Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM


PHÙNG THỊ HÀ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG
TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Thái Nguyên - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM


PHÙNG THỊ HÀ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG
TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D

Chuyên ngành : Vật lý chất rắn
Mã số

: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Thùy Chi

Thái Nguyên - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn tốt nghiệp này là kết quả trong
công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Thùy Chi, PGS. TS
Bùi Huy và Ths. Phạm Thanh Bình. Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn
trung thực và do chính tôi thực hiện. Các tài liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ
ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối luận văn.
Thái Nguyên, ngày 17 tháng 4 năm 2017.
Học viên

Phùng Thị Hà

Xác nhận
của trưởng khoa chuyên môn

Xác nhận
của giảng viên hướng dẫn khoa học

TS. Đỗ Thùy Chi

TS. Vũ Thị Hồng Hạnh

i


LỜI CẢM ƠN
Tiếp tục phát triển từ các kết quả nghiên cứu đã được công bố về cảm biến

Sinh - Hóa, đồng thời cũng nhằm nâng cao trình độ chuyên môn và bước đầu làm
quen với thực tiễn, được sự đồng ý của Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Thái
Nguyên, Khoa Vật lý, em đã tiến hành thực hiện luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu chế
tạo cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D”.
Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ quý
báu của các thầy cô, anh chị, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS. Đỗ Thùy Chi,
PGS.TS Bùi Huy và Ths Phạm Thanh Bình tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang
sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Nhân dịp hoàn thành luận văn, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.
Đỗ Thùy Chi cùng toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý, các thầy cô và
anh chị đang công tác tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học
Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt
nhất giúp em thực hiện các thực nghiệm, chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình
thực hiện và hoàn thành.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng, song do thời gian và năng lực còn hạn chế
nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Qua đây em rất mong
nhận được sự đóng góp quý báu của các thầy, cô giáo và các anh chị cùng các bạn
để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 17 tháng 4 năm 2017.
Học viên

Phùng Thị Hà

ii


MỤC LỤC
Trang
TRANG BÌA PHỤ

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1
2. Mục tiêu của luận văn ............................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 3
6. Ý nghĩa của luận văn ............................................................................................... 4
7. Cấu trúc của luận văn .............................................................................................. 4
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT
CHIỀU (1D) ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SINH - HÓA ........................... 5
1.1. Giới thiệu chung về cấu trúc tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D) .................. 5
1.2. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến sinh - hóa ....... 6
1.2.1. Gương phản xạ Bragg (DBR - Distributed Bragg Reflector) ........................... 7
1.2.2. Buồng vi cộng hưởng 1D (Microcavity) ......................................................... 10
1.2.3. Phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D trên nền Silic xốp ....................... 12
1.2.4. Ứng dụng của cấu trúc quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ............................... 12
1.3. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang
(FBG) ứng dụng trong cảm biến sinh hóa ........................................................ 17
1.3.1. Cách tử Bragg trong sợi quang ....................................................................... 17
1.3.2. Các phương pháp chế tạo FBG ....................................................................... 20
1.3.3. Ứng dụng của cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong
sợi quang (FBG) ............................................................................................. 21

iii

1.4. Tính cấp thiết của việc xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước ......... 27
Chương 2 MỘT SỐ PHÉP ĐO THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG CHO CẢM
BIẾN SINH - HÓA DỰA TRÊN CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D ........................ 29
2.1. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể quang
tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến hóa- sinh ........................ 29
2.1.1. Các phép đo phổ phản xạ bằng máy C

Y 5

UV-VIS-NIR

Spectrophotometer Cary 5000) ....................................................................... 29
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái ............................................................. 32
2.1.3. Hệ thiết bị cảm biến quang tử nano ................................................................ 35
2.2. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể quang tử 1D
trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng trong cảm biến hóa - sinh. ....... 38
2.2.1. Đo hệ phản xạ của FBG thông qua phổ phản xạ............................................. 38
2.2.2. Đo hệ số phản xạ của cách tử thông qua phổ truyền qua ................................ 41
Chương 3 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HÓA TRÊN ......... 42
TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP VÀ
CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI QUANG ........................................................ 42
3.1. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa trên tinh thể quang tử một chiều
1D) trên cơ sở Silic xốp ................................................................................... 42
3.1.1. Nguyên lý, quy trình chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano .................... 42
3.1.2. Thiết kế chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng
vi cộng hưởng 1D ........................................................................................... 45
3.1.3. Các kết quả chế tạo cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng vi
cộng hưởng một chiều .................................................................................... 49
3.2. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa tinh thể quang tử một chiều (1D)

trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang ......................................................... 53
3.2.1. Quy trình chế tạo cách tử Bragg trong sợi quang ........................................... 53
3.2.2. Quy trình chế tạo Etched-Fiber Bragg Grating (e-FBG) ................................ 60
Chương 4 KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HÓA TRÊN CẤU
TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) VÀO XÁC ĐỊNH
NỒNG ĐỘ NITRATE TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC................................... 67

iv


4.1. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh-hóa trên cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên
cơ sở Silic xốp vào xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước. ............ 67
4.1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng
vi cộng hưởng 1D làm bằng Silic xốp ............................................................ 67
4.1.2. Kết quả đo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D làm
bằng Silic xốp sử dụng phương pháp cảm biến pha lỏng ............................... 68
4.2. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh-hóa trên cấu trúc tinh thể quang tử một
chiều 1D trên cách tử Bragg trong sợi quang vào xác định nồng độ Nitrate
trong môi trường nước ...................................................................................... 72
4.2.1. Thiết kế, xây dựng cấu hình đo của cảm biến e-FBG ..................................... 72
4.2.2. Khảo sát các cấu hình đo của cảm biến tích hợp phần tử cảm biến e-FBG
trong cấu hình laser vòng và laser sợi quang pha tạp Erbium ........................ 77
4.2.3. Thực nghiệm xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước ..................... 81
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 86
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ......... 88

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Diễn giải

PC

Photonic crystal

PCs

Photonic crystals

1D

One-dimension

SEM
FE-SEM

Scanning Electron Microsope
Field Emision Scanning Electron Microsope

DBR

Distributed Bragg Reflector

TEM

Transmission Electron Microscope

FBG

Fiber Bragg Grating

e- FBG

Etched-Fiber Bragg Grating

OSA

Optical Sepectrum Analyzer

EDFA

Erbium Drop Fiber Amplifier

EDF

Erbium - Doper Fiber

WDM

Wavelength Division Multiplexing

PPM

Parts Per Million

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1 Các thông số hoạt động module laser SDLO 2564-165-GC. .................... 40
Bảng 3.1 Một số điều kiện ăn mòn để chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc
buồng vi cộng hưởng một chiều .............................................................. 48
Bảng 4.1 Sự thay đổi bước sóng cộng hưởng trong phổ phản xạ với các nồng độ
Nitrate khác nhau ...................................................................................... 71

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1 Mô tả cấu trúc hình học các PC một chiều ................................................ 5
Hình 1.2 Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp a) và
trong trường hợp màng đa lớp (b) .............................................................. 8
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, ni và di là chiết suất và bề dày
tưong ứng của lớp i, N là số chu kỳ............................................................ 8
Hình 1.4 Hình minh họa của các hiệu ứng phản xạ của một gương phản xạ Bragg. ........ 9
Hình 1.5 Sơ đồ cắt ngang cấu trúc của một buồng vi cộng hưởng với chiết suất
của lớp không gian là ns và chiều dày lớp không gian là ds. .................... 10
Hình 1.6 Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng 1D tại bước sóng trung tâm λ0=650nm. . 11
Hình 1.7 Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng của Silic xốp .............. 13
Hình 1.8 Mối quan hệ giữa độ xốp và chiết suất của Silic xốp................................ 13
Hình 1.9 Hình ảnh mô phỏng sự hoạt động của cảm biến Fabry-Perot làm bằng Silic xốp. ..... 14
Hình 1.10 Mô phỏng sự hoạt động của gương phản xạ Bragg trong cảm biến
làm bằng Silic xốp. ................................................................................... 15
Hình 1.11 Cấu tạo cách tử Bragg và phân bố chiết suất của nó với n1 là chiết suất

vỏ, n2 là chiết suất lõi cách tử. .................................................................. 18
Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg. ................................................ 19
Hình 1.13 Dạng phổ của tín hiệu vào a), sau khi đi qua (b) và phản xạ (c) của
sợi cách tử Bragg. ..................................................................................... 19
Hình 1.14 Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang. ......................................................... 21
Hình 1.15 Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG. ...................................... 21
Hình 1.16 Các thành phần cơ bản của một hệ thống cảm biến sợi quang. .............. 23
Hình 1.17 Trường evanescent trong mặt tiếp xúc giữa lõi-vỏ sợi quang................. 25
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ quang học máy quang phổ UV/VIS/NIA Carry 5000. ....... 29
Hình 2.2 UV-VIS-NIR Spectrophotometer (Carry 5000). ....................................... 31
Hình 2.3 Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét: 1) Súng điện tử, (2) Thấu
kính điện từ, (3) Mẫu đo, 4) Bộ phát quét, 5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch
đại, 7) Đèn hình. ...................................................................................... 33

vi


Hình 2.4 FE-SEM S-4800. ....................................................................................... 35
Hình 2.5 Sơ đồ khối nguồn phát sáng. ..................................................................... 36
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý của khối máy đo phổ quang. .......................................... 37
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý của khối chứa cảm biến.................................................. 37
Hình 2.8 Hệ thiết bị cảm biến quang tử và mặt trước của hệ thiết bị. .................... 37
Hình 2.9 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ. ..................... 38
Hình 2.10 Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử. ..................................................... 38
Hình 2.11 Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384. .................................. 39
Hình 2.12 Cấu tạo của một bộ khuếch đại quang (EDFA). .................................... 40
Hình 2.13 Nguồn bơm laser tạo bước sóng 98 nm. .............................................. 40
Hình 2.14 Phổ dải rộng của SE khi chưa khắc cách tử. ........................................ 41
Hình 2.15 Mô hình đo truyền qua của FBG. ........................................................... 41
Hình 2.16 Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua. ........................ 41

Hình 3.1 Hệ lò được dùng để ủ tiếp xúc cho phiến Silic bốc bay nhôm.................. 43
Hình 3.2 Hệ thống ăn mòn điện hóa. ....................................................................... 44
Hình 3.3 Sơ đồ hệ điện hóa UTOL B. PGST T 3 dùng để chế tạo PC 1D...... 45
Hình 3.4 Lược đồ chế tạo màng đa lớp. ................................................................... 45
Hình 3.5 a) Sơ đồ minh họa cấu trúc của một cảm biến quang tử nano dựa trên
cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D thể hiện bởi lớp khuyết tật có độ dài
quang học λ/2 xen giữa hai DBR gồm các lớp có chiết suất cao và thấp
có độ dài quang học λ/4 xen kẽ lẫn nhau. (b) Phổ phản xạ tương ứng
của buồng vi cộng hưởng cho thấy một bước sóng cộng hưởng hẹp ở
giữa đỉnh phản xạ cực đại. ........................................................................ 47
Hình 3.6 Sơ đồ của quy trình tạo ra các lớp Silic xốp. ............................................ 48
Hình 3.7 So sánh phổ phản xạ mô phỏng 1) và thực nghiệm (2) của cùng một
mẫu PC 1D với bước sóng thiết kế λ=61 .7 nm. .................................... 50
Hình 3.8 Ảnh SEM của mặt cắt ngang một cảm biến quang tử nano dựa trên cấu
trúc buồng vi cộng hưởng 1D với độ dài quang học của lớp đệm là λ/2
với bước sóng cộng hưởng ở 650nm (a), ảnh SEM cho thấy kích thước
của các lỗ xốp vào khoảng vài chục nanomet trong lớp đệm của buồng
vi cộng hưởng (b). .................................................................................... 51

vii


Hình 3.9 Ảnh FE-SEM của buồng vi cộng hưởng 1D với bước sóng cộng hưởng
ở 650nm, tỷ số mật độ dòng là 15/5 m cm-2, nồng độ HF là 16% ........ 51
Hình 3.10 Phổ phản xạ ban đầu của buồng vi cộng hưởng. ..................................... 52
Hình 3.11 Phổ phản xạ của đèn Halogen. ................................................................ 52
Hình 3.12 Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng dựa trên tinh thể một chiều.
Bước sóng trung tâm của buồng vi cộng hưởng ở 610.73nm. ................. 53
Hình 3.13 Toàn bộ hệ thống chế tạo FBG. .............................................................. 54
Hình 3.14 Phase Mask. ............................................................................................. 55

Hình 3.15 Gương quét scaning mirror). .................................................................. 55
Hình 3.16 Hai gương giao thoa. ............................................................................... 55
Hình 3.17 Phổ phản xạ của cách tử FBG. ................................................................ 61
Hình 3.18 Phổ phản xạ của cách tử e-FBG tại các thời điểm ăn mòn khác nhau. ... 61
Hình 3.19 Sơ đồ khối hệ thiết bị thí nghiệm chế tạo phần tử cảm biến sinh hóa eFBG bằng phương pháp ăn mòn hóa học. ................................................ 62
Hình 3.20 Biểu diễn đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng phản xạ của
phần tử cảm biến e-FBG thay đổi theo thời gian ăn mòn. ....................... 63
Hình 3.21 Ảnh SEM của phần tử cảm biến e-FBG sau khi ăn mòn thô và ăn mòn tinh... 65
Hình 3.22 Phổ phản xạ của phần tử cảm biến FBG trước và sau khi chế tạo bằng
phương pháp ăn mòn hóa học. ................................................................. 66
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý đo phổ phản xạ của cảm biến quang Fabry-Perot. ......... 67
Hình 4.2 Sự thay đổi bước sóng cộng hưởng Δλ) của cảm biến quang trước và
sau khi tiếp xúc với chất cần phân tích..................................................... 68
Hình 4.3 Phổ phản xạ và truyền qua của hốc cộng hưởng quang tử đo ngay sau
khi chế tạo đường 1) và sau khi oxy-hóa mẫu trong ozone đường 2). .. 69
Hình 4.4 Sơ đồ khối của hệ đo sự dịch chuyển bước sóng của cảm biến quang. .... 70
Hình 4.5 Sự phụ thuộc của độ dịch chuyển bước sóng vào nồng độ Nitrate trong nước. . 72
Hình 4.6 Phổ phản xạ của cảm biến quang trước đường số 1) và sau khi tiếp xúc
với chất cần phân tích đường số 2) hình bên trái) khi tiếp xúc với
dung dịch Nitrate ở các nồng độ khác nhau: 1

ppm 1), 3

ppm 2),

1000ppm (3) hình bên phải). ................................................................... 72

viii

Hình 4.7 Sơ đồ khối của thiết bị cảm biến cách tử ăn mòn e-FBG được tích hợp
trong cấu hình laser vòng. ........................................................................ 74
Hình 4.8 Sơ đồ khối của thiết bị cảm biến cách tử ăn mòn e-FBG được tích hợp
vào cấu hình laser sợi. .............................................................................. 76
Hình 4.9 Đường đặc trưng bước sóng của mode laser được chọn lọc bằng cách tử
tham chiếu FBG trong cấu hình laser cộng hưởng vòng theo nhiệt độ. ..... 78
Hình 4.10 Đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng của mode laser được chọn
lọc bằng cách tử cảm biến e-FBG trong cấu hình laser sợi cộng hưởng
vòng theo chiết suất đã được biết trước của môi trường chất lỏng. ........... 78
Hình 4.11 Đường đặc trưng sự thay đổi cường độ của mode laser được chọn lọc
do cách tử cảm biến e-FBG trong cấu hình laser cộng hưởng vòng khi
mode laser được chọn lọc bởi cách tử tham chiếu FBG quét qua phổ
phản xạ của cách tử cảm biến e-FBG trong môi trường chất lỏng
Methanol 99,5% và cetone 99,5%. ........................................................ 79
Hình 4.12 Phổ tín hiệu quang của cảm biến e-FBG với cấu hình đo phản xạ
thông thường a) và cấu hình đo laser sợi được đề xuất b), được thực
hiện trong môi trường nước lọc tinh khiết và dung dịch có nồng độ
Nitrate 15 ppm và 8 ppm. ....................................................................... 80
Hình 4.13 Phổ tín hiệu của cảm biến khi thực hiện đo với các mẫu dung dịch có
nồng độ Nitrate khác nhau........................................................................ 82
Hình 4.14 Đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng tín hiệu cảm biến e-FBG
theo nồng độ của dung dịch Nitrate có nồng độ khác nhau. .................... 82

ix


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của kinh tế là sự thay đổi sâu
sắc, toàn diện của hầu khắp các lĩnh vực của đời sống xã hội. Bên cạnh đó là sự kéo

theo nhiều hệ lụy khác nhau như: cạn kiệt dần nguồn tài nguyên sẵn có, ô nhiễm
môi trường, gia tăng nhanh các loại chất độc hại,…Có thể thấy rõ các tác động này
trên nhiều phương diện của đời sống con người, đặc biệt là trong vấn đề vệ sinh và
an toàn thực phẩm. Dư lượng của các chất có trong phân bón, thuốc bảo vệ thực vật,
đặc biệt là các chất khó phân hủy, còn tồn đọng, tích tụ trong các loại thực phẩm sẽ
gây nhiều nguy hại đến sức khỏe con người như: thay đổi hoocmon trong cơ thể,
phá hủy mô, cơ quan, gây ung thư, vô sinh,…Chính vì vậy, việc kiểm định chất
lượng cũng như dư lượng của các chất gây nguy hại ở dưới mức được cho phép,
hiện đã và đang là thách thức lớn đối với các nhà khoa học.
Nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng cho thấy hiệu quả tích cực
trong việc xác định dư lượng chất độc hại trong các sản phẩm nông sản như phương
pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối
phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS), sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis, phổ
huỳnh quang tia X, phổ aman,…Tuy nhiên, các phương pháp này có đặc điểm là
thời gian phân tích lâu, phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích, không thể
thực hiện được ngoài thực địa. Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới
thuận tiện hơn là mục tiêu của nhiều nghiên cứu trên thế giới.
Nổi bật nhất trong số các phương pháp đã và đang rất được quan tâm là:
phương pháp dựa trên cấu trúc của buồng vi cộng hưởng một chiều làm bằng vật
liệu Silic xốp và phương pháp dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn được tích hợp
trong cấu hình laser sợi để chế tạo cảm biến quang. Điểm chung của cả hai loại này
là đều dựa vào hiệu ứng Bragg để xác định sự thay đổi chỉ số chiết suất của dung
dịch, từ đó xác định nồng độ các chất có trong môi trường.
Phương pháp thứ nhất: cảm biến dựa trên cấu trúc của buồng vi cộng hưởng
một chiều làm bằng vật liệu Silic xốp được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện
hóa có độ xốp rất cao và đặc biệt với diện tích bề mặt hiệu dụng lớn nên rất thích
hợp cho các cảm biến sinh-hóa. Bên cạnh đó, nó có kích thước nhỏ gọn, có độ nhạy
1

cao và không cần kết nối điện giúp hạn chế gây ra cháy nổ do hoạt động dựa trên
nguồn ánh sáng đưa vào.
Phương pháp thứ hai: cảm biến quang sợi dựa trên linh kiện cách tử Bragg
trong sợi quang Fiber Bragg Gratting - FBG) đang được đánh giá rất cao nhờ các
đặc tính của FBG như khả năng tách bước sóng với độ chính xác cao, không chịu
ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường ngoài hay tần số radio, dễ tích hợp,...nên ngoài
các ưu điểm vốn có của một cảm biến quang sợi thông thường, cảm biến sử dụng
FBG còn có khẳ năng lọc mode cao, thời gian hồi đáp nhanh, băng thông rộng, ổn
định trong quá trình sử dụng với độ chính xác cao,... Đặc biệt cảm biến sử dụng
cách tử Bragg sợi quang được ăn mòn lớp vỏ có độ nhạy rất cao về sự thay đổi nhỏ
của chiết suất hiệu dụng có thể xác định được sự thay đổi chiết suất đến 7,2.10-6
trong môi trường lỏng. Để tăng cường tính chọn lọc thì thường phủ lên vùng tích
cực của cảm biến một màng nhạy có khả năng hấp thụ hoặc liên kết một cách có
chọn lọc với phân tử của chất cần phân tích.
Trên cơ sở đó, tiếp tục phát triển các kết quả từ các công trình khoa học của
nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã công bố về lĩnh vực nghiên cứu cảm biến
sinh – hóa dựa trên phần tử cảm biến như để xác định nồng độ Ammonia, CO2,
hydrogen trong khí, độ ẩm, độ pH, các phân tử ADN, proteins…cũng như trang
thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo
cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D” làm nội dung nghiên cứu trong
luận văn của mình.
2. Mục tiêu của luận văn
- Nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng
trên màng đa lớp Silic xốp để xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước.
- Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn
(Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi để xác định nồng độ Nitrate
trong môi trường nước.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về mặt thời gian, kinh phí và nguồn nhân lực nên luận văn giới hạn:
- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tinh thể quang tử

một chiều 1D) trên cơ sở buồng vi cộng hưởng trên màng đa lớp Silic xốp và cách
tử Bragg ăn mòn trên sợi quang ứng dụng trong chế tạo cảm biến quang.

2


- Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu trên lý
thuyết, sử dụng các chương trình mô phỏng và tiến hành thực nghiệm.
- Thời gian: Luận văn tiến hành từ tháng 11/2015 đến tháng 6/2 17.
4. Nội dung nghiên cứu
a. Nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng.
- Xây dựng mô hình, quy trình chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên màng đa
lớp silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa.
- Sử dụng buồng vi cộng hưởng làm cảm biến quang phát hiện, xác định nồng
độ Nitrate trong môi trường nước.
b. Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn
(Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi.
- Xây dựng mô hình và chế tạo cách tử Bragg trong sợi nhậy quang sử dụng
trong nghiên cứu phát triển cảm biến quang dựa trên cách tử Bragg ăn mòn EtchedFBG).
- Thiết kế, xây dựng cấu hình laser sợi, laser cộng hưởng vòng có cách tử
Bragg ăn mòn Etched-FBG) để nâng cao độ nhạy của cảm biến quang và ứng dụng
trong phát hiện Nitrate trong môi trường nước.
5. Phương pháp nghiên cứu
­ Tổng hợp, nghiên cứu tài liệu và các mô hình lý thuyết.
­ Thiết kế quy trình, mô hình thí nghiệm chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa
trên màng đa lớp Silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa trong nghiên cứu
làm cảm biến quang. Đồng thời, xây dựng mô hình, chế tạo các cách tử Bragg trong
sợi nhạy quang sử dụng trong nghiên cứu phát triển cảm biến quang dựa trên cách
tử Bragg ăn mòn Etched-FBG) và thiết kế, xây dựng cấu hình laser sợi, laser cộng
hưởng vòng có cách tử Bragg ăn mòn Etched-FBG) để nâng cao độ nhạy của cảm

biến quang.
­ Thực nghiệm các thí nghiệm phát hiện, xác định nồng độ Nitrate trong môi
trường nước sử dụng cảm biến quang làm từ buồng vi cộng hưởng trên màng đa lớp
Silic xốp và cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn Etched-FBG)
được tích hợp trong cấu hình laser sợi.
­ Phân tích, đánh giá các dữ liệu thực nghiệm.

3


6. Ý nghĩa của luận văn
Luận văn được tiến hành với mục đích mang lại cái nhìn tổng quan về một số
loại cảm biến quang điển hình như cảm biến dựa trên buồng vi cộng hưởng chế tạo
từ màng đa lớp Silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa, cảm biến sợi quang
dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình
laser sợi. Luận văn cung cấp những hiểu biết cơ bản về thiết bị, quy trình chế tạo, ăn
mòn và xây dựng, thiết kế các cấu hình có liên quan, đồng thời tiến hành khảo sát,
đánh giá các kết quả thu được, các thông số kỹ thuật, các yếu tố có ảnh hưởng đến
độ nhạy của cảm biến và giới thiệu một số ứng dụng của cảm biến quang trên thế
giới và trong nước trong giai đoạn hiện nay. Tiếp tục kế thừa và phát triển từ các kết
quả đã được công bố trong nhiều công trình nghiên cứu, từ đó luận văn đề xuất các
hướng nghiên cứu tiếp theo trong thời gian tới như: tiến hành bọc các chất nhận
biết, đánh dấu sinh học bên ngoài phần cách tử đã được ăn mòn để tăng độ bền cơ
học mà không ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến, thiết kế, xây dựng các mô hình
buồng vi cộng hưởng mới để mở rộng dải đo và vùng giới hạn các chất đo được,…
7. Cấu trúc của luận văn
Nội dung của luận văn được kết cấu thành 4 chương chính như sau:
Chương 1. Tổng quan về cấu trúc tinh thể quang tử một chiều (1D) ứng
dụng trong lĩnh vực sinh - hóa
Chương 2. Một số phép đo thực nghiệm sử dụng cho cảm biến hóa - sinh

dựa trên cấu trúc quang tử 1D
Chương 3. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa trên tinh thể quang tử
một chiều (1D) trên cơ sở Silic xốp và cách tử Bragg trong sợi quang
Chương 4. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh hóa trên cấu trúc tinh thể quang
tử một chiều (1D) vào xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước

4


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D)
ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SINH - HÓA
Cấu trúc quang tử 1D là loại đơn giản nhất về cấu trúc không gian tuần hoàn
của các vật liệu điện môi có chiết suất khác nhau. Với những ưu điểm riêng như dễ
dàng chế tạo, có thể sử dụng để nghiên cứu một số khía cạnh của tinh thể quang tử
nhiều chiều hơn nên cấu trúc quang tử 1D đã và đang là đối tượng nghiên cứu được
các nhà khoa học quan tâm. Cấu trúc quang tử 1D không chỉ được tìm hiểu, phát
triển trên các loại vật liệu khác nhau mà còn có thể dẫn đến nhiều ứng dụng lý thú,
đặc biệt là trong những ứng dụng, các linh kiện mà chúng không yêu cầu phải cấm
hoàn toàn về mọi hướng) sự lan truyền qua hay bức xạ ánh sáng.
Trong chương này, chúng tôi trình bày khái lược về cấu trúc quang tử 1D nói
chung và tập trung vào cấu trúc quang tử 1D trên 2 loại vật liệu điển hình là sillic xốp
và sợi quang, đồng thời cũng giới thiệu những ứng dụng điển hình của từng loại.
1.1. Giới thiệu chung về cấu trúc tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D)
Tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D) là loại đơn giản nhất của tinh thể
quang tử, có cấu trúc không gian tuần hoàn của các lớp vật liệu với hằng số điện môi
khác nhau, sắp xếp luân phiên nhau, có chiết suất thay đổi tuần hoàn trên một hướng
duy nhất, đồng nhất theo hai hướng còn lại và có thể so sánh được với bước sóng trong
vùng hoạt động của nó. Trong trường hợp đơn giản nhất, chỉ cần sử dụng hai lớp vật
liệu với hằng số điện môi khác nhau hình 1.1).

Hình 1.1 Mô tả cấu trúc hình học các PC một chiều [1]

5


Thuật ngữ “một chiều” được sử dụng bởi vì giá trị của hàm điện môi εz chỉ
tuần hoàn theo trục z. Cấu trúc này gồm các lớp vật liệu có chiết suất khác nhau có
giá trị không đổi nằm xen kẽ nhau màu xanh lá và xanh da trời) với chu kỳ không
gian là a. Mỗi lớp là đồng nhất và mở rộng vô hạn theo trục x và y, sự tuần hoàn
theo trục z cũng được mở rộng ra vô hạn.
Do có cấu trúc tuần hoàn về chiết suất nên các PCs 1D có những tính chất
đặc biệt tạo ra khả năng thực hiện trong các ứng dụng điển hình, đã và đang được
dùng rộng rãi như kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng ở mức độ chính xác cỡ bước
sóng, chế tạo và nghiên cứu các tính chất quang của buồng vi cộng hưởng laser
phát bề mặt theo chiều thẳng đứng hay như việc tạo ra tinh thể quang tử 1D được
sử dụng như những DBR quang học, ống dẫn sóng, cảm biến sinh học… Những
tinh thể này phản xạ một cách hiệu quả đối với một dải tần số nhất định và được
dùng làm gương cách điện trong laser hoặc các kính lọc dải, tạo ra các lớp phủ lên
bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độ phản chiếu thấp hay cao tuỳ ý, hay trong
sơn đổi màu và in ấn bảo mật,…
1.2. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm
biến sinh - hóa
Vật liệu quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp có cấu trúc gồm các lớp Silic xốp
có chiết suất khác nhau, sắp xếp luân phiên, xen kẽ nhau trên phiến Silic. Khi các
lớp này được sắp xếp luân phiên, xen kẽ nhau một cách đều đặn sẽ tạo thành gương
phản xạ Bragg trên nền Silic xốp.
Trong cấu trúc PC 1D có thể đưa vào một cách có chủ ý các khuyết tật tương
tự như trong trường hợp các chất bán dẫn. Nếu như với chất bán dẫn, thay đổi loại
nguyên tử trong mạng tinh thể sẽ làm thay đổi các mức năng lượng được phép trong

vùng cấm thì đối với các các tinh thể photonic, sự tạo ra các khuyết tật trong cấu
trúc tuần hoàn cũng dẫn đến thay đổi các mức năng lượng được phép trong vùng
cấm quang, hay dẫn đến các mode truyền trong vùng các tần số bị cấm trong điều
kiện bình thường. Có nhiều loại khuyết tật khác nhau đã được nghiên cứu, một
trường hợp riêng ta có thể chế tạo một buồng vi cộng hưởng 1D trong tinh thể bằng
cách tạo ra một khuyết tật. Ví dụ như làm thay đổi bề dày của một lớp so với các

6


lớp còn lại (một lớp lỗ xốp khuyết tật có độ dày đột biến) xuất hiện xen giữa 2
gương phản xạ Bragg này thì một buồng vi cộng hưởng được tạo thành.
Các lớp Silic xốp có chiết suất khác nhau, sắp xếp xen kẽ nhau thực chất là
các lớp có chứa nhiều mạng lưới các lỗ không khí nhỏ bên trong, được hình thành
khi chúng không bị hòa tan hoàn toàn. Do cấu trúc này cho phép các chất lỏng, tế
bào, phân tử,…dễ dàng thâm nhập vào sâu bên trong các lỗ xốp, nên có thể làm
thay đổi chiết suất của các lỗ xốp, dẫn tới thay đổi của chiết suất hiệu dụng đối với
toàn khối Silic. Vì vậy mà tính chất quang của nó cũng biến đổi theo và giúp Silic
xốp trở thành một loại vật liệu có thể đáp ứng việc kiểm soát và truyền thông tin
quang trên cơ sở tạo ra cấu trúc PC từ Silic. Mặt khác, chiều dày của các lớp lỗ
xốp này có thể được thay đổi linh hoạt thông qua việc điều khiển các thông số
như: mật độ dòng điện, nồng độ chất ăn mòn HF, thời gian ăn mòn,… Đây chính
là cơ sở để tạo ra cấu trúc PC với sự tuần hoàn của các lớp vật liệu có chiết suất
khác nhau, sắp xếp luân phiên nhau.
1.2.1. Gương phản xạ Bragg (DBR - Distributed Bragg Reflector)
Gương phản xạ Bragg là hệ 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. Hình 1.2 trình bày mô hình hiện tượng nhiễu xạ [19,9], trong
đó lớp màng mỏng gồm các cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp lớp này gồm hai lớp có
chiết suất n1 và n2 khác nhau tương ứng với độ dày d1, d2.

Khi được chiếu sáng, hiện tượng phản xạ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp
vật liệu có chiết suất khác nhau. Trong trường hợp màng đơn lớp, 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 màng đa
lớp, tia phản xạ là kết quả của quá trình giao thoa các tia phản xạ tại mặt phân
cách. Bằng cách lựa chọn các giá trị của chiết suất và độ dày các lớp, chúng ta có
thể tạo ra phổ phản xạ khác nhau.
Gương phản xạ Bragg là cấu trúc nhiều lớp được hình thành bởi sự lặp đi lặp

7


lại tuần hoàn của cặp hai lớp) có chiết suất khác nhau nH và nL có độ dày tương ứng
dH và dL. Phổ phản xạ của nó có dạng một cực đại phản xạ trung tâm cực đại chính)
và các cực đại phụ ở hai bên, xen giữa các cực đại là các cực tiểu. Vùng cực đại
chính có bước sóng trung tâm là λ. Các bước sóng ở quanh bước sóng trung tâm λ
và cùng nằm trên cực đại chính là các bước sóng tương ứng với cường độ phản xạ
cao có nghĩa là các ánh sáng có bước sóng nằm trong dải này bị phản xạ khi qua
gương phản xạ, tức là bị cấm truyền qua cấu trúc, vì vậy vùng này còn được gọi là
vùng cấm.

Hình 1.2 Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp (a) và trong
trường hợp màng đa lớp (b)

Gương phản xạ Bragg được sử dụng nhiều nhất là Gương phản xạ Bragg –
DB phần tư bước sóng, đó là loại gương phản xạ có độ dài quang học của các lớp
là nH.dH=nLdL=λ/4 và chu kỳ của cấu trúc là Λ=dH+dL. Sơ đồ cấu trúc của một DB
được trình bày ở hình 1.3.

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, ni và di là chiết suất và bề dày tưong
ứng của lớp i, N là số chu kỳ
8


Nếu chiều dày quang học và chiết suất của mỗi lớp được thiết kế một cách
chính xác, 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 được
thể hiện ở phương trình (1.1):

m. = 2n.d.sin

(1.1)

Trong đó: m là số nguyên,  là bước sóng của ánh sáng tới, d và n là chiều
dày và chiết suất của một lớp, và  là góc tới bề mặt.
Phương trình Bragg được tìm ra dựa trên hiện tượng nhiễu xạ tia X trong tinh
thể chất rắn (tinh thể điện tử) thông thường. Trong trường hợp của một khối điện
môi PC) ví dụ, hình 1.4) gồm hai vật liệu có chiết suất khác nhau sắp xếp xen kẽ
nhau thì cần phải xem xét đến sự thay đổi pha tại mặt phân cách của hai lớp liền kề.

Hình 1.4 Hình minh họa của các hiệu ứng phản xạ của một gương phản xạ Bragg.
a) Ánh sáng phản xạ tại mỗi mặt phân cách giữa các lớp có chiết suất khác nhau
b) Phổ phản xạ của một gưởng phản xạ Bragg dựa trên tinh thể quang tử một chiều
[9,22]

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 . Sự biến

thiên của pha một lượng là k sẽ hoàn toàn tương đương với sự biến thiên của
quang trình một lượng là (2k  1)


2

. Như vậy, khi phản xạ thì quang trình của tia

sáng sẽ thay đổi một lượng là (2k  1)


2
9

với k là một số nguyên dương, âm hay


bằng

để cho tiện ta chọn k = ). Do đó, khi phản xạ trên gương, quang trình của

tia sáng sẽ tăng thêm


2

. Từ đó, hiệu quang trình sẽ là: 2nd sin  

(1.1) được viết lại là:

2nd sin  


2


2

 m

. Công thức
(1.2)

Do đó, hai tia đầu tiên được phản xạ trong một pha và sẽ giao thoa kết hợp.
0
Khi nghiên cứu với   90 ; m  1 thì điều kiện phản xạ Bragg trở thành:

nd 


4

(1.3)

Điều kiện này áp dụng cho tinh thể quang tử 1D 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
chúng tôi sử dụng để tính toán và chế tạo mẫu có đỉnh phản xạ tại các bước sóng
khác nhau theo mong muốn.
Chúng ta có thể chứng minh được rằng: Silic xốp là vật liệu thích hợp cho
việc chế tạo màng đa lớp, 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 [9,7].
1.2.2. Buồng vi cộng hưởng 1D (Microcavity)
Buồng vi cộng hưởng một chiều có cấu trúc của tinh thể quang tử 1D, trong
đó tồn tại một khuyết tật nên làm mất tính chất tuần hoàn của PCs.

Hình 1.5 Sơ đồ cắt ngang cấu trúc của một buồng vi cộng hưởng với chiết suất
của lớp không gian là ns và chiều dày lớp không gian là ds.

Cấu trúc của buồng vi cộng hưởng bao gồm 2 DBR giống hệt nhau đặt song
song và cách nhau bằng 1 lớp đệm (lớp khuyết tật) có chiết suất có thế giống hoặc
khác với chiết suất của các DB . Chiều dài quang học của lớp đệm có thể là  2
hoặc  [19]. Sơ đồ minh họa cấu trúc của buồng vi cộng hưởng 1D ở hình 1.5. Kết
10


quả là có sự giao thoa ánh sáng phản xạ của DB bên trên và DB bên dưới tại một
bước sóng đặc biệt. Bước sóng này gọi là bước sóng cộng hưởng mà tại đó độ phản
xạ rất thấp và tương ứng là độ truyền qua rất cao. Bước sóng cộng hưởng phụ thuộc
vào chiều dài quang học của lớp đệm, do đó chỉ cần một sự thay đổi nhỏ chiều dài
quang học của lớp đệm cũng dẫn tới sự dịch chuyển đỉnh của bước sóng cộng hưởng.
Khi độ dài quang học của lớp đệm tăng lên thì dẫn tới có nhiều bước sóng mà photon
có thể truyền qua ở vùng cấm. Vì thế ở vùng cấm của phổ phản xạ xuất hiện một dải
truyền qua hẹp tại đó photon được phép truyền qua ở một hoặc nhiều bước sóng.

Hình 1.6 Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng 1D tại bước sóng trung tâm
λ0=650nm.

Lớp không gian có độ dày quang học bằng nửa hoặc đúng bằng chiều dài
bước sóng, được đưa vào giữa các lớp điện môi của gương phản xạ 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. Điều này tương ứng với trạng thái cho phép trong
vùng cấm quang mà thể hiện trên phổ truyền qua là một khe hẹp với độ cho truyền
qua đột ngột giảm xuống rất thấp như có thể thấy trên hình 1.6.
Bước sóng tương ứng trạng thái cho phép trong vùng cấm quang này được
gọi là bước sóng cộng hưởng của buồng vi cộng hưởng. Bước sóng cộng hưởng rất
nhạy với những thay đổi của độ dày quang học và chiết suất của lớp không gian.
Chiết suất của lớp không gian có thể giống hoặc khác so với chiết suất của các lớp
điện môi trong gương Bragg.

11


1.2.3. Phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D trên nền Silic xốp
Một số phương pháp cơ bản có thể lựa chọn để chế tạo các tinh thể photonic
có thể được kể đến như: phương pháp lithography, khắc toàn ảnh (holographic
lithography), phương pháp tự tập hợp đơn thể đồng trùng hợp (block-copolymer
self-assembly), phương pháp khắc rãnh bằng chùm ion hội tụ (focused-ion-beam
milling), sự lắng đọng góc xiên glancing angle deposition) và kéo tự động nano
nanorobotic manipulation). Các phương pháp này cho các cấu trúc tinh thể rất trật
tự, chủ động tạo được kiểu mạng tinh thể và kiểm soát được các khuyết tật đưa vào,
nhưng đòi hỏi kỹ thuật rất tinh vi, quy trình gồm nhiều bước phức tạp, đòi hỏi độ
chính xác cao và phải sử dụng các thiết bị rất đắt tiền.
Hiện nay, phương pháp chế tạo tinh thể photonic 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 suất và độ dày các lớp, từ đó tạo ra được
tinh thể photonic có cực đại phản xạ ở bước sóng mong muốn. Ngoài ra có thể dễ
dàng tạo ra các khuyết tật để tạo thành các buồng vi cộng hưởng (microcavity), một
trong những hướng nghiên cứu để đưa tinh thể photonic tiến gần với chế tạo các
linh kiện quang tử. Hơn nữa, các tinh thể photonic 1D chế tạo bằng phương pháp
này có độ phản xạ rất cao thường trên 7 %). Vì vậy chúng tôi quan tâm vào tìm

hiểu, chế tạo các tinh thể photonic 1D bằng phương pháp ăn mòn điện hóa Silic.
Quá trình ăn mòn điện hoá phiến Silic xốp và quá trình hình thành Silic xốp được
trình bày chi tiết trong tài liệu tham khảo [1].
1.2.4. Ứng dụng của cấu trúc quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp
1.2.4.1. Cảm biến sinh hóa
a. Chiết suất 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 là không dễ dàng.
Tổng quan công cụ tính toán về chiết suất hiệu dụng của Silic xốp được trình
bày trong tài liệu [6]. Bằng cách thay đổi điều kiện ăn mòn, gần như toàn bộ phạm

12