Điều khiển ánh sáng bằng tinh thể quang tử opal

Lê Đắc Tuyên và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 190(14): 97 - 102<br /> <br /> ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG BẰNG TINH THỂ QUANG TỬ OPAL<br /> Lê Đắc Tuyên1,*, Nguyễn Thị Hiền2<br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Mỏ - Địa chất,<br /> Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> 2<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Tinh thể quang tử là cấu trúc tuần hoàn của các vật liệu điện môi, có thể tạo ra vùng cấm quang<br /> học tác động và điều khiển ánh sáng. Với ưu điểm nổi bật về cấu trúc ba chiều và phương pháp chế<br /> tạo đơn giản, tinh thể quang tử nhân tạo opal được chế tạo bằng quy trình tự sắp xếp trên cơ sở các<br /> quả cầu silica. Hình thái học của mẫu chế tạo được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử độ phân giải<br /> cao. Vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal được nghiên cứu và phân tích bằng phổ phản xạ<br /> và truyền qua. Chúng tôi có thể điều chỉnh vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal bằng cách<br /> thay đổi kích thước quả cầu hoặc góc tới của ánh sáng. Các kết quả nghiên cứu chứng tỏ vùng cấm<br /> quang của tinh thể quang tử opal có thể điều khiển được cường độ huỳnh quang của nguyên tố đất<br /> hiếm. Tinh thể quang tử opal kết hợp với kim loại tạo ra cấu trúc tuần hoàn của các đĩa kim loại có<br /> thể hấp thụ ánh sáng.<br /> Từ khóa: Tinh thể quang tử opal; điều khiển ánh sáng; hấp thụ sóng điện từ<br /> <br /> MỞ ĐẦU*<br /> Tinh thể quang tử (photonic crystals) là một<br /> vật liệu quang học mới trên cơ sở cấu trúc<br /> tuần hoàn của chất điện môi [1,2]. Tinh thể<br /> quang tử tương tác với photon tương tự cách<br /> mà chất bán dẫn tác động lên electron. Bởi<br /> vậy, chúng ta có thể áp dụng rất nhiều tính<br /> chất đã biết của electron cho photon. Photon<br /> nhanh hơn cũng như tổn hao năng lượng ít<br /> hơn electron vì tương tác giữa chúng yếu hơn,<br /> nên một thiết bị như diode hay transistor<br /> quang học sẽ hoạt động nhanh và tốn ít năng<br /> lượng hơn diode hay transistor điện tử thông<br /> thường. Điều này giải thích vì sao tinh thể<br /> quang tử được kỳ vọng rất lớn và được quan<br /> tâm nghiên cứu cho các thiết bị quang điện tử<br /> và quang tử [3,4].<br /> Do cấu trúc tuần hoàn của chiết suất, ánh sáng<br /> bị phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách giữa<br /> các môi trường, nên tinh thể quang tử có thể<br /> tạo ra vùng cấm quang (photonic band gap).<br /> Tinh thể quang tử chặn các photon (ánh sáng)<br /> có năng lượng nằm trong vùng cấm quang và<br /> cho phép các photon khác truyền qua. Sự tồn<br /> tại của vùng cấm quang đã tạo ra nhiều hiện<br /> tượng quang học mới và thú vị, cũng như<br /> được sử dụng để điều khiển ánh sáng [1-4].<br /> *<br /> <br /> Email: ledactuyen@humg.edu.vn<br /> <br /> Ứng dụng nổi bật của tinh thể quang tử là sợi<br /> quang học dùng trong thông tin quang, mạch<br /> tổ hợp và tách sóng trong bộ xử lý tín hiệu<br /> quang học [5-7]. Tuy nhiên, hầu hết các ứng<br /> dụng chỉ sử dụng tinh thể quang tử một chiều<br /> (1D) và hai chiều (2D). Tinh thể quang tử ba<br /> chiều (3D), có ưu điểm ở khả năng điều khiển<br /> ánh sáng theo cả ba chiều không gian, đang<br /> được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu<br /> cho các ứng dụng thực tế [6-8].<br /> Tinh thể quang tử nhân tạo opal được tạo<br /> thành từ các quả cầu silica kích thước nano<br /> mét sắp xếp theo trật tự của mạng lập phương<br /> tâm mặt (fcc) xếp chặt. Với ưu điểm nổi bật<br /> về cấu trúc ba chiều và phương pháp chế tạo<br /> đơn giản, tinh thể quang tử opal là ví dụ điển<br /> hình được sử dụng nghiên cứu tính chất<br /> quang cũng như làm cơ sở cho việc nghiên<br /> cứu những tinh thể quang tử khác [8,9]. Hơn<br /> nữa, việc nghiên cứu chúng cho ta những hiểu<br /> biết cơ bản về sự tương tác giữa ánh sáng và<br /> môi trường rắn. Trong bài báo này, chúng tôi<br /> trình bày phương pháp chế tạo, tính chất<br /> quang, vùng cấm quang và khả năng điều<br /> khiển ánh sáng của tinh thể quang tử opal.<br /> PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Quả cầu silica với kích thước khác nhau được<br /> chế tạo bằng phương pháp hóa học tổng hợp<br /> 97<br /> <br /> Lê Đắc Tuyên và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> được phát triển bởi Stober [10]. Các quá trình<br /> thủy phân và ngưng tụ xảy ra liên tiếp khi<br /> TEOS (tetraethoxysilane - Si(OC2H5)4) được<br /> hòa trộn trong môi trường của hỗn hợp<br /> NH4OH, H2O,và C2H5OH. Có thể tóm tắt quá<br /> trình này bằng các phương trình phản ứng hóa<br /> học: Phản ứng thủy phân của TEOS với H2O,<br /> sau đó là quá trình ngưng tụ tạo SiO2.<br /> <br /> 190(14): 97 - 102<br /> <br /> bình của quả cầu khoảng 424 nm với độ lệch<br /> chuẩn 12 nm (~3%). Các quả cầu với độ đồng<br /> nhất cao là điều kiện cần để có thể chế tạo<br /> được những tinh thể quang tử opal chất lượng<br /> cao. Hình 1(c) là giản đồ nhiễu xạ tia X của<br /> các quả cầu silica. Đỉnh phổ nhiễu xạ tại 2 =<br /> 22 cho thấy silica có dạng vô định hình.<br /> <br /> Si(OC2H5)4 + 4H2O  Si(OH)4 + 4C2H5OH<br /> Si(OH)4  SiO2 + 2H2O<br /> Các phản ứng xảy ra trong thời gian 4 giờ với<br /> sự hỗ trợ của máy khuấy từ và nhiệt độ ổn<br /> định tại 300C. Kết quả thu được là dung dịch<br /> huyền phù màu trắng bạc có chứa các quả cầu<br /> SiO2. Các quả cầu đơn phân tán SiO2 được<br /> tách ra từ dung dịch bằng máy li tâm và rửa<br /> lại bằng H2O để chuẩn bị cho quá trình chế<br /> tạo tinh thể quang tử opal. Kích thước của quả<br /> cầu SiO2 có thể được điều khiển bằng nồng<br /> độ hóa chất tham gia phản ứng. Các quả cầu<br /> Eu3+/SiO2 cấu trúc lõi/vỏ cũng được chế tạo<br /> tương tự. Quá trình ngưng tụ SiO2 tạo thành<br /> vỏ bao bọc mầm Eu3+.<br /> Tinh thể quang tử nhân tạo opal được chế tạo<br /> bằng quy trình tự sắp xếp các quả cầu SiO2<br /> thông qua phương pháp lắng đọng trọng lực<br /> với hỗ trợ của nhiệt độ. Với cấu trúc của quả<br /> cầu Eu3+/SiO2 lõi/vỏ được tiếp tục nung ở<br /> 9000C trong 2 giờ nhằm tăng cường khả năng<br /> phát huỳnh quang của Eu3+.<br /> Hình thái học và cấu trúc của tinh thể quang<br /> tử opal được khảo sát bằng kính hiển vi điện<br /> tử độ phân giải cao. Vùng cấm quang của tinh<br /> thể được nghiên cứu thông qua phổ phản xạ<br /> và phổ truyền qua đo bằng quang phổ S2000<br /> (Ocean). Phổ huỳnh quang được đo bằng máy<br /> quang phổ MicroHR (Jobin Yvon).<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử<br /> dụng khảo sát hình thái học của mẫu chế tạo.<br /> Hình 1(a) trình bày ảnh SEM của quả cầu<br /> SiO2, các quả cầu SiO2 có độ đồng nhất cao<br /> và đơn phân tán. Sự phân bố kích thước hạt<br /> được mô tả trên hình 1(b), kích thước trung<br /> 98<br /> <br /> Hình 1. (a) Ảnh SEM của quả cầu nano SiO2, (b)<br /> Phân bố kích thước hạt, (c) Giản đồ nhiễu xạ tia X<br /> của mẫu SiO2<br /> <br /> Hình 2(a) là ảnh SEM bề mặt của tinh thể<br /> quang tử opal sau khi các quả cầu SiO2 tự sắp<br /> xếp bằng quá trình lắng đọng trọng lực. Các<br /> quả cầu xếp chặt theo cấu trúc mạng lập<br /> phương tâm mặt với họ mặt (111) song song<br /> với bề mặt của mẫu. Các quả cầu SiO2 trên<br /> mặt (111) có đối xứng lục giác.<br /> Hình 2(b) trình bày phổ phản xạ và phổ<br /> truyền qua theo phương vuông góc với mặt<br /> (111) của tinh thể quang tử opal. Tại bước<br /> <br /> Lê Đắc Tuyên và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> sóng mà ánh sáng phản xạ mạnh thì độ truyền<br /> qua yếu và ngược lại. Vùng cấm quang ức<br /> chế, không cho ánh sáng truyền qua, nên ánh<br /> sáng bị phản xạ mạnh tại đó. Vị trí của vùng<br /> cấm quang trong tinh thể quang tử opal có thể<br /> dự đoán bằng lý thuyết nhiễu xạ Bragg [11]:<br /> 111 = 2d111 (<br /> <br /> – sin2)1/2<br /> <br /> trong đó 111 là bước sóng phản xạ từ mặt<br /> (111); d111 (=0,816 D) là khoảng cách giữa hai<br /> mặt (111), phụ thuộc vào đường kính D của<br /> quả cầu; Chiết suất hiệu dụng được xác định<br /> neff = fnsphere +(1 - f)nvoid = 1,33, với nsphere và<br /> nvoid lần lượt là chiết suất của SiO2 (nsphere =<br /> 1,45) và không khí (nvoid = 1), hệ số lấp đầy<br /> của cấu trúc fcc xếp chặt f = 0,74;  là góc tới<br /> của ánh sáng. Đường kính quả cầu đo trực<br /> tiếp bằng ảnh SEM là D = 320 nm phù hợp<br /> với kết quả tính theo công thức Bragg từ phổ<br /> phản xạ là 324 nm.<br /> <br /> 190(14): 97 - 102<br /> <br /> quang bằng cách thay đổi đường kính D của<br /> quả cầu hoặc góc tới của ánh sáng. Khi kích<br /> thước quả cầu tăng thì vùng cấm quang dịch<br /> về phía bước sóng dài, nhưng khi góc tới của<br /> ánh sáng tăng thì vùng cấm quang bị dịch về<br /> bước sóng ngắn hơn. Chúng ta cần lựa chọn<br /> kích thước quả cầu cũng như góc tới phù hợp<br /> với bước sóng của ánh sáng.<br /> Hình 3 trình bày phổ phản xạ của tinh thể quang<br /> tử opal với các kích thước khác nhau của quả<br /> cầu SiO2. Kích thước của quả cầu được đo trực<br /> tiếp bằng ảnh SEM. Đỉnh phổ phản xạ thay đổi<br /> từ 546 đến 921 nm khi kích thước quả cầu tăng<br /> từ 250 đến 424 nm. Bước sóng phản xạ thay đổi<br /> tương ứng với mầu của mẫu quan sát được.<br /> Điều này chứng tỏ vùng cấm quang của tinh thể<br /> quang tử opal có thể điều khiển được thông qua<br /> kích thước của quả cầu.<br /> <br /> Hình 3. Phổ phản xạ theo phương vuông góc với<br /> mặt (111) của tinh thể quang tử opal phụ thuộc<br /> kích thước của quả cầu SiO2<br /> <br /> Hình 2. (a) Ảnh SEM bề mặt (mặt 111) của tinh thể<br /> quang tử opal, (b) Phổ phản xạ và phổ truyền qua<br /> theo phương vuông góc với mặt (111) của tinh thể<br /> quang tử opal với đường kích quả cầu D = 320 nm<br /> <br /> Trong công thức Bragg thì neff phụ thuộc vật<br /> liệu chế tạo, ta có thể thay đổi vùng cấm<br /> <br /> Tinh thể quang tử opal chế tạo từ các quả cầu<br /> Eu3+/SiO2 lõi/vỏ đồng thời có khả năng phát<br /> sáng và tạo ra vùng cấm quang [12]. Với<br /> những lựa chọn phù hợp ta có thể điều khiển<br /> sự phát sáng của tinh thể quang tử opal bằng<br /> cách thay đổi góc chiếu sáng. Hình 4(a) trình<br /> bày phổ quang huỳnh quang của quả cầu<br /> Eu3+/SiO2 lõi/vỏ được kích thích bằng bước<br /> sóng 395 nm với công suất trung bình 1 mW.<br /> Phổ huỳnh quang gồm những vạch phát xạ<br /> hẹp tương ứng với phát xạ của Eu3+ từ các<br /> chuyển mức bên trong lớp 4f là 5D0 – 7Fj (j =<br /> 99<br /> <br /> Lê Đắc Tuyên và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 0, 1, 2, 3). Đỉnh phát quang mạnh nhất tại 612<br /> nm (ứng với chuyển dời 5D0 – 7F2) được lựa<br /> chọn để khảo sát sự ảnh hưởng của vùng cấm<br /> quang lên cường độ sáng. Hình 4(b) trình bày<br /> phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal theo<br /> các góc khác nhau từ 0 – 45. Vùng cấm<br /> quang bị dịch về phía bước sóng nhỏ khi góc<br /> tới tăng. Cường độ huỳnh quang của đỉnh<br /> phát xạ 612 nm phụ thuộc vào góc đo được<br /> trình bày trên hình 4(c). Với các góc đo từ 0<br /> - 30, đỉnh phát xạ 612 nm có cường độ yếu<br /> hơn so với các góc khác vì lúc này bước sóng<br /> phát xạ trùng với vùng cấm quang. Tại góc<br /> 20, đỉnh phát xạ 612 nm có cường độ nhỏ<br /> nhất vì nó trùng hoàn toàn với vùng cấm<br /> quang. Cường độ sáng mạnh hơn khi đỉnh<br /> phát xạ không trùng với vùng cấm quang như<br /> quan sát với góc 40. Như vậy hiệu ứng vùng<br /> cấm quang của tinh thể quang tử opal có thể<br /> thay đổi, điều khiển cường độ sáng. Cường độ<br /> huỳnh quang của tinh thể quang tử opal phụ<br /> thuộc theo góc phát xạ tương ứng với vùng cấm<br /> quang, có thể được sử dụng trong việc chọn lọc<br /> cũng như điều khiển cường độ ánh sáng.<br /> Sử dụng tinh thể quang tử opal, chúng tôi chế<br /> tạo cấu trúc đĩa vàng tuần hoàn như trên hình<br /> 5(a). Tính chất quang của cấu trúc đĩa vàng<br /> được so sánh với tinh thể quang tử SiO2 opal<br /> thông qua phổ phản xạ của chúng. Hình 5(b)<br /> trình bày phổ phản xạ của SiO2 opal (đường<br /> liền nét) và cấu trúc đĩa vàng (đường nét đứt)<br /> theo phương vuông góc bề mặt mẫu với kích<br /> thước của quả cầu là 285 nm. Phổ phản xạ<br /> của cấu trúc đĩa vàng nghịch đảo với tinh thể<br /> quang tử opal. Kết quả này cho thấy dường<br /> như cấu trúc đĩa kim loại tuần hoàn đã hấp<br /> thụ ánh sáng chiếu đến. Tính chất này khác so<br /> với màng kim loại thông thường là phản xạ<br /> ánh sáng. Đây là tính chất thú vị đang được<br /> tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới.<br /> <br /> 100<br /> <br /> 190(14): 97 - 102<br /> <br /> Hình 4. (a) Phổ phản xạ theo các góc khác nhau<br /> của tinh thể quang tử opal trên cơ sở quả cầu<br /> Eu3+/SiO2 lõi/vỏ đường kính 290 nm, (b) Phổ<br /> huỳnh quang của Eu3+/SiO2 lõi/vỏ, (c) Sự phân bố<br /> cường độ huỳnh quang của tinh thể quang tử opal<br /> phụ thuộc góc đo (chuyển mức 5D0 - 7F2 của Eu3+)<br /> <br /> Hình 5. (a) Ảnh SEM bề mặt của cấu trúc đĩa<br /> vàng tuần hoàn, (b) Phổ phản xạ theo phương<br /> vuông góc của cấu trúc opal và đĩa vàng.<br /> <br /> Lê Đắc Tuyên và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> KẾT LUẬN<br /> Các quả cầu SiO2 và Eu3+/SiO2 lõi/vỏ có độ<br /> đồng nhất cao, đơn phân tán được tổng hợp<br /> bằng phương pháp hóa học. Tinh thể quang tử<br /> opal được chế tạo bằng phương pháp tự sắp<br /> xếp và vùng cấm quang của chúng có thể thay<br /> đổi thông qua kích thước quả cầu hoặc góc tới<br /> của ánh sáng. Chúng tôi đã chứng tỏ khả năng<br /> điều khiển ánh sáng bằng tinh thể quang tử<br /> opal thông qua hiệu ứng vùng cấm quang học.<br /> Cường độ huỳnh quang của tinh thể quang tử<br /> opal phụ thuộc mạnh vào vùng cấm quang,<br /> chúng có thể được điều khiển bằng cách thay<br /> đổi góc chiếu sáng. Cấu trúc đĩa tròn kim loại<br /> tuần hoàn được chế tạo trên cơ sở tinh thể<br /> quang tử oapl có khả năng hấp thụ ánh sáng.<br /> Tinh thể quang tử opal có thể được dùng<br /> trong các ứng dụng về chiếu sáng hay chọn<br /> lọc ánh sáng.<br /> LỜI CÁM ƠN<br /> Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát<br /> triển khoa học và công nghệ Quốc gia<br /> (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.022017.67 và Trường Đại học Mỏ - Địa chất<br /> (HUMG) trong đề tài mã số T17 - 39.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneuve, and S.<br /> Fan (1997), “Photonic crystals: putting a new twist<br /> on light”, Nature, 386, pp. 143-149.<br /> 2. J. M. Lourtioz, H. Benisty, V. Berger, J. M.<br /> Gérard, D. Maystre, and A. Tchelnokov (2008),<br /> Photonic crystals: Towards nanoscale photonic<br /> devices, 2nd ed. Springer.<br /> 3. E. Yablonovitch (2001), “Photonic Crystals:<br /> Semiconductors of Light”, Sci. Am., 285, pp. 4755 (2001).<br /> <br /> 190(14): 97 - 102<br /> <br /> 4. J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn,<br /> and R. D. Meade (2008), Photonic Crystals<br /> Molding the Flow of Light, 2nd ed. Princeton<br /> University.<br /> 5. P. Russell (2003), “Photonic crystal<br /> fibers”, Science, 299, pp. 358–362.<br /> 6. S. Aki, K. Maeno, K. Sueyoshi, H. Hisamoto,<br /> and T. Endo (2018), “Development of a<br /> polymer/TiO2 hybrid two-dimensional photonic<br /> crystal for highly sensitive fluorescence-based ion<br /> sensing applications”, Sens. and Actuators B:<br /> Chem., 269, pp. 257-263.<br /> 7. T. Kohoutek, M. Parchine, M. Bardosova, H.<br /> Fudouzi, and M. Pemble (2018), “Large-area<br /> flexible colloidal photonic crystal film stickers for<br /> light trapping applications”, Opt. Mater.<br /> Express, 8, pp. 960-967.<br /> 8. J. F. Galisteo-López, M. Ibisate, R. Sapienza, L.<br /> S. Froufe-Pérez, Á. Blanco, and Cefe López<br /> (2011), “Self-Assembled Photonic Structures”,<br /> Adv. Mater., 23, pp. 30–69.<br /> 9. M. V. Vasnetsov, V. A. Pas’ko, T. N. Orlova,<br /> D. A. Plutenko,<br /> A. D. Kudryavtseva,<br /> N. V. Tcherniega (2018), “Photonic Bandgap<br /> Deformation in a Nonideal Synthetic Opal<br /> Photonic Crystal”, J. Exp. Theor. Phys., 126, pp.<br /> 579-591.<br /> 10. W. Stöber, A. Fink, and E. Bohn (1968),<br /> “Controlled growth of monodisperse silica spheres<br /> in the micron size range”, J. Colloid Interface Sci.,<br /> 26, pp. 62-69.<br /> 11. S. G. Romanov, T. Maka, C. M. Sotomayor<br /> Torres, M. Müller, R. Zentel, D. Cassagne, J.<br /> Manzanares-Martinez, and C. Jouanin (2001),<br /> “Diffraction<br /> of<br /> light<br /> from<br /> thin-film<br /> polymethylmetacrylate opaline photonic crystals”,<br /> Phys. Rev. E., 63, pp. 056603(1-5).<br /> 12. L. D. Tuyen, J. H. Lin, C. Y. Wu, P. T. Tai, J.<br /> Tang, L. Q. Minh, H. C. Kan, and C. C. Hsu<br /> (2012),<br /> “Pumpingpowerdependent<br /> photoluminescence angular distribution from an<br /> opal photonic crystal composed of monodisperse<br /> Eu3+/SiO2 core/shell nanospheres”, Opt. Express,<br /> 20, pp. 15418-15426.<br /> <br /> 101<br /> <br />