(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên cơ sở màng đa lớp silic xốp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thúy Vân

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO BỘ LỌC QUANG
(BĂNG RỘNG VÀ BĂNG HẸP) DỰA TRÊN CƠ SỞ MÀNG ĐA LỚP
SILIC XỐP

LUẬN VĂN THẠC SỸ

HÀ NỘI – 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thúy Vân

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO BỘ LỌC QUANG
(BĂNG RỘNG VÀ BĂNG HẸP) DỰA TRÊN CƠ SỞ MÀNG ĐA LỚP
SILIC XỐP

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

Người hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Huy

HÀ NỘI – 2011

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Mục lục
Mở đầu………………………………………………………………………...

1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ..................................

3

1.1 Tinh thể quang tử.........................................................................................

3

1.1.1 Khái niệm tinh thể quang tử...................................................................

3

1.1.2 Các đặc tính và thơng số quan trọng của tinh thể quang tử...................

4

1.1.3 Các ứng dụng của tinh thể quang tử.......................................................

6

1.2 Tinh thể quang tử một chiều dựa trên silic xốp...........................................

7

1.2.1 Tinh thể quang tử một chiều được thiết kế như một bộ lọc giao thoa...

7

1.2.2 Cơ sở cho quá trình hình thành bộ lọc giao thoa trên cơ sở màng silic
xốp đa lớp……………………………………………………………………...

11

1.2.2.1 Sự hình thành silic xốp…………………………………………….

12

1.2.2.2 Kích thước và hình thái học lỗ xốp………………………………..

14

1.2.2.3 Các thơng số anot hóa……………………………………………..

16

1.2.3 Đặc điểm của silic xốp………………………………………………...

17

1.2.3.1 Độ xốp (P)…………………………………………………………

17

1.2.3.2 Chiết suất hiệu dụng……………………………………………….

18

1.2.3.3 Tốc độ ăn mịn……………………………………………………..

20

KẾT LUẬN CHƯƠNG I……………………………………………………….

22

CHƯƠNG 2 MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA BỘ LỌC QUANG

23

2.1 Cơ sở tốn học để phân tích và mơ phỏng màng đa lớp…………………..

23

2.1.1 Phương pháp ma trận truyền…………………………………………..

24

2.1.2 Chương trình mơ phỏng……………………………………………….

25

2.2 Kết quả mô phỏng bộ lọc quang học giao thoa dựa trên tinh thể quang tử


một chiều………………………………………………………………………

29

2.2.1 Kết quả mô phỏng về bộ lọc quang học giao thoa một chiều băng
rộng dựa trên tinh thể quang tử một chiều….…………………………………

29

2.2.2 Kết quả mô phỏng về bộ lọc quang học giao thoa một chiều băng
hẹp dựa trên tinh thể quang tử một chiều….…………………………………

36

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2…………………………………………………………….

41

CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG……………..

43

3.1 Nguyên lý, qui trình chế tạo màng đa lớp bằng phương pháp ăn mịn điện
hóa……………………………………………………………………………...

43

3.1.1 Ngun lý chế tạo………………………………………………….......

43

3.1.2 Chế tạo bộ lọc quang học dựa trên màng đa lớp silic xốp……………..

44

3.2 Thiết kế chế tạo bộ lọc quang học giao thoa dựa trên tinh thể quang tử
một chiều………………………………………………………………………

47

3.2.1 Thiết kế bộ lọc quang học giao thoa băng rộng………………………

47

3.2.2 Thiết kế bộ lọc quang học giao thoa băng hẹp………………………..

48

3.3 Các kết quả chế tạo bộ lọc quang học giao thoa dựa trên quang tử một
chiều……………………………………………………………………………

51

3.3.1 Các kết quả chế tạo bộ lọc quang học giao thoa băng rộng dựa trên
tinh thể quang tử một chiều……………………………………………………

51

3.3.2 Các kết quả chế tạo bộ lọc quang học giao thoa băng hẹp dựa trên tinh
thể quang tử một chiều………………………………………………………...

61

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.....................................................................................

68

Kết luận của luận văn.........................................................................................

69

Danh mục cơng trình cơng bố của tác giả……………………………………...

71

Tài liệu tham khảo ............................................................................................

72

Phụ lục…………………………………………………………………………

74


Danh sách các từ viết tắt

1D,2D,3D

1 direction, 2 directions, 3 directions

DBRs

Distributed Bragg Reflectors

Fcc

Face centered cubic

FDTD

Finite Difference Time Domain

FWHM

Full Width at Half Maximum

FE-SEM

Field - Scanning Electron Microscopy

HF acid

Hydrogen Flouride acid

IC

Integrated Circuit

PBG

Photonic Bandgap

PCs

Photonic Crystals

PWM

Plane Wave Method


1

MỞ ĐẦU
Tinh thể quang tử là một loại vật liệu mới có nhiều nét tương đồng tinh thể
bán dẫn - một vật liệu làm nên cuộc cách mạng mới về sự phát triển của cơng
nghiệp vi điện tử (IC). Chính nhờ sự phát triển của ngành công nghiệp này chúng
ta đã chế tạo được những máy tính cá nhân gọn, nhẹ với tốc độ cao, những hệ
thống thông tin viễn thông siêu tốc băng thông rộng. Tinh thể quang tử là một cấu
trúc khơng gian tuần hồn của các vật liệu có hằng số điện mơi khác nhau. Sự biến
đổi tuần hồn của hằng số điện mơi làm xuất hiện vùng cấm quang (photonic
bandgap - PBG) trong cấu trúc vùng (được hiểu là mối liên hệ giữa tần số và số
sóng) của tinh thể quang tử. PBG trong tinh thể quang tử có vai trị giống như
vùng cấm về năng lượng trong tinh thể điện tử.
Chúng ta có thể sử dụng tinh thể quang tử để điều khiển, giam giữ và kiểm
sốt ánh sáng trong khơng gian ba chiều. Tinh thể quang tử có thể cấm hồn tồn

các sóng điện từ có bước sóng trong PBG lan truyền qua nó mà không phụ thuộc
vào sự phân cực của ánh sáng. Tinh thể quang tử có thể tạo ra sự dẫn sóng ít bị
mất mát năng lượng để hướng dịng ánh sáng truyền theo một hướng cụ thể (thậm
chí với những chỗ rẽ cong đến 900)… Trên thực tế, tinh thể quang tử được xem
như linh kiện then chốt cho các mạch tích hợp quang trong thơng tin quang và các
hệ thống máy tính lượng tử trong tương lai. Với khả năng kiểm soát sự lan truyền
và bức xạ tự phát ánh sáng, tinh thể quang tử có ảnh hưởng to lớn đến sự phát triển
công nghệ chế tạo các bộ lọc quang, các chuyển mạch quang tốc độ cao, các hốc
quang, các điốt quang, các laser ngưỡng thấp, các ống dẫn sóng với các nhánh rẽ
ánh sáng đột ngột ứng dụng trong thơng tin quang và các sensor hóa, sinh học…
Trong các loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử một chiều là loại tinh thể
đơn giản nhất. Tuy nhiên tinh thể một chiều lại có những ưu điểm riêng như dễ
dàng chế tạo hơn, có thể sử dụng để nghiên cứu một số khía cạnh của tinh thể
quang tử nhiều chiều hơn và có thể dẫn đến những ứng dụng và các linh kiện mà
chúng không yêu cầu phải cấm hoàn toàn (về mọi hướng) sự lan truyền qua hay
bức xạ ánh sáng. Tinh thể quang tử một chiều với chiết suất đồng nhất trong mỗi
lớp được biết đến dưới tên gọi là tấm phản xạ Bragg phân bố hay thông dụng hơn
là bộ lọc quang học giao thoa. Loại bộ lọc này là một trong các linh kiện quang
học khá thông dụng, trước đây thường được chế tạo bằng phương pháp phún xạ


2
hay bay hơi nhiệt một cách lần lượt các oxít để tạo ra màng mỏng đa lớp có chiết
suất thay đổi tuần hồn. Ngày nay, dựa trên cơng nghệ điện hóa phiến silic chúng
ta có thể chế tạo được màng silic xốp đa lớp có tính năng như một bộ lọc quang
học giao thoa. Các bộ lọc quang băng rộng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ
Bragg chế tạo từ màng silic xốp đa lớp có thể đạt được độ rộng phổ từ vài chục
đến vài trăm nano mét. Trên cơ sở bộ lọc quang băng rộng này, chúng ta có thể
chế tạo được các bộ lọc băng hẹp có độ rộng phổ chỉ vài nano mét với độ suy hao
thấp dưới dạng các buồng vi cộng hưởng. Ưu điểm của các bộ lọc chế tạo bằng

phương pháp này là tích hợp thuận lợi với cơng nghệ vi điện tử để tạo ra mạch tích
hợp quang với vùng phổ hoạt động được trải rộng từ nhìn thấy, qua hồng ngoại
đến tận vùng siêu vi ba.
Với những lý do trên và đồng thời dựa vào trang thiết bị hiện có của phịng thí
nghiệm tơi đã chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là:
“Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) trên cơ sở
màng đa lớp silic xốp.”
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có ba chương với nội dung như
sau:
Chương 1: Tổng quan về tinh thể quang tử một chiều
Chương 2: Mơ phỏng các đặc tính quang học của bộ lọc quang
Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU

Việc tìm ra chất bán dẫn (tinh thể điện tử) đã mở ra thời kỳ mới cho sự phát
triển của nền công nghiệp vi điện tử. Điều này dẫn đến việc giảm giá thành, tăng
tốc độ hoạt động của các linh kiện cũng như thiết bị điện tử. Tuy nhiên, nó ngày
càng khó khăn để duy trì tốc độ tăng trưởng này do các tác động bất lợi của điện
trở, điện dung và điện cảm kí sinh mà dây dẫn kim loại trong các vi mạch gây ra
khi kích thước các vi mạch này giảm xuống tới cỡ nanomet. Để tiếp tục nâng cao
tốc độ hoạt động và tính năng của các linh kiện cũng như thiết bị, sự ra đời của
một cơng nghệ mới để có thể bổ xung, thay thế cho công nghệ điện tử là điều cần
được đặt ra. Việc bổ xung chức năng quang học vào chức năng điện hiện có trong
các vi mạch cùng với việc thay thế phần tử mang các thơng tin có ích từ điện tử
sang quang tử nhằm tạo ra các thiết bị hoạt động với những tính năng mới, ưu việt

hơn là tiền đề cho sự ra đời của một công nghệ mới - công nghệ quang tử. Cơ sở
của công nghệ này là một loại tinh thể mới - tinh thể quang tử.
Trong chương này, trước hết chúng tơi trình bày một cách khái lược về tinh
thể quang tử, các ứng dụng chủ yếu và một số nội dung cơ bản mà chúng tôi cho là
thiết yếu nhất của tinh thể quang tử . Tiếp theo, chúng tơi trình bày một cách chi
tiết những đặc trưng của tinh thể quang tử một chiều là loại tinh thể được chọn
làm đối tượng nghiên cứu của Luận văn. Phần cuối trình bày công nghệ chế tạo
màng silic xốp đa lớp là cơ sở cho việc chế tạo các bộ lọc quang học giao thoa
băng rộng và băng hẹp có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều.
1.1 Tinh thể quang tử
1.1.1

Khái niệm tinh thể quang tử:

Tinh thể quang tử là một cấu trúc tuần hồn trong khơng gian của các vật liệu
với hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi


4
theo chu kỳ trên một thang chiều dài có thể so sánh được với bước sóng ánh sáng
đang được nghiên cứu. Sở dĩ gọi là “ tinh thể ” vì nó được tạo nên bởi sự sắp xếp
tuần hồn của các đơn thể cơ bản và đối tượng của “ tinh thể ” này là các quang tử.
Như chúng ta đã biết, đặc tính vật lý của vật chất mà nó có tác động lên sự chuyển
động của các quang tử là chiết suất, vì vậy tính tuần hồn của các đơn tử mà chúng
ta vừa nói ở trên chính là sự tuần hồn của chiết suất. Tính tuần hồn về chiết suất
làm cho tinh thể quang tử có thể giam giữ được ánh sáng và hạn chế một cách
hoàn toàn bức xạ tự nhiên nếu một nguồn ánh sáng nằm trong chính tinh thể này
trong một dải tần số hay dải bước sóng nhất định mà ta thường gọi là vùng cấm
quang (PBG). Ví dụ, nó có thể ngăn không cho ánh sáng truyền qua; định xứ các
photon (với những tần số nhất định) tại các vùng đặc trưng; điều khiển các q

trình bức xạ hoặc cưỡng bức; có thể định hướng dòng ánh sáng theo những hướng
cụ thể, thậm chí có thể thay đổi đột ngột hướng truyền của ánh sáng mà ít gây tổn
thất năng lượng.
1.1.2

Các đặc tính và thơng số quan trọng của tinh thể quang tử

Tinh thể quang tử được đăc trưng bởi một số thông số cơ bản sau:
Số chiều: Một chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D) tùy thuộc vào sự
tuần hồn của chiết suất theo các chiều trong khơng gian (hình 1.1).

Hình 1.1 Giản đồ minh họa các cấu trúc tinh thể tinh thể quang tử 1D, 2D, và
3D. Các tinh thể này có cấu trúc tuần hồn về hằng số điện môi (chiết suất) được
cấu tạo từ các vật liệu khác nhau theo các chiều không gian.
Sự đối xứng: các tinh thể quang tử nói chung đều có tính đối xứng. Cách sắp
xếp các đơn thể trong cấu trúc của tinh thể quang tử sẽ xác định tính đối xứng của


5
mạng tinh thể. Hình 1.2 minh họa một vài sự đối xứng ba chiều có thể thấy trong
những mạng Bravais của các cấu trúc tinh thể quang tử.

Hình 1.2 Minh họa các cách sắp xếp của đơn tinh thể tạo nên các cấu trúc
tinh thể quang tử với các đối xứng khác nhau. a) lập phương đơn, b) lục giác
đơn, c) lập phương tâm thể, d) lập phương tâm mặt, e) lục giác xếp chặt, f) mạng
kim cương.

Hình 1.3 Một mạng fcc với sự đối xứng như nhau có thể cho thấy những cấu
trúc liên kết khác nhau. a) và b) là các hạt cầu điện trong khơng khí, c) và d) là
các hạt cầu khơng khí trong một điện môi

Hằng số mạng (a): là chu kỳ không gian của các đơn thể cấu tạo nên tinh thể
quang tử tương tự như hằng số mạng của các tinh thể thông thường được cấu tạo
nên bởi dãy đều đặn các nguyên tử. Trong trường hợp mạng lập phương hằng số
thường được lấy là cạnh của hình lập phương.
Hệ số lấp đầy (f): là tỷ lệ thể tích các đơn thể tạo nên tinh thể quang tử và thể
tích tinh thể quang tử.
Chiết suất hiệu dụng (neff): là căn bậc hai của hằng số điện môi hiệu dụng
(εeff). Hằng số điện môi hiệu dụng được tính là giá trị trung bình hằng số điện môi
của các vật liệu tạo thành tinh thể quang tử:
εeff = (1-f)ε1 + fε2

(1.1)

trong đó f là tỉ lệ lấp đầy, ε1 và ε2 tương ứng là hằng số điện môi của chất nền
(khe hở giữa các đơn tinh thể tạo nên tinh thể quang tử) và của các đơn tinh thể.


6
Sự tương phản chiết suất( δ): là tỷ số giữa chiết suất của vật liệu có hằng số
điện mơi cao( nH) ( vật liệu tạo nên đơn thể và vật liệu nền) và vật liệu có hằng số
điện mơi thấp( nL). δ= nH/nL.
1.1.3

Các ứng dụng của tinh thể quang tử

Tinh thể quang tử một chiều (1D) được sử dụng trong việc kiểm soát và điều
chỉnh ánh sáng ở mức độ chính xác cỡ bước sóng, như việc tạo ra tinh thể quang
tử 1D được sử dụng như những bộ lọc 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 bộ lọc dải.

Hình 1.4 Các sợi quang tử trong hình a) sợi là một lõi rỗng được bao quanh bởi
một gương phản xạ Bragg( tinh thể quang tử 1D) cho tất cả các hướng. Trong
hình b) sợi một lõi rỗng được bao quanh bởi một tinh thể quang tử 2D.

Hình 1.5 Ống dẫn sóng trong tinh thể quang tử 2D. a) tách góc rộng, b) mặt
cắt ống dẫn sóng, c) các chỗ cong khơng tổn thất và d) bộ lọc sụt kênh
Tinh thể quang tử 2D đã được sử dụng trong các bộ tách ghép bước sóng, điốt
bức xạ ánh sáng hiệu suất cao, mà trong đó người ta sử dụng tinh thể quang tử để
lấy ánh sáng khỏi hệ dẫn sóng tích hợp.


7
Tinh thể quang tử hai chiều (2D) có thể dễ dàng tích hợp với bộ dẫn sóng
phẳng, cơng nghệ quang sợi cho thông tin viễn thông, như giảm thiểu mất mát
trong đường truyền, trong ghép nối và dẫn sóng (như trong Hình 1.5).
Tinh thể quang tử ba chiều (3D) có khả năng hạn chế hoàn toàn sự truyền qua
của ánh sáng cũng như bức xạ tự do của các tâm bức xạ có mặt trong tinh thể
quang tử.
Sự hạn chế của bức xạ nhiệt hồng ngoại đã được chứng minh bởi các nghiên
cứu của Fleming, khi đó các tinh thể quang tử kim loại có thể được sử dụng như
các nguồn bức xạ hiệu suất cao. Các laser ngưỡng thấp bắt đầu được phát triển với
các tinh thể quang tử 1D và 2D.
1.2 Tinh thể quang tử một chiều dựa trên silic xốp
Trong Luận văn này, chúng tôi chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu và chế
tạo tinh thể quang tử với cấu trúc tuần hồn một chiều có tác dụng như một bộ lọc
quang học giao thoa trên nền silic xốp. Đây là cấu trúc đơn giản nhất trong tinh thể
quang tử một chiều và được xem như là đơn vị cơ bản để thiết kế nên những tinh
thể một chiều phức tạp khác như là: bộ lọc băng hẹp - buồng vi cộng hưởng
(microcavity), gương phản xạ đẳng hướng, màng dẫn sóng bằng tinh thể quang

tử…Dưới đây, cấu trúc và các tính chất của tinh thể quang tử một chiều và silic
xốp sẽ được nghiên cứu một cách tỷ mỷ.
1.2.1
Tinh thể quang tử một chiều đƣợc thiết kế nhƣ một bộ lọc giao
thoa
a. Bộ lọc quang giao thoa băng rộng – Gƣơng phản xạ Bragg (Distributed
Bragg Reflectors)
Bộ lọc băng rộng hay 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. Mơ hình đơn giản của hiện tượng nhiễu
xạ được trình bày trong hình 1.6 [9],[15], trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp
lớp giống hệt nhau, mỗi cặp lớp gồm hai lớp có chiết suất n1 và n2 khác nhau
tương ứng với độ dày d1, d2. Hiện tượng phản xạ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp
vật liệu với chiết suất khác nhau. Trong trường hợp chỉ có một lớp trên đế, tia
phản xạ là kết quả của sự giao thoa của hai tia: một tia phản xạ ở mặt trên của


8
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 1.6: (a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp
và (b) trong trường hợp màng đa lớp
Bộ lọc quang học giao thoa băng rộng là cấu trúc nhiều lớp được hình thành
bởi sự lặp đi lặp lại tuần hoàn của một cặp gồm hai lớp có chiết suất khác nhau nH
và nL có độ dày tương ứng hH và hL. Phổ phản xạ của nó có dạng một cực đại
phản xạ trung tâm (cực đại chính) và hai bên có các cực đại phụ, 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 bộ lọc, tức là bị “cấm”truyền qua cấu trúc,
vì vậy vùng bước sóng này cịn được gọi là vùng cấm hay là chúng bị lọc ra khỏi
một dải tần.
Bộ lọc dải rộng được sử dụng nhiều nhất là bộ lọc (Gương phản xạ Bragg DBR) phần tư bước sóng, đó là loại bộ lọc có độ dài quang học của các lớp là


9
nH.hH=nLhL=λ/4 và chu kỳ của cấu trúc là Λ=hH+h. Sơ đồ cấu trúc của một DBR
được trình bày như hình 1.7.

Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, ni và hi là chiết suất và bề
dày tưong ứng của lớp i, N là số chu kỳ.
Trong phần giải thích q trình hình thành silic xốp, chúng tơi 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 sốt bằng cách thay đổi các thơng số
điện hóa trong quá trình chế tạo [6],[9].
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 1.2:
m. = 2n.d.sin

(1.2)

Trong đó: m là số nguyên,  là bước sóng của ánh sáng tới, d là chiều dày của
một lớp, và  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).

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 1.8) 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.


10

Hình 1.8 Hình minh họa của các hiệu ứng phản xạ của một bộ lọc băng rộng.
a) ánh sáng phản xạ tại mỗi mặt phân cách giữa các lớp có chiết suất khác nhau,
b) phổ phản xạ của một bộ lọc băng rộng dựa trên tinh thể quang tử một chiều
[9],[19].
Như ta đã biết, 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) . Như vậy, khi phản xạ thì quang
2

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


2

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 mơi trường chiết

cao hơn), quang trình của tia sáng sẽ tăng thêm
(hiện tượng mất nửa sóng). Từ
2

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


2

 m


2

. Công thức 2.4 được viết lại là:
(1.3)

Do đó, hai tia đầu tiên được phản xạ trong một pha và sẽ giao thoa kết hợp.
Khi nghiên cứu với   900 ; m  1 thì điều kiện phản xạ Bragg trở thành:


11
nd 


4

(1.4)

Điều kiện này áp dụng cho PC 1D với cấu trúc tuần hồn của các lớp điện mơi
có chiết suất cao và thấp sắp xếp xen kẽ nhau. Đây là cơng thức chính chúng tơi sử
dụng để tính tốn và chế tạo mẫu có đỉnh phản xạ tại các bước sóng khác nhau
theo mong muốn.
b. Bộ lọc băng hẹp – Buồng vi cộng hƣởng (Microcavities)
Cấu trúc của bộ lọc băng hẹp (còn được gọi là bộ lọc Fabri-Perot) bao gồm hai
bộ lọc băng rộng giống hệt nhau đặt đối xứng với nhau bởi một lớp đệm. Lớp đệm
này có chiết suất có thể giống hoặc khác so với các lớp được sử dụng trong các
DBR. Độ dài quang học của lớp đệm có thể là λ hoặc λ/2 [15]. Hình 1.9 cho thấy
sơ đồ cấu trúc của một bộ lọc băng hẹp. Phổ phản xạ của cấu trúc này được đặc
trưng bởi một dải truyền qua rất hẹp ở giữa dải cực đại trung tâm.

Hình 1.9. Sơ đồ cắt ngang của một buồng vi cộng hưởng. Chiết suất của lớp
đệm là ns và bề dày của lớp này là ds. Lớp đệm được đưa vào giữa hai DBR đối
xứng với chiết suất của các lớp là nH, nL và bề dày dH, dL
1.2.2
Cơ sở cho quá trình hình thành bộ lọc giao thoa trên cơ sở màng
silic xốp đa lớp
Hiện nay phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D dựa trên màng silic xốp
đa lớp chế tạo bằng phương pháp ăn mịn 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 quang tử có cực đại phản xạ ở bước sóng mong muốn. Ngồi ra, chúng ta
có thể dễ dàng tạo ra các khuyết tật để tạo thành các bộ lọc dải hẹp - vi hốc cộng
hưởng (microcavity), tạo tiền đề cho việc chế tạo các laser phát mặt. Hơn nữa, các


12
tinh thể quang tử 1D chế tạo bằng phương pháp này có độ phản xạ rất cao (thường

trên 70%). Vì vậy tôi tập trung vào chế tạo các tinh thể quang tử 1D bằng phương
pháp ăn mịn điện hóa phiến silic. Dưới đây là cơ sở của quá trình ăn mịn điện
hóa cũng như các thơng số đặc trưng ảnh hưởng tới sự hình thành.
1.2.2.1

Sự hình thành silic xốp

Silic xốp chủ yếu được tạo ra từ sự ăn mòn điện hoá các phiến Silic trong các
dung dịch axit HF [2],[13]. Hình 1.10 là sơ đồ chế tạo silic xốp: anot là phiến silic
có bề mặt được tiếp xúc với dung dịch HF, catốt được làm bằng platin.

Hình 1.10. Sơ đồ ngun lý chế tạo silic xốp
Thơng thường khi khơng có sự chênh lệch điện thế giữa anot và catot thì
silic khơng bị ăn mịn trong dung dịch HF. Nhưng dưới tác dụng của dòng điện các
lỗ trống được tạo ra giữa bề mặt của silic và chất điện phân và ion F- tác động lên
liên kết Si - H, sau đó tạo ra một liên kết Si – F và một ion H+. Theo cách này, có
nhiều những liên kết Si – F được tạo ra. Cuối cùng SiF4 sẽ được hình thành trên bề
mặt và silic sẽ bị ăn mòn. Các phản ứng này bao gồm :
Si + 2HF
SiF2 + 2HF
SiF4 + 2HF

 SiF2 + 2H+
 SiF4 + H2

H2SiF6

Hoặc cơ chế được mơ tả như trong hình 1.11.

(1.1)

(1.2)
(1.3)


13

Hình 1.11: Cơ chế sự hồ tan của Si trong HF theo Lehmand và Gosele [19]
Sơ đồ đã cho thấy, trong quá trình hình thành các lỗ xốp thì Si bị hịa tan
đồng thời có khí hidro thốt ra. Các bọt khí Hydro sinh ra bám vào bề mặt và xung
quanh tạo ra độ sâu không đồng đều. Để cải thiện tính đồng nhất các lớp, các bọt
khí này cần phải được loại bỏ. Một trong những biện pháp thích hợp nhất để khắc
phục vấn đề này đó là bổ sung một hoạt chất bề mặt vào trong dung dịch HF. Các
hoạt chất bề mặt được sử dụng rộng rãi trong trường hợp hình thành silic xốp đó là
cồn tuyệt đối (Ethanol). Thông thường, để loại bỏ ảnh hưởng của bọt khí, nồng độ
cồn phải khơng dưới 15%.
Q trình hình thành các nano tinh thể Si bằng điện hóa là một q trình “tự
giới hạn” có nghĩa là khi các nano Si đạt tới một kích thước xác định trong một tổ
hợp các điều kiện điện hóa (như thế phân cực, nồng độ dung dịch điện hóa, nồng
độ pha tạp của đế Si…) thì q trình ăn mịn nano Si này không tiếp tục xảy ra nữa
và được gọi là kích thước tới hạn. Có thể giải thích hiện tượng này bằng lý thuyết
“tự giới hạn”. Về mặt hóa học ta đã biết: phản ứng hòa tan Si trong dung dịch HF
cần có sự tham gia của lỗ trống. Về mặt vật lý: khi nhúng phiến Si trong dung dich
điện hóa, tại mặt phân cách giữa Si và dung dịch sẽ hình thành một rào thế
Schottky mà chiều cao của nó phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm của Si, thế phân
cực điện hóa và nồng độ dung dịch. Khi bị ăn mòn, độ rộng vùng cấm của nano Si
tăng do hiệu ứng giam giữ lượng tử làm tăng độ cao rào thế bề mặt có tác dụng
ngăn cản các lỗ trống chuyển dịch từ Si ra đến bề mặt phân cách Si-dung dịch.
Việc ngừng cung cấp lỗ trống khiến q trình ăn mịn bị dừng lại và ứng với nó là
nano Si đạt kích thước tới hạn. Kích thước tinh thể Si trong silic xốp loại mesopore
vào khoảng 20nm với tốc độ bọc của màng (hay tốc độ ăn mịn) cớ 40nm/s thì thời

gian tạo ra một nano cỡ 0,5s là khá nhỏ so với thời gian hình thành một lớp xốp có


14
chiều dày tương ứng với bước sóng ánh sáng nghiên cứu.
Trong một tổ hợp các điều kiện điện hóa xác định, khi thay đổi mật độ dòng
thực chất là ta thay đổi thế phân cực và do đó thay đổi kích thước tới hạn của các
nano Si. Đây chính là cơ sở cho việc kiểm soát độ xốp (hay là chiết suất của màng
Si xốp) bằng mật độ dòng. Nếu cho rằng độ dày lớp xốp phụ thuộc đơn nhất vào
thời gian ăn mịn (khi các điều kiện điện hóa khác khơng đổi) thì việc kiểm sốt
mật độ dịng điện hóa theo thời gian ăn mịn sẽ dẫn đến việc kiểm soát được chiết
suất của màng xốp theo thời chiều sâu (profile chiết suất của màng xốp). Đó chính
là cơ sở để tạo màng silic xốp đa lớp bằng phương pháp điện hóa.
Silic xốp được đặc trưng bởi độ xốp, độ dày và đường kính lỗ rỗng. Các thơng
số này phụ thuộc vào điều kiện anot hoá (anodization). Cụ thể là: nồng độ axit HF,
mật độ dòng, loại vật liệu silic, điện trở suất, thời gian anot hoá, sự chiếu sáng,
nhiệt độ, độ ẩm môi trường xung quanh và điều kiện làm khơ. Đối với một mật độ
dịng, độ xốp giảm khi nồng độ HF tăng. Khi tăng nồng độ HF và mật độ dòng, độ
xốp và độ dày sẽ tăng. Xảy ra điều này bởi vì có sự bổ sung sự hồ tan hố học của
lớp silic xốp trong dung dịch HF. Hơn nữa, độ dày của lớp silic xốp được xác định
bởi thời gian anot hoá, tức là thời gian mà mật độ dòng được sử dụng. Thời gian
anot hóa càng dài, độ dày các lớp silic xốp càng tăng. Như vậy, bằng cách thay
đổi mật độ dòng tuần hồn theo chu kỳ (dạng xung vng ba mức) trong q trình
ăn mịn, chúng tơi có thể tạo ra các cấu trúc đa lớp có chiết suất và độ dày thay đổi
tuần hoàn sắp xếp xen kẽ nhau, tức là đã tạo ra PC 1 chiều.
1.2.2.2

Kích thƣớc và hình thái lỗ xốp

Các lỗ xốp được chia làm 3 loại theo kích thước lỗ của chúng [16]:

micropores, mesopores và macropores tương ứng với đường kính trung bình của
lỗ là: 2nm, 20-50nm và > 50nm.
Hình thái của lỗ rỗng được đặc trưng bởi các yếu tố như hình dạng (trơn,
phân nhánh, vát cạnh,…), sự định hướng, liên kết giữa các lỗ,... Đối với lỗ xốp
silic microporous, mesoporous có cấu trúc giống bọt biển dày đặc và phân nhánh
lỗ xốp ngẫu nhiên và không hiển thị một định hướng rõ ràng. Các xu hướng phân
nhánh tăng khi đường kính lỗ xốp giảm. Ngược lại, silic macroporous có thể có
các lỗ riêng biệt với thành nhẵn cùng với sự phân nhánh nhỏ hoặc với sự phân
nhánh dạng cây.


15
Các lỗ rỗng phát triển ưu tiên theo hướng (100) và hướng tới điện cực
dương, nơi q trình ăn mịn điện hóa xảy ra. Lỗ rỗng và thành nhẵn có xu hướng
định hướng theo nguồn, trong khi lỗ rỗng phân nhánh dạng cây định hướng theo
hướng (100).
Sự hình thành của silic xốp là có chọn lọc đối với sự pha tạp của đế. Một số
xu hướng chung về hình thái các lớp có thể được bắt nguồn từ các loại đế ban đầu
khác nhau. Trong hình 1.12 là ảnh TEM mặt cắt ngang của 4 mẫu silic xốp với đế
khác nhau [12]. Ta quan sát thấy rõ sự khác nhau về hình thái của mỗi loại. Đối
với silic pha tạp loại p, kích thước và khoảng cách liên kết giữa các lỗ là rất nhỏ
(hình 1.12a), thơng thường nằm trong khoảng từ 1 đến 5 nm, và mạng lỗ trống rất
đồng nhất và được kết nối với nhau. Khi nồng độ chất pha tạp tăng lên, kích thước
lỗ và khoảng cách liên kết các lỗ tăng. Cấu trúc trở thành khơng đẳng hướng, với
chiều dài lỗ rỗng chạy vng góc với bề mặt, như thấy rất rõ trong silic pha tạp
mạnh loại p (p+) (hình 1.12c).

Hình 1.12: Mặt cắt ngang hình ảnh TEM cho thấy sự khác nhau cơ bản trong
hình thái giữa các loại khác nhau của mẫu. (a) silic pha tap loại p, (b) silic pha
tạp loại n, (c) silic pha tap loại p+, (d) silic pha tạp loại n+.

Đối với silic pha tạp loại n tình hình phức tạp hơn. Nói chung, lỗ trống trong
silic pha tạp loại n lớn hơn so với silic pha tạp loại p, và kích thước lỗ, khoảng
cách liên kết các lỗ giảm khi tăng nồng độ chất pha tạp. Đối với đế Silic pha tạp


16
nhẹ loại n khi bị anot hóa trong bóng tối sẽ có độ xốp thấp (1-10%), với những lỗ
trong phạm vi micromet. Dưới ánh sáng, giá trị của độ xốp cao hơn và
mesoporous được hình thành cùng với macroporous.
1.2.2.3

Các thơng số anot hóa

Các nghiên cứu sự hình thành silic xốp bằng ăn mịn điện hóa [1],[10] đều cho
thấy các tham số ảnh hưởng tới quá trình này là:
- Sự pha tạp của phiến silic gồm: loại tạp và nồng độ tạp;
- Mật độ dòng;
- Nồng độ HF: nồng độ càng cao, kích thước lỗ và độ xốp càng nhỏ. Nồng
độ HF quyết định JPS, đó là giới hạn trên của giá trị mật độ dịng.
- Các dung mơi dùng để pha lỗng HF: vì silic xốp là loại vật liệu kỵ nước
nên việc sử dụng ethanol làm chất pha loãng HF sẽ đảm bảo tính đồng nhất và khả
năng thấm ướt bề mặt tốt hơn so với nước khử ion hóa.
- Thời gian ăn mịn: thời gian ăn mịn dài dẫn đến các lớp dày hơn, nếu
khơng có thời gian dài sẽ xảy ra tính dị hướng đối với chiều sâu trong lớp do hoạt
động hóa học của chất điện phân.
- Sự chiếu sáng trong suốt q trình ăn mịn: áp dụng cho đế silic loại n [10]
Độ xốp, độ dày, đường kính lỗ và cấu trúc vi mơ của silic xốp phụ thuộc
vào điều kiện anot hóa, được giải thích ngắn gọn trong bảng 1.1, những hàng có
dấu gạch đứt là giá trị chưa xác định. Các điều kiện này bao gồm nồng độ HF, mật
độ dòng, loại tấm (cấu hình tấm silic) và điện trở suất, thời gian anot hóa, thời gian

chiếu sáng (địi hỏi cho silic loại n và loại p), nhiệt độ, độ ẩm môi trường xung
quanh và điều kiện làm khô.
Đối với một mật độ dòng ổn định, độ xốp giảm khi nồng độ HF tăng


17
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của các thơng số anot hóa đến sự hình thành silic xốp.
Tăng các thơng số trong cột đầu tiên dẫn đến sự thay đổi của các thành phần
còn lại.
Độ xốp

Tốc độ ăn mòn

Dòng tới hạn

Nồng độ HF

Giảm

Giảm

Tăng

Mật độ dịng

Tăng

Tăng

--------

Thời gian anot
hóa

Tăng

Nhiệt độ

-------

--------

Tăng

Giảm

Tăng

Tăng

Tăng

Tăng

--------

Tấm pha tạp

Hầu như khơng
đổi

--------

( loại p)
Tấm pha tạp
( loại n)
Độ dày của lớp silic xốp được xác định bởi thời gian mà mật độ dịng được
thiết lập, đó là thời gian anot hóa. Để có một lớp dày hơn, thời gian anot hóa phải
dài hơn. Vì lý do này, sự thay đổi có chu kỳ của mật độ dịng trong suốt q trình
ăn mịn cho phép tạo ra màng đa lớp với các độ dày quang học khác nhau.
Tất cả những đặc điểm này góp phần hình thành PC một chiều trên nền silic
xốp đa lớp với phương pháp chế tạo đơn giản và giá thành rẻ.
1.2.3
1.2.3.1

Đặc điểm của silic xốp.
Độ xốp (P)

Phương pháp đơn giản nhất để xác định độ xốp theo trọng lượng được thể hiện
trong công thức 1.4:
%P 

m1  m2
m1  m3

(1.4)


18
(Trong đó, m1 là khối lượng của silic trước khi bị anot hóa, m2 là khối lượng

silic ngay sau anot hóa, và m3 là khối lượng các lớp silic xốp sau khi bị hòa tan
trong một dung dịch của muối hydroxit)
Hình 1.13 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. Việc tính toán độ xốp
với các nồng độ HF và chất nền pha tạp khác nhau có thể tham khảo trong [17].

Hình 1.13 : 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/cm2 đến 100 mA/cm2[23].
1.2.3.2

Chiết suất hiệu dụng

Silic xốp là một hỗn hợp của silic và không khí, chiết suất của silic xốp dự
đốn sẽ thấp hơn so với chiết suất của khối silic. Việc xác định chính xác chiết
suất trung bình của silic và khơng khí khơng phải là đơn giản. Tổng quan cơng cụ
tính tốn về chiết suất hiệu dụng của silic xốp được trình bày trong tài liệu [4].
Bằng cách thay đổi điều kiện ăn mịn, gần như tồn bộ phạm vi của chiết suất từ 1
(khơng khí trong lỗ xốp) đến 3,5 (khối silic) có thể đạt được trong silic xốp.


19

Hình 1.14: Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng của silic xốp
[22]
Hình 1.14 cho thấy một so sánh của Bruggeman [7], Maxwell-Garnett [13], và
Looyenga [11] với quan hệ tương đối giữa độ xốp và chiết suất của silic xốp. Cơng
thức 1.4 dùng cho vật liệu có độ xốp vừa phải, nghiên cứu hệ thống hình dạng các
hạt không đồng đều [24] và mạng liên kết với độ xốp dưới 66%.

Công thức 1.5 mà Maxwell-Garnett đưa ra phù hợp với hệ thống vật liệu có độ
xốp cao và các hạt hình cầu cơ lập cách nhau với khoảng cách lớn. Do đó, nói
chung khơng thích hợp cho silic xốp.
(1.5)

Công thức Looyenga (1.6) 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.
1/3
𝜀𝑃𝑆𝑖

1
3

1
3

= 1 − 𝑃 𝜀𝑆𝑖 + 𝑃𝜀𝑣𝑜𝑖𝑑

(Looyenga)

(1.6)


20

Hình 1.15: 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 khơng khí [23].

Trong các biểu thức trên, P là độ xốp, εSi là hằng số điện môi của silic, εPSi là
hằng số điện môi hiệu dụng của silic xốp, và εvoid là hằng số điện môi của các lỗ
xốp. Chiết suất được xác định bằng cách lấy căn bậc hai của hằng số điện mơi.
1.2.3.3

Tốc độ ăn mịn

Tốc độ ăn mịn phụ thuộc vào nhiều thơng 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 (rPSt) của các lớp silic xốp loại meso theo hướng (100) của loại silic P+
(0,01 cm ) trong dung dịch HF 15 % và ethanol được minh họa trong hình 1.16.
Cơng thức 1.7 cho thấy quy luật sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn vào cường độ
dòng điện (J)[23].
rPSi  1,3J 0,77

(1.7)

Đặc trưng này được áp dụng cho tất cả các cấu trúc mesoporous được nghiên
cứu trong chuyên đề này. Sự xác định đầy đủ hơn tốc độ ăn mòn với những nồng
độ HF khác nhau được trình bày trong tài liệu[19].