm
T = 300 K
Cờng độ (Đvtđ)

(nm
)

Hình 4.4: Phổ huỳnh quang của
SiO
2
/TiO
2
(92/08) Er (0,75%)
Yb(0,825%) Al (10%) ở nhiệt độ ủ
khác nhau v đợc kích ở bớc
sóng 972nm

Hình 4.6: Phổ huỳnh quang của
SiO
2
/ZrO
2
(83/17) Er (0,75%)
Yb (0,825%) Al (6%) ở nhiệt độ ủ

khác nhau v đợc kích ở bớc
sóng 972nm

Hình 4.4 v 4.6 trình by phổ huỳnh quang của SiO
2
/TiO
2
(92/08)
Er (0,75%) Yb(0,825%) Al (10%) v SiO
2
/ZrO
2
(83/17) Er (0,75%)
Yb (0,825%) Al (6%) ở các nhiệt độ ủ khác nhau khi kích ở bớc sóng
972 nm. Đỉnh phát xạ mạnh tại 1530 nm l do chuyển dời
4
I
13/2

4
I
15/2


của ion Er
3+
. Độ rộng phổ > 40 nm. Nhiệt độ ủ tăng, cờng độ huỳnh
quang tăng có thể do sự giảm của nhóm OH chứa trong mẫu.
4.4. Vai trò của Al
3+

, Yb
3+
trong vật liệu
Hình 4.8 trình by phổ huỳnh quang của SiO
2
/TiO
2
(92/08) pha
Er
3+
có Al (10) [1] v đồng pha tạp Er
3+
, Al(10) v Yb (12,5) [2] ủ
950
o
C. Hình 4.9 l phổ huỳnh quang của SiO
2
/ZrO
2
(83/17) pha Er
3+

không có Al
3+
[3], có Al
3+
(6) [2] v đồng pha tạp Er
3+
, Al(6) v Yb
(12,5) [1] ủ 850

o
C. Khi đa thêm ion Al
3+
vo dạng của dải phát xạ
tơng ứng với dịch chuyển
4
I
13/2

4
I
15/2
giống nh trong mẫu không
có Al
3+
nhng vạch phát xạ chính đợc mở rộng ra v cờng độ phát
xạ tăng nhiều lần.


9
Chúng tôi tiến hnh khảo sát độ nhớt, một yếu tố quan trọng,
thể hiện mức độ thủy phân v ngng tụ sol gel, bằng máy đo độ
nhớt CT-500 cho phép đo vùng độ nhớt thấp với nồng độ chính
xác cao. Quá trình tổng hợp dịch sol v chế tạo mng đợc minh
họa theo sơ đồ 2.2.

Khối

TPOT + ACT + IPA
(ZOP + MAA + IPA)

Dung dịch
SiO
2

- TiO
2
(SiO
2

- ZrO
2
)

HCl
H
2
O
Mng
Q
ua
y

p
hủ
(
Nhún
g

p

hủ
)
Xử lý nhiệt
TEOS
IPA

Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo hệ vật liệu Silica/Titania v Silica/Zirconia
2.1.2. Phơng pháp tạo mng
Hai phơng pháp tạo mng đã đợc sử dụng: Đó l phơng pháp
quay phủ v phơng pháp nhúng phủ. Các mng đợc chế tạo bằng
phơng pháp quay phủ sử dụng thiết bị quay phủ trên hệ Spin coater
Convac với tốc độ cực đại l 6000 vòng/phút ở phòng sạch của Viện Vật
lý Công nghệ cao, Jena, Cộng hòa Liên bang Đức. Đối với các mng
đợc chế tạo bằng phơng pháp nhúng phủ sử dụng thiết bị nhúng kéo
NK-097 của Viện Khoa học Vật liệu v trên hệ Material testing machine
ZWICK 010 của Viện Vật lý Công nghệ cao, Jena, Cộng hòa Liên bang
Đức có thể thay đổi tốc độ kéo từ : 0,001 1800 mm/min.
Quá trình xử lý nhiệt đợc nghiên cứu v đã chọn phơng pháp
xử lý nhiệt nhanh, liên tục. Đây l một phơng pháp giúp cho các
mng ổn định v tránh đợc nhiều khuyết tật không mong muốn.


10
2.2. Các phơng pháp thực nghiệm xác định cấu trúc, tính chất
vật liệu dẫn sóng planar
Cấu trúc vi mô của vật liệu đợc khảo sát qua các phép phân tích
nhiệt vi sai, phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X, đo phổ hồng ngoại, tán
xạ Raman, chụp AFM
Hình thái học bề mặt (độ nhám, độ lợn sóng bề mặt v độ gồ
ghề nhẩy bậc) đo trên thiết bị Alpha-Step IQ (KLA Tenchor, USA)

l thiết bị đo độ dy mng có độ chính xác cao, theo nguyên tắc di
chuyển tỳ kim trên bề mặt.
Thiết bị prism coupler 2010 Metricon ( usa) đợc sử dụng để đo
chiết suất của vật liệu (khối v mng), đồng thời cho biết bề dầy của
mng, có thể đo tại nhiều bớc sóng lade khác nhau. Độ tổn hao của
các mẫu đợc đo bằng phơng pháp quang phổ m -line.
Tính chất huỳnh quang của vật liệu đợc thể hiện trên phổ huỳnh quang
v thời gian sống huỳnh quang. Các mẫu đợc đo trên thiết bị : TRIAX 320
(Pháp) v một số mẫu đợc đo tại Viện Vật lý Công nghệ cao, Jena (Đức)
chơng 3. cấu tạo v tính chất quang của vật liệu
mng đơn lớp v đa lớp Silica/Titania (Zirconia)
3.1. Xác định điều kiện tối u để tổng hợp dung dịch sol
SiO
2
/TiO
2
(ZrO
2
)
Các dịch đợc tạo thnh với các thnh phần SiO
2
- TiO
2
khác
nhau về tỷ lệ mol: 92/08, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25. Đối với các
dịch SiO
2
- ZrO
2
, thnh phần về tỷ lệ mol khác nhau l: 90/10, 85/15,

80/20, 92/08Sản phẩm thu đợc l dung dịch trong suốt, đồng nhất.
Bảng 3.1 l danh sách một số mẫu SiO
2
/TiO
2
v SiO
2
/ZrO
2
với
các thnh phần mol khác nhau đã đợc chế tạo dùng để nghiên cứu
các tính chất.


19
với yêu cầu chế tạo vật liệu dẫn sóng quang sử dụng trong các linh kiện
quang tử planar, nhằm ứng dụng trong công nghệ thông tin.
Chơng 4. tổng hợp, cấu trúc v tính chất phát
Quang của vật liệu dẫn sóng Silica/Titania v
Silica/Zirconia pha tạp ion đất hiếm (Er
3+
)
4.1. Giới thiệu
Dựa trên kết quả thực nghiệm chế tạo vật liệu đã trình by ở chơng
III, chúng tôi thấy hai hệ vật liệu SiO
2
/TiO
2
(92/08) v SiO
2

/ZrO
2
(83/17)
đã thỏa mãn yêu cầu cơ bản của vật liệu dẫn sóng planar nền. Vì vậy
chúng đã đợc chọn để nghiên cứu pha tạp ion Erbi với các nồng độ
khác nhau, kết hợp tối u hóa phơng pháp chế tạo, nhằm thu đợc vật
liệu dẫn sóng phát quang (tích cực) ở vùng hồng ngoại 1500nm.
4.2. Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu

Đã nghiên cứu
quy trình chế tạo
vật liệu SiO
2
/TiO
2
v SiO
2
/ZrO
2
pha
đất hiếm Er
3+
với
các nồng độ Al
3+
,
Yb
3+
khác nhau,
quy trình chế tạo

đợc minh họa rõ
trên hình 4.1.
Hình 4.1 : Sơ đồ chế tạo vật liệu SiO
2
/TiO
2
(
SiO
2
/ZrO
2
) pha ion đất hiếm

Al
3+
+ IPA


TPOT + ACT + IPA


(ZOP + MAA + IPA)


Dung dịch

SiO
2

-

TiO
2
(SiO
2

-
ZrO
2
)



-

HCl

H
2
O

Er
3+
+ IPA

Yb
3+
+ IPA


Dung dịch

SiO
2

-
TiO
2
(SiO
2

-
ZrO
2
)

pha Al
3+
, Yb
3+
v Er
3+


IPA

Xử lý nhiệt

Tạo mng

TEOS

18
Độ nhám bề mặt




Hình 3.36: ảnh AFM của mng
Silica/Titania (92/08) ủ ở 880
o
C
Hình 3.37: ảnh AFM của mng
Silica/Zirconia (83/17) ủ ở 850
o
C
Hình 3.36 v 3.37 l kết quả AFM của mẫu SiO
2
/TiO
2
(92/08) v
SiO
2
/ZrO
2
(83/17). Với các thông số về độ nhám của các mng (bảng
B) cho thấy độ mấp mô bề mặt của mng chế tạo đợc đã đáp ứng
yêu cầu chế tạo cấu trúc dẫn sóng quang chất lợng cao.
Bảng B: Độ nhám của các mng SiO

2
/TiO
2
(92/08) ủ ở nhiệt độ 880
o
C
v SiO
2
/ZrO
2
(83/17) ủ ở nhiệt độ 850
o
C
Độ nhám bề mặt () Silica/Titania (92/08) Silica/Zirconia (83/17)
Độ nhám trung bình
0,99

1,07
Độ nhám trung bình bình phơng
1,30 1,41
Bề mặt của mng SiO
2
/TiO
2
(92/08) với 20 lớp có độ gồ ghề
trung bình (Ra) l 1,05 nm, độ gồ ghề trung bình bình phơng (Rq)
l 1,30 nm, độ dầy đo đợc l 1,36 m v chiết suất l 1,50. Độ tổn
hao của mng l 2,55 dB/cm tại bớc sóng 632,8 nm theo phơng
pháp tiếp xúc lăng kính trên hệ máy : Prism coupler 2010, Metricon
(USA).

Đối với mng SiO
2
/ZrO
2
(83/17) chúng tôi trải đến 50 lớp có độ
dầy l 1,46 m v chiết suất l 1,52 khi đo ở bớc sóng 632,8 nm độ
tổn hao quang học l 1,70 dB/cm tại bớc sóng 532 nm; ở bớc sóng
632,8 nm, có độ tổn hao quang học l 2,24 dB/cm. Từ kết quả độ dầy,
chiết suất v độ tổn hao nh trên, chúng tôi thấy hệ vật liệu trên phù hợp


11
Để hạn chế sự kết tinh của Ti (Zr) chúng tôi tiến hnh pha thêm
nhôm. Chúng tôi đã khảo sát các chế độ thực nghiệm v thay đổi tỷ lệ
dung môi, cuối cùng đã chọn đợc quy trình chế tạo khi pha nhôm
thích hợp.
Bảng 3.1:Danh sách một số mẫu SiO
2
/TiO
2
(ZrO
2
) với các thnh
phần Titania (Zirconia) khác nhau
STT Tên mẫu vật liệu Tỉ lệ mol
TEOS/ TPOT
Nhiệt độ ủ
(
o
C)

1 SiO
2
/TiO
2
(92/08) 92:08 70-1000
2 SiO
2
/TiO
2
(90/10) 90:10 -nt-
3 SiO
2
/TiO
2
(85/15) 85:15 -nt-
4 SiO
2
/TiO
2
(80/20) 80: 20 -nt-
5 SiO
2
/TiO
2
(75/25) 75: 25 -nt-
Tỉ lệ mol
TEOS/ ZOP

1 SiO
2

/ZrO
2
(90/10) 90:10 -nt-
2 SiO
2
/ZrO
2
(85/15) 85:15 -nt-
3 SiO
2
/ZrO
2
(83/17) 83:17 -nt-
4 SiO
2
/ZrO
2
(80/20) 80: 20 -nt-
5 SiO
2
/ZrO
2
(75/25) 75: 25 -nt-
3.2. Kết quả nghiên cứu tính chất của vật liệu
Phân tích nhiệt

Hình 3.2 trình by giản đồ DTA của mẫu SiO
2
/TiO
2

(92/08) có sự
thu nhiệt tại 120
o
C l do sự bay hơi của các dung môi nh ancol v
đặc biệt l nớc trong các lỗ vi xốp của mng gel. Tại nhiệt độ 318
o
C
xuất hiện hiệu ứng thu nhiệt l do sự mất nớc cấu trúc trên bề mặt
của Silica ngậm nớc v do các chất hữu cơ bị đốt cháy; 347
o
C có sự
tỏa nhiệt l do một số tạp chất hữu cơ bị đốt cháy. Hình 3.3 trình by


12
giản đồ TGA của mẫu SiO
2
/TiO
2
(92/08) có 2 vùng nhiệt độ có sự
giảm khối lợng: Vùng khối lợng giảm nhanh từ nhiệt độ phòng đến
200
o
C, sau đó giảm chậm từ 200
o
C đến 600
o
C v ổn định. Nhìn
chung, sự hao hụt về khối lợng của mẫu SiO
2

/TiO
2
(92/08) nhiệt độ
ở hai vùng

đều tăng, nhng ở nhiệt độ gần 600
o
C trở lên ít dần v
không đổi. Qua kết quả DTA v TGA nhận thấy ở nhiệt độ khoảng
700
o
C mng trở nên đặc chắc, có xu hớng ổn định.
0 200 400 600 800 1000
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
120
o
C
318
o
C
347
o

C
DTA
Nhiệt độ (
o
C)
92SiO
2
/08TiO
2

Hình 3.2: Giản đồ DTA của
SiO
2
/TiO
2
(92/08)
0 200 400 600 800 1000
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
Sự hao hụt khối lợng (%)
Nhiệt độ (
o

C)
92SiO
2
/08TiO
2
Hình 3.3: Giản đồ TGA của
SiO
2
/TiO
2
(92/08)
Kết quả cho thấy sự có mặt của nhôm lm tăng độ đặc chắc của
vật liệu v xúc tiến quá trình phân huỷ của các nhóm OH v hữu cơ.
Khi thêm nhôm, ở khoảng 200
o
C có sự phân huỷ nhôm nitrát thể hiện
ở các đỉnh toả nhiệt. Nhiệt độ đặc chắc của hệ SiO
2
/TiO
2
l 800
o
C,
khi có nhôm giảm xuống còn khoảng 600
o
C. Tơng tự hệ SiO
2
/ TiO
2
,

đối với hệ SiO
2
/ZrO
2
, khảo sát DTA v TGA của SiO
2
/ZrO
2
(83/17),
chúng tôi nhận thấy: Nhiệt độ đặc chắc của hệ SiO
2
/ZrO
2
l 900
o
C,
khi có nhôm giảm xuống hơn 500
o
C. So sánh với hệ SiO
2
/TiO
2
, nhiệt
độ đặc chắc của hệ SiO
2
/ZrO
2
thấp hơn nhiệt độ đặc chắc của hệ
SiO
2

/TiO
2
.


17
vậy l do ở nhiệt độ cao, các dung môi v nớc sẽ mất đi, các chất hữu cơ
tồn tại trong mẫu bị đốt cháy v lm cho mng đặc chắc hơn. Chính vì vậy
mng sẽ mỏng hơn v chiết suất cao hơn khi nhiệt độ ủ tăng.
Độ dầy v chiết suất của mng mỏng SiO
2
/TiO
2

Độ dầy v chiết suất của mng SiO
2
-TiO
2
với các thnh phần
khác nhau phụ thuộc vo điều kiện ủ v hm lợng Titan. Giá trị
chiết suất của SiO
2
l

1,46 v của TiO
2
l 2,2. Sử dụng phơng
pháp quay phủ chế tạo đợc các mng(X) SiO
2
/ (1-X) TiO

2
. Bằng
điều kiện ủ nhiệt, tăng các hm lợng Titan có thể thu đợc các mng
mỏng mong muốn v các hệ vật liệu có chiết suất, độ dầy điều chỉnh
đợc. Các mng có độ dầy từ 100 - 200 nm, chiết suất có thể điều
chỉnh chính xác trong khoảng chiết suất l 1,46 - 1,62.
Độ dầy, chiết suất của mng mỏng SiO
2
/ZrO
2

Tơng tự nh hệ (X) SiO
2
/(1-X) TiO
2
, chúng tôi cũng xây dựng
một bộ thông số độ dầy, chiết suất của hệ (X) SiO
2
/(1-X) ZrO
2
. Qua
đó chúng ta có thể điều chỉnh đợc độ dầy, chiết suất theo mong
muốn. Đặc biệt đối với mẫu SiO
2
/ZrO
2
(83/17) độ dầy, chiết suất điều
chỉnh đợc ở các nhiệt độ khác nhau v đợc trình bầy trên bảng A.
Bảng A: Độ dầy, chiết suất của mng
SiO

2
/ZrO
2
(83/17) ở các nhiệt độ khác nhau
STT Nhiệt độ xử lý
(
o
C)
Độ dầy
(nm)
Chiết
suất
1 500 459,30 1,500
2 700 430,00 1,510
3 850 376,50 1,520
Đối với hệ mng (X) SiO
2

/(1-X) ZrO
2
chúng tôi đã
khống chế đợc các mng
có độ dầy từ 300-500 nm,
chiết suất từ 1,46 đến 1,55
bằng công nghệ nhúng phủ.


16
v SiO
2

/ZrO
2
(83/17) ở nhiệt độ ủ 850
o
C thấy có sự hình thnh rõ rệt
của các liên kết; liên kết Ti-O, Si-O-

Ti
4+
đợc hình thnh đối với hệ
SiO
2
/TiO
2
v liên kết Zr-O, Si-O-Zr
4+
đối với hệ SiO
2
/ZrO
2
.
Phổ hấp thụ hồng ngoại
Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR đã đợc khảo sát trên hệ SiO
2
/TiO
2

(92/08) ủ ở các nhiệt độ ủ khác nhau từ nhiệt độ phòng đến 880
o
C v

SiO
2
/ZrO
2
(83/17) ủ đến 850
0
C. Kết hợp kết quả nghiên cứu cho thấy
vật liệu bền vững v ổn định trong khoảng nhiệt độ từ 700
o
C trở lên.
Độ nhớt của dung dịch
Độ nhớt của dung dịch sau khi tổng hợp cũng đã đợc khảo sát. Với
dung dịch chỉ có SiO
2
độ nhớt của dung dịch l 3,157 cSt, nhng tổ hợp
với Titan hay Zirconi các dung dịch SiO
2
/TiO
2
v SiO
2
/ZrO
2
có độ nhớt
cao hơn, cụ thể độ nhớt của dung dịch SiO
2
/TiO
2
l 3,505 cSt v của
SiO

2
/ZrO
2
l 5,601 cSt. So sánh 2 hệ SiO
2
/TiO
2
v SiO
2
/ZrO
2
chúng tôi
nhận thấy độ nhớt của SiO
2
/ZrO
2
luôn cao hơn. Có thể nhận thấy rằng các
phân tử lớn hình thnh sau quá trình thủy phân v ngng tụ đã lm tăng độ
nhớt của dung dịch sol - gel. Chúng tôi cũng đo độ nhớt của các dung dịch
theo thời gian lu khác nhau v nhận thấy thời gian lu cng lâu thì độ
nhớt của dung dịch cng tăng v dung dịch có thể ổn định trong vi tuần.
3.4. ảnh hởng của điều kiện chế tạo đến độ dầy v chiết suất
của mng mỏng sol gel.
Sau khi khảo sát ảnh hởng của tốc độ quay trong kỹ thuật quay phủ
(spin - coating), tốc độ nhúng trong kỹ thuật nhúng phủ (dip - coating), số
lớp nhúng tới độ dầy mng. Chúng tôi thấy khi tốc độ quay tăng thì độ dầy
của mng giảm, tốc độ nhúng cng lớn thì mng cng dầy. Đối với mng
đa lớp, khi tăng số lớp nhúng, độ dầy của mng tăng. Ngoi ra, khi tăng
nhiệt độ ủ thì chiết suất của mng tăng, độ dầy của mng giảm. Sở dĩ nh

13
Phân tích cấu trúc tinh thể
TiO
2
có cấu trúc tinh thể dạng : Rutile, Anatase v Brookite. Nhìn
trên giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu TiO
2
ở nhiệt độ xử lý 700
o
C
(Hình 3. 11) có sự hình thnh rất rõ rng của cả hai pha Anatas v
Rutile. Trong khi đó mẫu SiO
2
/TiO
2
(92/08) xử lý nhiệt tại 700
o
C
(Hình 3.12) không xuất hiện các vạch đặc trng của tinh thể TiO
2

điều ny có thể giải thích rằng với hm lợng SiO
2
/TiO
2
(92/08),
TiO
2
không bị phân pha trên nền SiO

2
vô định hình.

2

Hình 3.11: Giản đồ nhiễu xạ tia
X của TiO
2
xử lý ở 700
o
C
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
0
5
10
15
20
25
SiO
2
/TiO
2
700
o
C
Cờng độ (Cps)
2

Hình 3.12: Giản đồ nhiễu xạ
tia X của SiO

2
/TiO
2
(92/08) xử
lý ở 700
o
C
20 30 40 50 60 70
0
5
10
15
20
25
SiO
2
/TiO
2
880
o
C
Cờng độ (Cps)
2


Hình 3. 13: Giản đồ nhiễu xạ
tia X của SiO
2
/TiO
2

(92/08) xử
lý ở 880
o
C
20 30 40 50 60 70
0
5
10
15
20
25
37.9
63.0
43.9
57
54.6
25.34
SiO
2
/TiO
2
1000
o
C
Cờng độ (Cps)
2
Hình 3. 14: Giản đồ nhiễu xạ
tia X của SiO
2
/TiO

2
(92/08)
xử lý ở 1000
o
C
Sự có mặt của SiO
2
đã kìm hãm sự xuất hiện của các vi tinh thể
Cờng độ (Cps)
R
R
R
A
A
A
A
A: Anatase
R: Rutile


14
TiO
2
. Khi tăng nhiệt độ ủ của mẫu đến 880
o
C, 1000
o
C (Hình 3.13 v
3.14), chúng tôi nhận thấy ở nhiệt độ 1000
o

C xuất hiện các vi tinh thể
ứng với các đỉnh tại góc nhiễu xạ 25,34
o
; 37,90
o
; 43,90
o
; 54,60
o
;
57,00
o
v 63,00
o
. Hình 3.17 trình by giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu
ZrO
2
xử lý ở 700
o
C xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ tơng ứng với góc 2
l 30,50
o
v 50,80
o
đặc trng cho tinh thể lập phơng ZrO
2
. Đối với
mẫu SiO
2
/ZrO

2
(83/17) ở nhiệt độ xử lý 700
o
C (Hình 3.18 ) mẫu hầu
nh ở trạng thái vô định hình. Khi nhiệt độ xử lý tăng đến 850
o
C
(Hình 3.19 ) cờng độ các đỉnh nhiễu xạ mạnh dần lên song với tốc
độ chậm hơn so với sự phát triển tinh thể ở mẫu ZrO
2
. Nh vậy, trên
nền Silica, do tính mất trật tự cao, một mặt kìm hãm sự ra đời của các
vi tinh thể của ZrO
2
ở nhiệt độ thấp, mặt khác lại tạo điều kiện hình
thnh đồng thời các cấu trúc tinh thể lập phơng, trực giao v đơn t
song tất cả đều ở hm lợng rất thấp. Đối với giản đồ nhiễu xạ tia X
của mẫu SiO
2
/ZrO
2
(83/17) xử lý ở 1000
o
C (Hình 3.20) xuất hiện các vi
tinh thể ZrO
2
.

2
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

0
5
10
15
20
25
SiO
2
/ZrO
2
700
o
C
Cờng độ (Cps)
2


Hình 3.17: Giản đồ nhiễu xạ
tia X của ZrO
2
xử lý ở 700
o
C
Hình 3.18: Giản đồ nhiễu xạ
tia X của SiO
2
/ZrO
2
(83/17) xử
lý ở 700

o
C

Cờn
g
đ
ộ

(
C
p
s
)



15
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
0
5
10
15
20
25
SiO
2
/ZrO
2
850
o

C
Cờng độ (Cps)
2


Hình 3.19: Giản đồ nhiễu xạ tia
X của SiO
2
/ZrO
2
(83/17) xử lý ở
850
o
C
20 30 40 50 60 70
0
5
10
15
20
25
50.2
60
30
SiO
2
/ZrO
2
1000
o

C
Cờng độ (Cps)
2


Hình 3.20: Giản đồ nhiễu xạ
tia X của SiO
2
/ZrO
2
(83/17) xử
lý ở 1000
o
C
2018
1614
12
3+
SiO - TiO / Al
22
0. 00
44
4240383634323028262422
Cờng độ ( Cps )
800.00
600. 00
400.00
200.00

2

Si O - ZrO /A l
2
3+
2
25 70
65
35 40
45
50
55
6030
0. 00
200. 00
800. 00
400. 00
600. 00
1000. 00
C
ờng độ
(

C
ps
)

Hình 3.21: Giản đồ nhiễu xạ tia X
của SiO
2
/TiO
2

(92/08) pha Al
3+

(6%) xử lý ở 880
o
C
Hình 3.22: Giản đồ nhiễu xạ tia
X của SiO
2
/ZrO
2
(83/17) pha
Al
3+
(10%) xử lý ở 850
o
C
Chúng tôi pha nhôm vo trong hệ để tăng độ đồng nhất của vật
liệu, kết quả cho thấy ở 800-900
o
C hệ vật liệu vẫn ở trạng thái vô
định hình. Đặc biệt, đã tìm thấy từ kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ
tia X của 2 hệ SiO
2
/TiO
2
(tỷ lệ 92/08) v SiO
2
/ZrO
2

(tỷ lệ 83/17) khi
pha thêm một lợng nhôm (Al
3+
) không lớn vẫn giữ đợc trạng thái
vô định hình, độ đồng nhất cao, mặc dù xử lý ở nhiệt độ gần 900
o
C.
Các hình 3.21 v 3.22 khẳng định nhận định trên. Tóm lại, biện pháp
pha nhôm có tác dụng kép vừa lm giảm nhiệt độ đặc chắc của vật
liệu v vừa lm giảm sự tinh thể hoá của Ti, Zr.
Nghiên cứu dựa trên phổ tán xạ Raman
Qua phổ tán xạ Raman của SiO
2
/TiO
2
(92/08) ở nhiệt độ ủ 880
o
C