nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên màng silic xốp đa lớp và ứng dụng là cảm biến hóa sinh

Mở đầu
Vào cuối những năm 40 và đầu những năm 60 của thế kỷ 20 vật lý học đã có hai
đóng góp to lớn cho công nghệ - đó là tranzito và laser. Tranzito đã kích thích sự phát
triển của ngành điện tử (electronics), một lĩnh vực liên quan đến sự tương tác giữa các
electron và vật chất. Còn các laser mở đường vào một lĩnh vực mới gọi là quang tử
(photonics) liên quan đến sự tương tác giữa các photon và vật chất. Cấu tạo chung của
một laser gồm buồng cộng hưởng, nguồn bơm và môi trường khuếch đại. Trong đó buồng
cộng hưởng có ảnh hưởng trực tiếp tới công suất, các tính chất phổ của bức xạ laser và
đặc biệt ảnh hưởng lên các tính chất của bức xạ laser tạo ra những trạng thái phân bố xác
định của trường. Buồng cộng hưởng có nhiệm vụ chủ yếu là giam giữ năng lượng của
sóng điện từ trong buồng và lọc lựa bước sóng. Vì vậy, trong buồng cộng hưởng cần phải
tạo ra các trạng thái dừng. Muốn buồng cộng hưởng có thể tạo ra các cấu hình dừng của
trường thì chúng ta phải tử một sự phân bố ban đầu của trường trên một trong các gương ,
sử dụng các định luật nhiễu xạ để biến đổi và vận chuyển chúng suốt chiều dài của buồng.
Sau khi phản xạ và trở về gương gốc ban đầu chúng ta phải tìm lại một sự phân bố của
trường giống như phân bố khi xuất phát về biên độ cũng như về pha (sai khác một số
nguyên lần 2π). Dạng trường này rất đặc biệt được gọi là mode riêng của buồng cộng
hưởng .
Trong buồng cộng hưởng quang dựa trên các màng đa lớp thì các mode trong buồng
cộng hưởng phụ thuộc vào chiều dày và chiết suất của các của các lớp điện môi tạo nên
nó. Sự thay đổi mode trong buồng cộng hưởng đã mở ra một hướng nghiên cứu mới về
ứng dụng của buồng cộng hưởng. Đó chính là dựa vào sự thay đổi các mode riêng trong
buồng cộng hưởng phụ thuộc vào sự thay đổi chiết suất chúng ta có thể áp dụng vào việc
chế tạo các cảm biến quang .
Hiện nay cảm biến quang cũng là một trong những ứng dụng khá quan trọng trong
đời sống, nó có thể xác định được các loại chất và nồng độ của chúng thông qua sự thay
đổi nhỏ của chiết xuất. Các cảm biến quang đang trên đà phát triển và thể hiện những ưu
điểm vượt trội như:Kích thước nhỏ ,khối lượng nhẹ, độ nhạy cao, ít bị ảnh hưởng bởi
nhiễu xạ từ trường, và có độ bền cao trong các môi trường khắc nhiệt. Do đó nhiều cảm
1
biến quang có khả năng thay thế các cảm biến truyền thống trong các ứng dụng đo thông

số vật lý, hóa học hay sinh học.
Với sự phát triển của công nghệ quang tử thì việc chế tạo một buồng vi cộng hưởng
với một qui trình chế tạo đơn giản và đem lại hiệu quả cao đã được thực hiện ở nhiều
nước. Cùng với công nghệ điện hóa thì chúng ta có thể chế tạo được những tấm gương
phản xạ bragg trên silic xốp với độ phản xạ cao một cách dễ dàng có các tính chất như
tinh thể quang tử.
Tinh thể quang tử là cấu trúc không gian tuần hoàn của các vật liệu điện môi có chiết
xuất khác nhau. Sự biến đổi tuần hoàn của hằng số điện môi làm xuất hiện vùng cấm trong
cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể quang tử - vùng cấm quang (Photonic band gap-
PBG).Tinh thể quang tử cấm hoàn toàn các bước sóng điện từ có bước sóng trong PBG
lan truyền qua nó không phụ thuộc vào sự phân cực. Trong tinh thể quang tử, thì tinh thể
quang tử một chiều là đơn giản nhất. Tuy nhiên nó lại dễ chế tạo và việc áp dụng vào
trong buồng vi cộng hưởng là rất phù hợp. Từ những lý do nêu ở trên và các hướng phát
triển hiện nay của ngành công nghệ quang tử nên tôi đã chọn đề tài :
“Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng
dựa trên màng silic xốp đa lớp và ứng dụng là cảm biến hóa sinh ”.
2
Chương 1: Buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều làm
bằng silic xốp và cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hưởng
Trong chương này, phần đầu trình bày cấu trúc, đặc trưng của buồng vi cộng hưởng
có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều và các cơ sở cho việc chế tạo buồng vi cộng
hưởng dựa trên màng silic xốp đa lớp bằng công nghệ điện hóa phiến silic. Phần cuối của
chương dành cho việc trình bày nguyên lý, các đặc tính của cảm biến sinh hóa dựa trên
buồng vi cộng hưởng làm bằng silic xốp và các cơ sở lý thuyết mô phỏng về buồng vi
cộng hưởng.
1.1. Buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều
1.1.1. Cấu tạo của buồng vi cộng hưởng
Buồng cộng hưởng là một trong ba bộ phận quan trọng cấu thành laser. Đó là nơi
chọn lọc, giam giữ sóng điện từ. Trong một laser nói chung, buồng cộng hưởng là hai
gương phẳng có hệ số phản xạ rất cao đối với bước sóng thiết kế cho laser được bố trí

cách nhau bởi một khoảng cách nhất định. Với laser có cấu trúc tinh thể quang tử một
chiều, buồng vi cộng hưởng gồm 2 tấm gương phản xạ Bragg (DBR) nằm đối xứng với
nhau qua lớp không gian. Cấu trúc của buồng vi cộng hưởng được trình bày trên hình 1.1
trong đó DBR
1
và DBR
2
là các gương Bragg phần tư bước sóng. Cả hai thành phần gương
Bragg và lớp không gian đều ảnh hưởng mạnh tới đặc tính của buồng cộng hưởng và dưới
đây chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết các thành phần này.
Hình1.1. Cấu tạo của buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều.
Chiết suất của lớp không gian là n
s
và bề dày của lớp này là d
s
. Lớp không gian được đưa
vào giữa hai DBR đối xứng với chiết suất của các lớp là n
H
, n
L
và bề dày d
H,
d
L.
3
1.1.1.1. Gương phản xạ Bragg
Gương phản xạ Bragg là một màng gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa trên hiện
tượng nhiễu xạ Bragg của một chùm ánh sáng sau khi phản xạ tại mặt phân cách giữa các
lớp điện môi. Mô hình đơn giản của hiện tượng nhiễu xạ được trình bày trong hình 1.2[1]
[7], trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp gồm hai lớp có

chiết suất n
1
và n
2
khác nhau tương ứng với độ dày d
1
, d
2
. Khi màng mỏng được chiếu
sáng, quá trình phản xạ sẽ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp vật liệu với chiết suất khác
nhau. Trong trường hợp màng chỉ gồm một lớp điện môi trên đế, tia phản xạ là kết quả
của sự giao thoa của hai tia: một tia phản xạ ở mặt trên của màng mỏng (mặt phân cách
giữa màng mỏng và không khí) và một tia phản xạ ở mặt dưới của màng mỏng (mặt phân
cách giữa màng mỏng và đế ). Trong trường hợp của màng đa lớp, tia phản xạ là kết quả
của sự giao thoa của các tia phản xạ tại các mặt phân cách. Bằng cách lựa chọn thích hợp
giá trị của chiết suất và độ dày các lớp, chúng ta có thể tạo ra phổ phản xạ khác nhau.
Hình 1.2. (a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp và (b)
trong trường hợp màng đa lớp
Gương phản xạ Bragg là cấu trúc nhiều lớp được hình thành bởi sự lặp đi lặp lại tuần
hoàn của một cặp gồm hai lớp điện môi có chiết suất khác nhau n
H
và n
L
có độ dày tương
4
ứng h
H
và h
L
. Gương điện môi được sử dụng nhiều nhất là gương phản xạ Bragg (DBR)

phần tư bước sóng. Đó là loại gương phản xạ Bragg có độ dài quang học của các lớp là
n
H
.h
H
=n
L
h
L
=λ/4 và chu kỳ của cấu trúc là Λ=h
H
+h
L
. Sơ đồ cấu trúc của một DBR được
trình bày như hình 1.3
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, n
i
và h
i
là chiết suất và bề dày
tưong ứng của lớp i, N là số chu kỳ.
Trong phần giải thích quá trình hình thành silic xốp, chúng tôi sẽ chứng tỏ rằng silic
xốp là vật liệu thích hợp cho việc chế tạo màng đa lớp bởi vì chiết suất và chiều dày của
mỗi lớp xốp có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi các thông số điện hóa trong quá
trình chế tạo.
Nếu chiều dày quang học và chiết suất của mỗi lớp được thiết kế một cách chính xác,
thì ánh sáng với những bước sóng nhất định bị phản xạ ở mỗi bề mặt phân cách sẽ giao
thoa có cấu trúc. Trong trường hợp này, điều kiện phản xạ Bragg đã chỉ ra ở phương trình
1.1:
m.λ = 2n.d.sinθ (1.1)

Trong đó: m là số nguyên, λ là bước sóng của ánh sáng tới, d là chiều dày của một
lớp, và θ là góc tới đối với bề mặt thỏa mãn và một gương đa lớp có thể được tạo ra
(nghĩa là cấu trúc có vùng cấm quang một chiều).
Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng: khi xảy ra hiện tượng phản xạ tại bề mặt một gương
thì dao động trong ánh sáng tới và dao động trong ánh sáng phản xạ ngược pha với nhau.
Nói cách khác, ta có thể cho rằng sau khi phản xạ thì pha dao động của sóng ánh sáng sẽ
đổi dấu hoặc pha đó đã biến thiên một lượng là
k
π
. Sự biến thiên của pha một lượng là
5
k
π
sẽ hoàn toàn tương đương với sự biến thiên của quang trình một lượng là
(2 1)
2
k
λ
+
.
Như vậy, khi phản xạ thì quang trình của tia sáng sẽ thay đổi một lượng là
(2 1)
2
k
λ
+
với
k là một số nguyên dương, âm hay bằng 0 (để cho tiện ta chọn k =0). Do đó, khi phản xạ
trên gương (hay khi tia sáng phản xạ từ môi trường chiết suất thấp hơn sang môi trường
chiết cao hơn), quang trình của tia sáng sẽ tăng thêm

2
λ
.Từ đó, hiệu quang trình sẽ là:
2 sin
2
nd
λ
θ
+
. Công thức 1.1 được viết lại là:
2 sin
2
nd m
λ
θ λ
+ =
(1.2)
Do đó, hai tia đầu tiên được phản xạ trong một pha và sẽ giao thoa kết hợp. Khi
nghiên cứu với
0
90 ; 1m
θ
= =
thì điều kiện phản xạ Bragg trở thành:

4
nd
λ
=
(1.3)

Điều kiện này áp dụng cho tinh thể quang tử một chiều với cấu trúc tuần hoàn của các
lớp điện môi có chiết suất cao và thấp sắp xếp xen kẽ nhau. Đây là công thức chính chúng
tôi sử dụng để tính toán và chế tạo gương Bragg có đỉnh phản xạ tại các bước sóng khác
nhau theo mong muốn.
6
Hình 1.4. Phổ phản xạ điển hình của gương phản xạ Bragg
Phổ phản xạ của gương Bragg dựa trên nguyên lý giao thoa có thể được tính toán
bằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp ma trận truyền (TMM) được chúng tôi sử
dụng sẽ được trình bày chi tiết trong phần cuối của chương. Hình 1.4 trình bày phổ phản
xạ của một gương phản xạ Bragg , trong đó bước sóng thỏa mãn phương trình (1.3) nằm ở
trung tâm của cực đại phổ và thường gọi là bước sóng cộng hưởng.
1.1.1.2. Lớp không gian
Lớp không gian lớp có độ dày quang học bằng nửa bước sóng hoặc đúng bằng chiều
dài bước sóng, được đưa vào giữa các lớp điện môi của gương Bragg nhằm phá vỡ tính
tuần hoàn về hằng số điện môi trong các gương Bragg, được xem là một sai hỏng trong
tinh thể quang tử. Chiết suất của lớp không gian có thể giống hoặc khác so với chiết xuất
của các lớp lớp điện môi trong gương Bragg.
1.1.2. Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng
Giống như tính tuần hoàn của trường thế trong tinh thể điện tử làm nảy sinh ra vùng
cấm năng lượng, tính trúc tuần hoàn của hàm điện môi trong tinh thể quang tử làm xuất
hiện vùng cấm quang mà thể hiện trên phổ truyền qua là một dải bước sóng với độ phản
xạ rất cao như trên hình 1.4. Lớp không gian trong buồng vi cộng hưởng được xem như là
một sai hỏng của tính tuần hoàn của hàm điện môi trong tinh thể quang tử. Điều này
tương ứng với trạng thái cho phép trong vùng cấn quang mà thể hiện trên phổ truyền qua
7
Hình 1.4. Phổ phản của buồng vi cộng hưởng với số chu ki N=6,chiều dày
các lớp d1=57.14nm,d2=95.24nm,n1=2.8133,n2=1.6878.
là một khe hẹp với độ truyền qua đột ngột giảm xuống rất thấp như có thể thấy trên hình
1.4. Bước sóng tương ứng với trạng thái cho phép trong vùng cấm quang này được gọi là
bước sóng cộng hưởng của buồng vi công hưởng. Bước sóng cộng hưởng rất nhạy với

những thay đổi của độ dày quang học và chiết suất của lớp không gian như sẽ được làm
sáng tỏ bằng những kết quả mô phỏng trong chương 3.
1.2. Cơ sở quá trình chế tạo buồng vi cộng hưởng quang trên màng silic xốp
Hiện nay phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D dựa trên màng silic xốp đa lớp
chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa đang rất được quan tâm do có thể điều khiển
tương đối chính xác chiết xuất và độ dày các lớp, từ đó tạo ra được tinh thể quang tử như
ý muốn, bằng cách tạo ra các khuyết tật trong tinh thể để tạo ra các buồng vi cộng hưởng,
tạo tiền đề cho phát triển laser và cảm biến hóa sinh…Dưới đây là cơ sở của quá trình ăn
mòn điện hóa cũng như thông số đặc trưng ảnh hưởng tới sự hình thành[4] .
1.2.1. Quá trình ăn mòn điện hóa phiến silic xốp
Từ những nghiên cứu đầu tiên của Uhlir và Turner, và của Canham sau này, silic
xốp nhận được chủ yếu bằng việc điện hóa phiến silic trong các dung dịch có chứa HF.
Hình 1.5.Sơ đồ của hệ thống điện hóa silic
Một sơ đồ đơn giản của một hệ điện hóa silic xốp được trình bày trên hình 1.8. Bề mặt
của một phiến silic đã có tiếp xúc Ohmic ở mặt sau được đặt tiếp xúc với dung dịch có
chứa HF. Sau khi áp đặt một điện thế (có chiều thích hợp ) giữa mặt tiếp xúc phía sau của
phiến silic và một điện cực (thường là Pt) được đặt trong dung dịch HF, quá trình hình
thành lỗ xốp được bắt đầu bằng việc hòa tan silic trong dung dịch HF dưới tác dụng của
mật độ dòng áp dụng, khi đó những thông số cơ bản nhất định mới được thiết lập một
cách chính xác .
8
Cả silic loại n và p đều ổn định dưới chế độ phân cực ca-tốt. Phản ứng quan trọng ở
chế độ phân cực ca-tốt là việc tạo ra nước ở mặt phân cách Si/HF cùng với việc tạo thành
khí hydro một cách đồng thời. Phản ứng này chỉ xảy ra ở thế phân cực ca-tốt cao.
Sự hòa tan silic chỉ xảy ra dưới chế độ phân cực a-nốt. Ở thế phân cực a-nốt cao, bề
mặt silic sẽ được đánh bóng. Ngược lại, ở thế phân cực thấp, hình thái học bề mặt chủ yếu
là các lỗ xốp có dạng như các kênh ăn sâu vào khối silic với mật độ cao .
Việc tạo ra lỗ xốp chỉ xảy ra tại các giá trị điện thế thấp hơn giá trị điện thế ngưỡng
ứng với cực đại đầu tiên của mật độ dòng trong đường cong I-V.Dòng cực đại này gọi là
dòng đánh bong điện cực J

ps
.
Hình 1.6.Đặc trưng I-V đối với silic pha tạp loại n và p trong dung dịch HF
9
J
ps
Những giá trị định lượng của đường cong I-V cũng như giá trị tương ứng với cực
đại đánh bong điện cực phụ thuộc vào những thông số ăn mòn và loại pha tạp cũng như
nông độ pha tạp của phiến silic. Đối với loại n, biểu hiện I-V của loại pha tạp này chỉ có
thể quan sát được dưới điều kiện chiếu sáng bởi vì sự tham gia của lỗ trống là cần thiết
cho phản ứng ăn mòn.
1.2.2. Hóa học của quá trình hình thành silic xốp
Để tạo ra silic xốp, dòng điện ở phía silic bề mặt phân cách SI/HF cần phải mang
lỗ trống, khi đó chúng được tiêm vào theo chiều từ khối silic đến bề mặt tiếp giáp. Mật độ
dòng cần phải được giữ giữa giá trị 0 và giá trị ngưỡng đánh bong điện cực J
PS
. Nhằm đạt
được dòng lỗ trống có giá trị đáng trong silic loại n , sự chiếu sáng từ bên ngoài vào mẫu
là cần thiết và điều này cũng phụ thuộc vào mức độ pha tập của đế silic. Nếu vượt qua
mức đánh bong điện cực, quá trình a-nốt hóa sẽ dẫn đến ăn mòn hoàn toàn bề mặt của
silic.
Phản ứng a-nốt hóa cho quá trình tạo silic xốp:
Si + 2HF  SiF
2
+ 2H
+
(1.4)
SiF
2
+ 2HF  SiF

4
+ H
2
(1.5)
SiF
4
+ 2HF  H
2
SiF
6
(1.6)
Phương trình tổng quát :
Si + 6 HF  H
2
SìF
6
+ H
2
+2H
+
+ 2e
-
(1.7)
Sản phẩm cuối cùng chứa Si trong HF là H
2
SiF
6
hoặc một số dạng ion của nó, nó
chỉ ra rằng trong quá trình tạo xốp chỉ 2 trong 4 điện tử Si có thể tham gia vào quá sự
truyền điện tích ở bề mặt phân cách trong khi đó 2 điện tử còn lại tham gia vào quá trình

ra H
2
.
Tương tự như trong các lớp chuyển tiếp bán dẫn, ở lớp tiếp giáp Si/HF một vùng
nghèo được sinh ra. Độ rộng vùng này phụ thuộc vào sự pha tạp và đó là cơ sở để giải
thích sự khác nhau về kích thước của lỗ xốp nhận được trong silic loại p và p
+
. Hơn nữa,
độ rộng của lớp nghèo còn phụ thuộc vào độ cong bề mặt cho nên quá trình a-nốt hóa chỉ
xảy ra chủ yếu ở phần đầu của lỗ xốp nơi mà độ cong là lớn nhất (tại đây mật độ của lỗ
trống là lớn nhất ).Tuy nhiên, khi vung nghèo của các lỗ xốp liền kề xen phủ nhau, sự lưu
thông của hạt bị ngăn lại, dẫn đến quá trình hòa tan silic tiếp theo bị dừng lại. Do đó, đây
10
là nguyên nhân phản ứng tự hạn chế trong chế độ a-nốt hóa và dẫn tới cấu trúc xốp. Một
hệ quả kéo theo là ở điều kiện dừng , độ xốp được duy trì ổn định trong khi đó chiều dày
chung của lớp xốp lại tăng một cách tuyến tính theo thời gian.
Sự hòa tan tiếp theo chỉ xảy ra ở đỉnh các lỗ xốp, ở đó lượng lỗ xốp cung cấp phản
ứng hòa tan là lớn nhất , theo sự trình bày này thì việc ăn mòn của silic xốp xảy ra theo
chiều sâu với một hướng ưu tiên mà nó cho phép dòng a-nốt đi qua phiến silic. Một khi
lớp xốp đã được hình thành thì sự ăn mòn điện hóa không xảy ra nữa nhưng quá trình ăn
mòn hóa học với tốc độ chậm lại bắt đầu do silic ngâm lâu trong môi trường HF.
Dựa trên các nội dung đã được trình bày ở trên thi chúng ta có thể rút ra những yêu
cầu chủ yếu cho việc tạo ra silic xốp là :
- Phiến silic phải được phân cực a-nôt, điều này tương ứng với việc phân cực
thuận cho silic pha tạp loại p và là phân cực ngược với silic loại n.
- Với silic pha tạp loại n hay loại p nhưng ở nồng độ rất thấp thì việc chiếu sáng
là rất cần thiết .
- Mật độ dòng cần phải thấp hơn giá trị tới hạn J
ps
.

Hai điều kiện ban đầu xuất phát từ việc thừa nhận rằng lỗ trống tham gia vào quá trình ăn
mòn silic. Khi điều kiện thứ ba không được đáp ứng, phản ứng bị giới hạn bởi sự di
chuyển của các chất vào trong dung dịch, dẫn đến lỗ trống bị tích tụ ở trong bề mặt phân
cách Si/HF và lúc này xảy ra hiện tượng đánh bong điện cực .
Quá trình ăn mòn là quá trình có tính chất tự điều chỉnh và kích thước trung bình của
các lỗ xốp chỉ phụ thuộc vào các thông số điện hóa.
1.2.3. Đặc điểm của silic xốp
1.2.3.1. Độ xốp (P)
Độ xốp được định nghĩa là tỷ phần khối lượng silic xốp bị hòa tan trong quá tronhf
điện hóa sơ với khối lượng silic ban đầu.
Phương pháp đơn giản nhất để xác định độ xốp theo trọng lượng được thể hiện trong
công thức 1.4:
1 2
1 3
%
m m
P
m m
−
=
−

(1.8)
11
(Trong đó, m
1
là khối lượng của silic trước khi bị anot hóa, m
2
là khối lượng silic
ngay sau anot hóa, và m

3
là khối lượng các lớp silic xốp sau khi bị hòa tan trong một dung
dịch của muối hydroxit)
Hình 1.7 cho thấy phạm vi của độ xốp có thể đạt được trên một nền silic p
+
bằng
cách sử dụng dung dịch acid HF 15% trong ethanol.
Hình 1.7 . Mối quan hệ giữa độ xốp và mật độ dòng của tấm silic loại p
+
(~0,01 Ωcm)
với dung dịch HF 15% trong ethanol. Tăng mật độ dòng dẫn đến độ xốp cao hơn. Độ xốp
nằm trong khoảng giữa 45% và 85% là phù hợp đối với mật độ dòng thiết lập từ 5
mA/cm
2
đến 100 mA/cm
2
[6]
.
1.2.3.2. Gần đúng môi trường hiệu dụng
Silic xốp là một hỗn hợp của silic và không khí, chiết suất của silic xốp dự đoán sẽ
thấp hơn so với chiết suất của khối silic. Việc xác định chính xác chiết suất trung bình của
silic và không khí dựa vào trọng lượng riêng không phải lúc nào cũng luôn đúng.Do việc
trộn lẫn hỗn hợp gồm 2 pha ở một thang chiều dài nhỏ hơn nhiều so với bước sóng trong
vùng nhìn thấy và hông ngoại nên mô hình môi trường hiệu dụng được sử dụng để xác
định chiết suất của silic xốp. Một số phép gần đúng của một số tác giả đã được áp dụng
như: Bruggeman, Maxwell- Garnett và Looyenge.
12
Hình 1.8. Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng của silic xốp
Hình 1.9. Cho thấy một so sánh của Bruggeman, Maxwell-Garnett, và Looyenga với
quan hệ tương đối giữa độ xốp và chiết suất của silic xốp.

Công thức Bruggeman cho sự phù hợp tốt đối với độ xốp trung bình và các hệ hạt
được sắp xếp không đều. Độ xốp và hình thái học của silic xốp trong các kính lọc và hốc vi
công hưởng hoạt động trong bước sóng khả kiến và hồng ngoại gần phù hợp với mô hình
của bruggeman nên mô hình này được sử dụng cho các mô phỏng của chúng ta.
Công thức 1.10 mà Maxwell-Garnett đưa ra phù hợp với hệ thống vật liệu có độ xốp
cao và các hạt hình cầu cô lập cách nhau với khoảng cách lớn. Do đó, nói chung không
thích hợp cho silic xốp.
Công thức Looyenga (1.11) áp dụng cho các hợp chất xếp chặt (đặc) và thường mang
lại sự phù hợp tốt nhất cho các lớp silic xốp có độ xốp cao từ đó nó nghiên cứu mạng liên
kết cho tất cả các độ xốp.
(Looyenga) (1.11)
13
(1.10)
Hình 1.9. Mối quan hệ giữa độ xốp và chiết suất của silic xốp. Sự khác biệt giữa lý
thuyết Bruggeman, Looyenga và Maxwell-Garnett là do những giả thiết để tạo ra các
hình thái của vật liệu hỗn hợp giữa silic và không khí .
Trong các biểu thức trên, P là độ xốp, ε
Si
là hằng số điện môi của silic, ε
PSi
là hằng số
điện môi hiệu dụng của silic xốp, và ε
void
là hằng số điện môi của các lỗ xốp. Chiết suất
được xác định bằng cách lấy căn bậc hai của hằng số điện môi.
1.2.3.3. Tốc độ ăn mòn
Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào nhiều thông số như mật độ dòng, thành phần của chất
điện phân, nhiệt độ, mật độ pha tạp vào chất nền và định hướng. Tốc độ ăn mòn (r
PSt
) của

các lớp silic xốp loại meso theo hướng (100) của loại silic P
+
(0,01
cm
Ω
) trong dung dịch
HF 15 %

và ethanol được minh họa trong hình 1.10. Công thức 1.8 cho thấy quy luật sự
phụ thuộc của tốc độ ăn mòn vào cường độ dòng điện (J)[6].
0,77
1,3
PSi
r J
=
(1.12)
Đặc trưng này được áp dụng cho tất cả các cấu trúc mesoporous được nghiên cứu trong
chuyên đề này.
14
Hình 1.10. Giản đồ mối liên hệ giữa tốc độ ăn mòn với mật độ dòng điện của loại
silic P
+
(0,01
cm
Ω
) với dung dịch axit HF 15% trong ethanol
1.3. Cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hưởng
1.3.1. Giới thiệu chung
Như ta đã biết bước sóng trong buồng vi cộng hưởng rất nhạy với những thay đổi
của độ dày và chiết suất. Từ đó, thông qua sự dịch phổ của buồng vi cộng hưởng mà ta

có thể xác định sự thay đổi của chiết suất nếu cho rằng chiều dày là cố định. Dựa vào
đặc tính này chúng ta có thể sử dụng buồng vi cộng hưởng làm cảm biến cho các chất
sinh hóa dưới dạng lỏng. Ưu điểm của các cảm biến có cấu trúc tinh thể quang tử bậc
cao (hai hoặc ba chiều) là có thể làm việc với một lượng chất nghiên cứu rất ít do thể
tích mốt trong các tinh thể này rất nhỏ. Tuy nhiên, ưu điểm của các cảm biến trên cơ
sở tinh thể quang tử một chiều là một mặt vẫn đảm bảo được độ phân giải cao mặt
khác lại có lợi về mặt giá thành đặc biệt với các cảm biến cho mục đích sử dụng một
lần. Có thể thấy rằng tất cả các linh kiện trên cơ sở màng silic xốp đa lớp như: màng
đơn lớp Fabry-Perot, kính lọc giao thoa (hay là tấm phản xạ Bragg), rugate filter,
buồng vi cộng hưởng đều có cùng một nguyên lý cảm biến.
Sự hấp thụ các chất nghiên cứu trong các lỗ xốp làm thay đổi chiết suất của các
lớp xốp dẫn đến sự dịch chuyển phổ đặc trưng của các tinh thể. Như vậy, quan sát phổ
phản xạ hay phổ truyền qua người ta có thể phát hiện sự liên kết của các phân tử ở
trong các lỗ xốp bởi vì việc bắt giữ các phần tử nghiên cứu trong các lỗ xốp làm thay
đổi chiết suất của lớp xốp.
15
1.3.2. Các thông số liên quan
1.3.2.1. Chỉ số phẩm chất (Q-factor)
Chỉ số phẩm chất Q (Q factor) của buồng vi cộng hưởng được định nghĩa là tỷ số
giữa độ dài bước sóng tại hố cộng hưởng và độ rộng phổ tại nửa cực đại của hố cộng
hưởng. Chỉ số này được dùng để đánh giá mức độ giam giữ ánh sáng trong buồng vi
cộng hưởng. Trong cảm biến, khi mà sự dịch phổ được quan sát thì sự tăng của Q sẽ
làm tăng khả năng phân giải của sự dịch phổ. Q tăng khi số chu kỳ trong gương Bragg
tăng và khi độ tương phản chiết suất giữa các lớp tăng. Trong các ứng dụng cảm biến,
giá trị Q cao nhất bị giới hạn bởi độ tương phản độ xốp cực đại có thể chấp nhận
được. Khi độ tương phản về độ xốp tăng độ tương phản về kích thước lỗ xốp tăng.
Các lỗ xốp khi mà kích thước quá nhỏ sẽ ngăn cản sự thẩm thấu của các phân tử kích
thước lớn vào trong cảm biến. Trong thực tế số chu kỳ của gương Bragg cũng không
thể tăng một cách tùy ý do sự thẩm thấu đồng nhất của các phân tử trở nên khó khăn
hơn đối với linh kiện quá dày[6].

1.3.2.2. Độ nhạy của cảm biến
Một thông số quang trọng của cảm biến là: độ nhạy của cảm biến Δλ/Δn, trong
đó Δλ là khoảng dịch phổ theo bước sóng và Δn là sự thay đổi chiết suất của môi
trường. Đối với một hệ đo có khả năng phân giải một sự dich bước sóng nhất định thì
tỷ số Δλ/Δn sẽ thiết lập sự thay đổi chiết suất cực tiểu mà linh kiện cần phải đạt được.
Ví dụ, buồng vi cộng hưởng với các lớp có độ xốp là 80% và 70%, tỷ số Δλ/Δn là 550
nm. Đối với hệ đo có khả năng phát hiện một sự dịch phổ 0,1 nm thì sự thay đổi chiết
suất nhỏ nhất có thể thu nhận được là 2x10
-4
. Dưới đây là ảnh hưởng của độ nhạy cảm
biến tới vật liệu và cấu trúc buồng vi cộng hưởng.
- Sự phụ thuộc của độ nhạy vào gương Bragg:
Do sự giam giữ trường trong trong buồng vi cộng hưởng, bước sóng của hố cộng
hưởng sẽ nhạy với sự thay đổi chiết suất của lớp sai hỏng hơn là trong các gương
Bragg. Các lớp càng nằm cách xa lớp sai hỏng thì càng ít gây ảnh hưởng tới bước
sóng cộng hưởng. Các kết quả mô phỏng trên hình 1.11 chỉ ra rằng sự dịch phổ về
vùng đỏ của buồng vi cộng hưởng không phụ thuộc vào số chu kỳ trong gương Bragg.
Tuy nhiên khi mà số chu kỳ tăng chiều dày tổng cộng của linh kiện cũng tăng. Nếu
lượng chất nghiên cứu bị hạn chế, thì một cảm biến quá dày sẽ không phải là phương
án tốt bởi vì tổng số lượng chất nghiên cứu bị hấp thụ bên trong buồng vi cộng hưởng
sẽ tỷ lệ với chiều dày của linh kiện. Do đó chúng ta sử dụng đại lượng Δλ/L để đánh
16
giá độ nhạy của cảm biến với chiều dày L khác nhau. Tỷ số Δλ/L tương đương với
Δλ/g là sự dịch bước sóng trên một đơn vị khối lượng chất nghiên cứu. Có thể thấy từ
hình 1.11, Δλ/L giảm khi số chu kỳ trong gương Bragg tăng. Như vậy, trong thiết kế
cảm biến số chu kỳ trong gương Bragg sẽ giảm tới mức có thể sao cho có thể đạt được
giá trị hợp lý của chỉ số Q của buồng vi cộng hưởng.
- Sự phụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng cộng hưởng:
Bước sóng cộng hưởng được xác định bởi độ dày quang học của lớp sai hỏng và
của gương Bragg. Sự dịch vùng đỏ của bước sóng cộng hưởng Δλ như là một hàm của

bước sóng cộng hưởng λ được thể hiện trên hình 1.12 theo các kết quả thu được từ
mô phỏng. Có thể nhận thấy rằng khi bước sóng di chuyển về bước sóng dài độ dịch
phổ Δλ tăng. Như vậy, nếu lượng chất nghiên cứu không bị hạn chế và phần tử nghiên
cứu dễ dàng thấm sâu vào linh kiện thì bước sóng cộng hưởng sẽ được chọn lớn nhất
tới mức có thể. Hình 1.6cũng chỉ ra rằng Δλ/L không phụ thuộc bước sóng cộng
hưởng. Điều này có nghĩa là nếu lượng chất nghiên cứu bị hấp thụ ở bên trong các lỗ
xốp cố định thì các buồng vi cộng hưởng cho dù có bước sóng cộng hưởng khác nhau
đều có cùng một giá trị dịch phổ Δλ và cùng một độ nhạy.
17
Hình 1.11. Các hình vuông đặc: sự dịch về vùng đỏ của bước sóng cộng hưởng như là
một hàm của số chu kỳ trong gương Bragg. Các hình vuông rỗng: ∆λ/L là hàm của số
chu kỳ trong gương Bragg. Trong tính toán mô phỏng bước sóng cộng hưởng tại 800
nm và sự thay đổi chiết suất trong các lỗ xốp ∆npore = 0.03.
- Sự phụ thuộc của độ nhạy vào chiều dày lớp sai hỏng:
Bước sóng cộng hưởng trong dải phổ phản xạ cực đại phụ thuộc vào độ dày quang
học của lớp sai hỏng. Sự dịch về vùng đỏ của bước sóng cộng hưởng này như là một
hàm của độ dày lớp sai hỏng được thể hiện trên hình 1.13. Khi chiều dày lớp sai hỏng
tăng độ dịch về vùng đỏ tăng chậm và thông thường đạt tới giá trị bão hòa. Tuy nhiên
độ nhạy Δλ/Δn lại giảm khi tăng độ dày lớp sai hỏng. Như vậy, thiết kế buồng vi cộng
hưởng với chiều dày quang học của lớp sai hỏng bằng nửa hay bằng chiều dài bước
sóng mang lại hiệu suất cao hơn. Một lớp sai hỏng quá dày sẽ không làm tăng độ nhạy
của cảm biến. Với một lượng chất nghiên cứu cố định lớp sai hỏng càng dày thì độ
nhạy của cảm biến càng giảm.
1.4. Lý thuyết mô phỏng về buồng vi cộng hưởng
1.4.1. Cơ sở toán học để phân tích và mô phỏng
Trước khi chế tạo, chúng tôi đã xây dựng chương trình mô phỏng để có thể thiết kế và
dự đoán được các tính chất quang học của buồng vi cộng hưởng một cách chính xác hơn.
Mỗi cấu trúc của buồng vi cộng hưởng dựa trên màng đa lớp silic xốp được đặc trưng bởi
18
Hình 1.12. Các hình vuông đặc: sự dịch đỏ của bước sóng cộng hưởng như là hàm

của bước sóng cộng hưởng. Các hình vuông rỗng: ∆λ/L như lafhamf của bước sóng
cộng hưởng ( trong mô phỏng ∆npore=0.03, và chiều dày quang học của lớp sai hỏng
bằng một nửa bước sóng cộng hưởng)
Hình 1.13. Các hình vuông đặc: sự dịch đỏ của bước sóng cộng hưởng như là hàm
của độ dày của lớp sai hỏng. Các hình vuông rỗng: ∆λ/L như là hàm của chiều dày
lớp sai hỏng. Trong mô phỏng ∆npore=0.03, và bước sóng trung tâm của gương
phản xạ là 800 nm .
các thông số cơ bản như: số lớp N, chiết suất n và độ dày quang học d của lớp. Các tính
toán của phổ phản xạ và phổ truyền qua từ các thông số trên có vai trò quan trọng trong
việc tìm hiểu kỹ lưỡng về buồng vi cộng hưởng. Với chương trình này, chúng tôi có thể
khảo sát các cơ chế của buồng vi cộng hưởng, dự đoán sự thay đổi các đặc tính và nghiên
cứu các tính chất của phổ phản xạ (bước sóng trung tâm, độ rộng phổ hoặc cường độ phản
xạ,…) của hệ thống trước khi chế tạo nó. Quá trình mô phỏng cũng cho phép chúng tôi
xác định các thông số và thiết kế một buồng vi cộng hưởng theo mong muốn. Có rất nhiều
phương pháp số để phân tích buồng vi cộng hưởng như: Phương pháp ma trận truyền
(Transfer Matrix Method - TMM), phương pháp sóng phẳng (Plane Wave Method -
PWM), và phương pháp miền thời gian khác biệt hữu hạn (Finite Difference Time
Domain - FDTD). Dựa trên những ưu nhược điểm của từng phương pháp chúng tôi đã
chọn phương pháp Ma trận truyền để mô phỏng đặc trưng phổ phản xạ cho các buồng vi
cộng hưởng được nghiên cứu trong Khóa luận[7].
1.4.2. Phương pháp ma trận truyền (Transfer Matrix Method - TMM)
Phương pháp ma trận truyền (TMM) là một thuật toán rất hữu ích cho việc tính toán
phổ phản xạ và truyền qua của các cấu trúc đa lớp. Trong phương pháp này, chiết suất
phản xạ có thể lấy hai giá trị là thực hoặc phức. Chiết suất mang giá trị thực đại diện cho
vật liệu ít mất mát trong khi chiết suất phức đại diện cho một trong hai loại vật liệu là:
mất mát hoặc ít mất mát. Nếu phần ảo của chiết suất phản xạ phức là âm thì vật liệu là
hấp thụ. Nếu phần ảo dương thì đó là dấu hiệu của sự tăng chiết suất. Phương pháp ma
trận truyền cũng có thể điều chỉnh số lượng lớp trong cấu trúc đa lớp. Thêm vào đó, các
lớp này có thể được sắp xếp theo bất cứ kiểu nào và không cần phải tuần hoàn. Thậm chí,
nếu các lớp được sắp xếp tuần hoàn thì mỗi chu kỳ được lặp lại không nhất thiết phải có

hai lớp mà có thể có nhiều lớp và không hạn chế về bề dày của mỗi lớp. Độ dày và chiết
suất của mỗi lớp có thể được xác định một cách độc lập. Chính những lý do đó khiến cho
phương pháp ma trận truyền trở thành phương pháp phù hợp nhất cho việc mô phỏng cấu
trúc màng đa lớp.
Phương pháp ma trận truyền có thể xử lý các cấu trúc có chỉ số tương phản cao giữa
hai vật liệu hỗn hợp. Điều này khiến cho TMM trở thành phương pháp phù hợp cho mô
phỏng các cấu trúc màng đa lớp, là các cấu trúc có sự tương phản cao giữa các lớp. Tuy
nhiên, phương pháp ma trận truyền cũng có một số nhược điểm. Ví dụ như giả sử rằng
mặt tinh thể vuông góc với hướng truyền là vô hạn, nghĩa là mỗi lớp trong một cấu trúc
đa lớp phải mở rộng vô hạn theo cả hai chiều. Tất nhiên, điều này là không thực tế vì kích
thước của một lớp là giới hạn theo cả ba chiều, vì vậy các lớp khi được mô phỏng phải có
kích thước đủ rộng để tránh các lỗi trong quá trình mô phỏng. TMM sẽ tính toán các
trường trong cấu trúc bằng cách truyền các trường này từ lớp này sang lớp khác bằng các
quan hệ ma trận. Như vậy, nó phụ thuộc rất lớn vào tốc độ tính toán và do đó bị hạn chế
bởi chính nó. Phương pháp ma trận truyền thiếu một biểu thức toán học liên kết các
trường giữa các lớp khác nhau, điều này làm giảm các tính toán toán học cần thiết và do
19
đó làm giảm thời gian tính toán bằng máy tính. Một nhược điểm khác của TMM là nó có
giới hạn truyền sóng liên tục và không thể xử lý truyền sóng xung. Để mô phỏng xung,
TMM phải được kết hợp với biến đổi Fourier. Đối với xung để mô phỏng tốt hơn thì ta sử
dụng các phương pháp khác giống như là phương pháp miền thời gian khác biệt hữu hạn.
(Finite Difference Time Domain - FDTD).
1.4.3. Mô phỏng về buồng vi cộng hưởng
Buồng vi cộng hưởng là một cấu trúc gồm có 2 gương Bragg nằm đối xứng với nhau
qua một vùng đệm. Từ đó chúng ta đi tới thiết kế chương trình mô phỏng lần lượt từ việc
tạo gương bragg cho đến sự hình thành của lớp không gian .
Một gương bragg gồm các lớp điện môi tuần hoàn. Cấu trúc điện môi được xác định
bởi :










<
<<
<<
<
=
xxn
xxxn
xxxn
xxn
xn
Ns 2
212
101
00
,

,
,
,
)(
(1.13)
Trong đó n
0

, n
s
tương ứng là chiết suất của môi trường xung quanh và chiết suất phản
xạ của lớp đế. Với cấu trúc này, ta có n(x)=n(x+Λ). Nhìn chung cho các lớp thứ m, chiết
suất là n
m
và chiều dày là d
m
trong đó d
m
=x
m+1
-x
m
(m=1:2N).
Hình1.14: Sơ đồ cấu trúc gương phản xạ Bragg.
Điện trường của một sóng phẳng được viết là E=E(x)e
i(ωt-βz)
trong đó E(x) là phân bố
điện trường và:





<+
<<+
<+
=
−−−

−
−−−
−−−
xxeBeA
xxxeBeA
xxeBeA
xE
N
xxik
s
xxik
s
mm
xxik
m
xxik
m
xxikxxik
NsxNsx
mmxmmx
xx
2
)(
'
)(
'
1
)()(
0
)(

0
)(
0
,
,
,
)(
22
0000
(1.14)
20
Trong đó k
mx
là thành phần theo trục x của vectơ sóng, k
mx
=ωn
m
cosθ
m
/c và θ
m
là tia tới
của mỗi lớp, A
m
và B
m
là biên độ của sóng phẳng tại giao diện x=x
m
.
Nếu ta viết hai biên độ của E(x) như là các vectơ cột, các sóng phẳng ở các lớp khác

nhau có thể quan hệ với nhau qua biểu thức:








=








=








−
−
−

−
−
−
m
m
mmm
m
m
m
m
m
B
A
PDD
B
A
DmD
B
A
1
1
'
'
1
1
1
1
m=1,2,…,2N (1.15)
Trong đó các ma trận động D
m

được viết là:















−








−
=
TMsóngcho
nn
TEsóngcho

nn
D
mm
mm
mmmm
m
θθ
θθ
coscos
coscos
11
(1.16)
Và các ma trận truyền P
m
được viết là:








=
−
mmx
mmx
hik
hik
m

e
e
P
0
0
(1.17)
Do đó mối quan hệ giữa A
0
, B
0
và
'
S
A
,
'
S
B
có thể được biểu diễn là:
[ ]

















==








−−−
'
'
2221
1211
1
222
1
111
1
0
0
0

S

S
S
N
B
A
MM
MM
DDPDDPDD
B
A
(1.18)
Từ các yếu tố ma trận, chúng ta có thể tính được hệ số phản xạ và hệ số truyền qua
của các sóng phẳng đơn sắc qua một cấu trúc đa lớp. Nếu ánh sáng tới từ môi trường n
0
,
các hệ số phản xạ và truyền qua có thể được tính như sau:
0
0
0
0
0
=
=









=








=
S
S
B
S
B
A
A
t
A
B
r
(1.19)
Sử dụng phương trình ma trận (1.17) ta có:










=








=
11
11
21
1
M
t
M
M
r
(1.20)
Và độ phản xạ:
21

2
11
21
2

M
M
rR
==
(1.21)
Một buồng vi cộng hưởng có cấu trúc như sau :
Hình 1.15.Mô hình cấu trúc buồng vi cộng hưởng .
Công thức (2.6) được viết lại như sau:
(1.22)
Độ phản xạ và truyền qua của có cũng được tính giống như công thức (1.19) và
(1.20).
Từ những lý thuyết được trình bày ở trên, chúng tôi đã sử dụng phần mềm Matlab để
thiết lập chương tình mô phỏng cho cấu trúc đa lớp. Chương trình này có chứa các thông
số sau:
- Chiết suất của môi trường xung quanh (n
0
): là chiết suất của môi trường từ đó sóng
tới bề mặt của lớp đầu tiên của buồng vi cộng hưởng .
- Chiết suất của đế (n
s
)
- Góc tới (θ): Là góc giữa phương truyền của sóng tới và pháp tuyến của bề mặt các
lớp. Góc tới này có thể thay đổi từ 0 đến 90 độ.
- Số lượng cặp lớp (N): là số lượng cặp lớp tuần hoàn để tạo thành cấu trúc quang tử
1D.
22
- Chiết suất (n
m
) và độ dày (h
m

) của các lớp tuần hoàn. Nó có thể là n
1
, d
1
hoặc n
2
, d
2
.
- Dải bước sóng: là dải từ các giá trị đầu tiên đến các giá trị cuối cùng của bước sóng
cho phổ phản xạ được phân tích.
23
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
1. Buồng vi cộng hưởng bao gồm hai gương phản xạ Bragg đặt đối xứng nhau qua một
lớp không gian thường có độ dày quang học đúng bằng hay một nửa bước sóng thiết
kế. Phổ phản xạ lý tưởng của buồng vi công hưởng có dạng tương tự như phổ của
gương phản xạ Bragg bao gồm một dải bước sóng có độ phản xạ cực đại với chỉ một
sự khác biệt là tại bước sóng cộng hưởng độ phản xạ giảm gần như về không.
2. Dựa vào kỹ thuật ăn mòn điện hóa phiến silic trong dung dịch chứa axit flohydric
chúng ta có thể tạo ra màng silic xốp đa lớp với chiết suất và độ dày khác nhau bằng
việc kiểm soát chính xác mật độ dòng và thời gian ăn mòn điện hóa. Đó chính là cơ sở
cho việc chế tạo buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều bằng
silic xốp.
3. Dựa vào đặc tính phụ thuộc của bước sóng cộng hưởng vào chiết suất của các lớp xốp
cấu thành buồng vi cộng hưởng chúng ta có thể xác định được chiết suất của các chất
lỏng thông qua sự dịch chuyển phổ phản xạ khi nhúng buồng vi công hưởng trong các
chất lỏng được nghiên cứu. Đó cũng chính là nguyên lý hoạt động của cảm biến cho
các chất lỏng. Khóa luận đã nêu bật các yếu tố ảnh hưởng quyết định tới độ nhạy của
cảm biến như: số chu kỳ của gương phản xạ, độ dài của bước sóng cộng hưởng, chiết
suất độ dày của lớp không gian.

4. Phương pháp ma trận truyền đã được trính bày một cách tỷ mỉ nhằm cung cấp các cơ
sở toán học cho việc mô phỏng các đặc tính quang của buồng vi cộng hưởng có cáu
trúc quang tử một chiều cũng như các cảm biến sinh hóa.
24
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHẾ TẠO BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG, CÁC PHÉP
ĐO CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA SILIC XỐP
Như đã nói ở phần trên thì phương pháp chế tạo buồng vi cộng hưởng trên màng
silic xốp đa lớp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa là một phương pháp đang được quan
tâm rất nhiều do giá thành rẻ, qui trình chế tạo đơn giản, không đòi hỏi thiết bị đắt tiền….
Phương pháp này cho phép điều khiển tương đối chính xác chiết suất và độ dày các lớp
xốp vì vậy việc tạo ra các lớp điện môi tuần hoàn và lớp không gian với độ dày, chiết suất
như mong muốn là rất dễ dàng. Quy trình thực hiện quá trình điện hóa chế tạo buồng vi
cộng hưởng sẽ được trình bày trong chương này. Phần cuối chương chúng tôi xin trình
bày về các phép đo cấu trúc, đặc trưng của silic xốp.
2.1. Qui trình chế tạo buồng vi cộng hưởng
2.1.1. Chuẩn bị
Bước 1: Chuẩn bị mẫu, dụng cụ và hóa chất
- Phiến silic loại p
+
có điện trở suất ρ = 0,01 - 0,1 Ωcm được bốc bay Al ở mặt sau để
tạo tiếp xúc.
- Ủ tiếp xúc mặt sau cho phiến silic đã được bốc bay Al ở nhiệt độ thích hợp trong 2
giờ.
- Phiến silic sau khi đã được ủ tiếp xúc, được cắt thành miếng 1,6 x 1,6 cm, rung siêu
âm các mảnh này trong isopropanol sau đó rửa bằng nước khử.
- Rung siêu âm, rửa sạch và sấy khô bình teflon, panh gắp mẫu và cốc pha hóa chất.
- Chuẩn bị hóa chất để ăn mòn: Dung dịch HF và cồn tuyệt đối.
Hình2.1. Hệ lò được dùng để ủ tiếp xúc cho phiến silic bốc bay nhôm
Bước 2. Chuẩn bị hệ thống điện hóa
25