1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trịnh Thị Hà
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG
VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG HOẠT ĐỘNG
CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI
Ngành: Khoa học Vật liệu
Mã số: 9440122
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Năm - 2025
2
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Chu Mạnh Hoàng
TS. Phạm Văn Tuấn
Phản biện 1: PGS. TS. Mai Hồng Hạnh
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Tiến Anh
Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Văn Quỳnh
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Đại học Bách khoa họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày 08 tháng 05 năm 2025
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Kênh dẫn sóng plasmon lan truyền bề mặt (SPP) được xem là
tiềm năng đối với công nghệ mạch quang tích hợp mật độ cao thế hệ
tiếp theo sau thế hệ mạch vi điện tử [1-3]. SPP là một sóng điện từ lan
truyền dọc theo giao diện kim loại/điện môi, nó là kết quả của kết cặp
giữa ánh sáng và dao động tập thể của các điện tử tự do trên bề mặt
kim loại. Đặc trưng nổi bật của SPP là khả năng giam hãm mode
truyền với tỷ lệ kích thước nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng. Sự
giam hãm mode truyền phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc hình học của
kênh dẫn sóng SPP.
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất và khảo sát nhiều các mô hình
thiết kế khác nhau của kênh dẫn sóng SPP như kênh dẫn sóng khe hẹp
nano kim loại, kênh dẫn sóng dải kim loại, kênh dẫn sóng dạng nêm
kim loại và kênh dẫn sóng dạng chữ V bằng kim loại [4-6]. Đặc trưng
mode truyền có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi hình học giao
diện kim loại/điện môi [4-6]. Tuy nhiên, trong các thiết kế đã nêu có
tổn hao truyền lớn do tiếp xúc Ohmic trong cấu trúc kênh dẫn sóng đã
giới hạn chiều dài truyền chỉ còn vài µm.
Trước nhu cầu phát triển các thành phần quang tử tích hợp ở
quy mô lớn, các cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai với khả
năng giam hãm mode truyền cao và khoảng cách truyền lớn đã được
đề xuất và nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm [7-10]. Các kết
quả nghiên cứu cho thấy kênh dẫn sóng khe hẹp lai có thể đạt chiều
dài truyền lên đến hàng trăm µm, trong khi diện tích mode truyền giảm
xuống mức cỡ λ²/10⁴ [9, 11]. Hiện nay, nhiều nghiên cứu vẫn đang
được thực hiện nhằm tăng chiều dài truyền trong khi vẫn duy trì kích
thước mode truyền nhỏ. Đặc biệt, kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp
lai dựa trên cấu trúc kim loại dạng nêm đã và đang thu hút sự quan
tâm do khả năng giam hãm năng lượng sóng điện từ trong nêm kim
loại, đồng thời đạt được chiều dài truyền tương đối lớn [12-14].
Đặc biệt, trong những năm gần đây để tạo ra các linh kiện SPP
với tính chất mode truyền có thể thay đổi, các kênh dẫn sóng thay đổi
cấu trúc đã được quan tâm nghiên cứu [15]. Tuy nhiên, để chế tạo các
mạch quang tử đa chức năng, cần có các kênh dẫn sóng SPP có khả
năng điều biến tích cực các đặc trưng truyền. Các cơ chế tùy biến mode
truyền của SPP đã được giới thiệu bao gồm điều khiển quang điện,
quang nhiệt [16-18], điều khiển cơ điện tử nano [19] và điều khiển
2
hoàn toàn bằng quang [20, 21]. Những cơ chế này tập trung vào điều
khiển sóng SPP tại giao diện kim loại/điện môi với khả năng giam hãm
mode chủ yếu trong phương vuông góc với giao diện và khoảng cách
truyền chỉ đạt mức µm.
Mặc dù các kênh dẫn sóng SPP khe hẹp lai đã được đề xuất
với khả năng giam hãm mode truyền trong không gian nhỏ và khoảng
cách truyền đạt đến tỷ lệ mm nhưng hiện vẫn chưa có cơ chế điều biến
đặc trưng truyền nào dành cho loại kênh dẫn sóng lai này. Hơn nữa,
một thách thức lớn đối với việc ứng dụng thực tế các kênh dẫn sóng
SPP khe hẹp lai là yêu cầu về công nghệ chế tạo có độ chính xác và
độ tin cậy cao. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất và khảo sát nhiều dạng
kênh dẫn sóng plasmonic lai, tuy nhiên công nghệ chế tạo vẫn còn
nhiều thách thức và khó thực hiện [10, 14, 22].
Để quy trình chế tạo kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai đơn
giản, khả thi trong thực tế trong khi vẫn đảm bảo được kênh dẫn sóng
có đặc trưng truyền sóng plasmon vượt trội hơn so với các nghiên cứu
trước thì việc nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát đặc trưng
hoạt động của kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai là rất cần thiết. Do
vậy, Nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế, mô
phỏng và khảo sát đặc trưng hoạt động của kênh dẫn sóng plasmonic
khe hẹp lai”.
2. Mc đch nghin cu
(i). Nghiên cứu đề xuất, khảo sát và đưa ra các mô hình kênh
dẫn sóng khe hẹp lai dải kim loại với giao diện kim loại/điện môi thu
nhỏ có suy hao truyền thấp, chiều dài truyền dẫn sóng plasmon có thể
tăng ít nhất hai bậc độ lớn so với cấu trúc kênh dẫn sóng plasmon sử
dụng lớp kim loại Au phủ trên lớp kim loại Ag và diện tích mode có
kích thước nhỏ hơn nhiều so bước sóng (từ 2/105). Các mô hình kênh
dẫn sóng được đề xuất có công nghệ chế tạo đơn giản hơn các kênh
dẫn sóng khe hẹp lai được báo cáo trước đây, làm tăng khả năng ứng
dụng thực tiễn của chúng.
(ii) Nghiên cứu đề xuất, khảo sát và đưa ra thiết kế kênh dẫn
sóng plasmonic khe hẹp lai tùy biến với chiết suất của kênh dẫn sóng
tùy biến có thể lớn hơn một bậc so với phạm vi chiết suất được tuỳ
biến khi sử dụng các phương pháp tuỳ biến đã được báo cáo trước đó.
Độ dài lan truyền của kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai có thể được
điều khiển hiệu quả trong một phạm vi rộng với hiệu suất cao hơn so
3
với cơ chế tùy biến tương tự đã được báo cáo trước đó trong phạm vi
tuỳ biến toàn thang đo (100%). Cấu trúc có thể đạt được chiều dài
truyền sóng ở tỷ lệ cm với diện tích mode hiệu dụng được duy trì ở
kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng kích thích.
(iii). Đề xuất mô hình và đánh giá kết cặp truyền sóng giữa các
kênh dẫn sóng gần nhau, từ đó, đưa ra các chỉ dẫn cho việc tích hợp
các kênh dẫn sóng trong các mạch quang tích hợp để đảm bảo nhiễu
kết cặp thấp.
3. Đi tng và phm vi nghin cu
Đối tượng nghiên cứu là kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai
thụ động và tích cực. Nghiên cứu đề xuất và khảo sát đặc trưng truyền
của các kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai thụ động và tích cực dựa
trên mô phỏng số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.
4. Phng php nghin cu
Phương pháp nghiên cứu trong Luận án sử dụng kết hợp lý thuyết
và mô phỏng.
- Phương pháp nghiên cứu của Luận án dựa trên nghiên cứu tài
liệu, phương pháp mô phỏng, khảo sát các kết quả nghiên cứu về kênh
dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai thụ động và kênh dẫn sóng khe hẹp lai
tùy biến. Từ các kết quả nghiên cứu này, Luận án đề xuất các ý tưởng
nghiên cứu phù hợp với điều kiện công nghệ hiện tại ở Việt Nam.
- Luận án nghiên cứu đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic
khe hẹp lại trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phương
pháp mô phỏng số bằng phần mềm Comsol Multiphysics.
5. ngha khoa học và thc tin ca đề tài
❖ ngha khoa hc của đ tài:
Kênh dẫn sóng plasmon có nhiều ảnh hưởng trong lĩnh vực
quang học và quang tử, đặc biệt là trong lĩnh vực quang học ở tần số
THz và các linh kiện quang tử siêu nhỏ với khả năng truyền sóng ngoài
giới hạn nhiễu xạ. Kênh dẫn sóng plasmon có hai dạng đó là kênh dẫn
sóng thụ động và tích cực, có thể tuỳ biến các đặc trưng truyền. Luận
án nhằm đưa ra các kênh dẫn sóng thụ động và tích cực với các đặc
trưng truyền nổi trội hơn so với các nghiên cứu trước đây, như suy hao
truyền thấp với kích thước mode truyền nhỏ hơn nhiều lần bước sóng
kích thích. Đặc biệt, kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai dải kim loại
có kích thước giao diện kim loại/điện môi thu nhỏ nhằm tăng khả năng
truyền dẫn với suy hao truyền thấp với kích thước mode truyền nhỏ và