Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu "Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm" trình bày cơ sở lý thuyết mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn; Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm dựa trên ăn mòn dị hướng ướt; Kênh dẫn sóng plasmonic lai; Kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM Ngành: Khoa học Vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. CHU MẠNH HOÀNG 2. TS. PHẠM ĐỨC THÀNH Hà Nội - 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Chu Mạnh Hoàng và TS. Phạm Đức Thành. Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Thay mặt Tập thể hướng dẫn Tác giả PGS. TS. Chu Mạnh Hoàng Nguyễn Thanh Hương i
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Chu Mạnh Hoàng và TS. Phạm Đức Thành, những người thầy đã truyền động lực nghiên cứu cho tôi, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Nhờ sự chỉ bảo tận tình của các thầy, tôi đã có được những kiến thức về khoa học vật liệu, về các công nghệ chế tạo, những kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu và trên hết là có được sự kiên trì đi theo con đường nghiên cứu khoa học. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện ITIMS, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Kinh tế Quốc dân đã tạo điều kiện về thời gian, vật chất và tinh thần giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Vũ Ngọc Hùng, TS. Vũ Thu Hiền, cùng các anh, chị, em trong phòng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS: ThS. Nguyễn Văn Chính, TS. Nguyễn Ngọc Minh, TS. Đặng Văn Hiếu, TS. Nguyễn Văn Minh, TS. Nguyễn Thị Quỳnh Chi, PGS.TS. Ngô Đức Quân, ThS. Nguyễn Ngọc Sơn, ThS. Lê Văn Tâm… đã chia sẻ những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, đã động viên và có những thảo luận góp ý giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Toán đã tạo điều kiện và hướng dẫn tôi sử dụng các thiết bị và làm việc trong phòng sạch. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở bên, động viên khích lệ tôi trong thời gian qua. Tôi xin cảm ơn các cán bộ, giảng viên ở bộ môn Công nghệ thông tin, trường ĐH Kinh tế Quốc dân đã quan tâm, hỗ trợ tôi trong công việc để tôi tập trung hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin giành lời cảm ơn cho gia đình, gia đình là hậu phương vững chắc, là chỗ dựa tinh thần để tôi có thể yên tâm nghiên cứu trong suốt thời gian vừa qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Thanh Hương ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG .......................................................................................... xiii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 5 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC ............... 5 1.1.1. Sơ lược quá trình phát triển .................................................................. 5 1.1.2. Các ứng dụng của plasmonic ................................................................ 7 1.1.3. Cơ sở lý thuyết polariton plasmon bề mặt .......................................... 11 1.1.4. Nguyên lý cơ bản của polariton plasmon bề mặt ............................... 12 1.1.5. Các phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt......... 16 1.1.6. Phân loại kênh dẫn sóng plasmonic .................................................... 18 1.2. KÊNH DẪN SÓNG DẠNG NÊM ........................................................... 20 1.2.1. Cấu trúc kênh dẫn sóng dạng nêm truyền thống ................................ 20 1.2.2. Các kênh dẫn sóng dạng nêm lai ........................................................ 21 1.2.3. Một số ứng dụng cơ bản của kênh dẫn sóng plasmon dạng nêm ....... 23 1.3. KÊNH DẪN SÓNG DẠNG RÃNH ......................................................... 25 1.3.1. Cấu trúc kênh dẫn sóng dạng rãnh truyền thống ................................ 25 1.3.2. Các kênh dẫn sóng dạng rãnh lai ........................................................ 27 1.3.3. Một số ứng dụng cơ bản của kênh dẫn sóng dạng rãnh ..................... 27 1.4. KÊNH DẪN SÓNG KHE HẸP LAI ........................................................ 29 1.5. CÁC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM .................................................................................................... 31 1.6. PHÁT TRIỂN GẦN ĐÂY CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC .... 33 iii
1.7. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ................................................................... 36 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ........................................................................................ 38 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC...................... 38 2.2. MÔ PHỎNG KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC ................................... 40 2.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................ 40 2.2.2. Phương pháp chia lưới và nghiên cứu sự hội tụ vào chia lưới ........... 41 CHƯƠNG 3: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM DỰA TRÊN ĂN MÒN DỊ HƯỚNG ƯỚT .............................................................................. 50 3.1. KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM ................................... 51 3.2. CÁC MODE TRUYỀN CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM ................................................................................................................. 54 3.3. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM ................................................................................................................. 56 3.4. TĂNG CƯỜNG CHIỀU DÀI TRUYỀN SÓNG PLASMON BẰNG CÁCH SỬ DỤNG CÁC GIAO DIỆN LỚP ÔXÍT MỎNG/KIM LOẠI VÀ GIAO DIỆN LỚP KIM LOẠI/KIM LOẠI...................................................... 60 3.4.1. Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon bằng cách sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại.................................................................................. 61 3.4.2. Tăng cường độ dài truyền sóng plasmon bằng cách sử dụng giao diện lớp kim loại /kim loại .................................................................................... 65 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................... 68 CHƯƠNG 4: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI ...................................... 69 4.1. CẤU TRÚC KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI ........... 70 4.2. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC HGSPPW- RMW-RDW ..................................................................................................... 72 4.3. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC HGSPPW- TMW-RDW ..................................................................................................... 76 4.4. ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG SAI CHẾ TẠO .......................................... 78 4.4.1. Sai lệch giữa nêm kim loại và kênh dẫn sóng điện môi ..................... 79 4.4.2. Độ xoay của nêm kim loại .................................................................. 80 iv
4.4.3. Độ tròn góc đỉnh của nêm kim loại .................................................... 80 4.4.4. Nhiễu chéo gây ra bởi các thành phần điện môi kết cặp với kênh dẫn sóng điện môi ................................................................................................ 80 4.4.5. Kết cặp giữa các kênh dẫn sóng ......................................................... 82 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ......................................................................... 84 CHƯƠNG 5: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI TÙY BIẾN .................. 86 5.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI ............................................................................... 86 5.2. KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC KHE HẸP LAI TÙY BIẾN DỰA TRÊN CHẤT LỎNG ....................................................................................... 90 5.3. TÙY BIẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI BẰNG CÁCH NHIỄU LOẠN SÓNG RÌA ............................................. 92 5.3.1. Mô hình kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến .................................. 93 5.3.2. Tùy biến đặc trưng truyền sóng plasmonic ........................................ 97 5.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ....................................................................... 101 KẾT LUẬN ....................................................................................................... 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 107 v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 2PP Two-Photon Polymerization Polyme hóa hai photon ATR Attenuated Total Reflectance Phản xạ toàn phần điều biến CDW Circular Dielectric Waveguide Kênh dẫn sóng điện môi có mặt cắt hình tròn CPP Channel Plasmon-Polariton Kênh dẫn sóng plasmon dạng kênh DW Dielectric Waveguide Kênh dẫn sóng điện môi FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FIB Focused Ion Beam Chùm tia ion hội tụ FoM Figure of Merit Hệ số phẩm chất FWHM Full Width At Half Maximum Chiều rộng ở nửa cực đại HGP Hybrid Gap Plasmon Plasmon khe hẹp lai HGSPPW Hybrid Gap Surface Plasmon Kênh dẫn sóng plasmonic khe Polariton Waveguide hẹp lai LSP Localized Surface Plasmon Plasmon bề mặt định xứ MEMS Microelectromechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử OLED Organic Light-Emiting Diode Đi ốt phát ánh sáng hữu cơ RDW Rectangular High-Refractive- Kênh dẫn sóng điện môi chỉ Index Dielectric Waveguide số khúc xạ cao có mặt cắt ngang hình chữ nhật RMW Rectangular Metallic Wedge Nêm kim loại hình chữ nhật SOI Silicon On Insulator Phiến silíc-ôxít-silíc SPP Surface Plasmon Polariton Polariton plasmon bề mặt TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TMW Tapered Metallic Wedge Nêm kim loại WPP Wedge Plasmon Polariton Polariton plasmon ở đỉnh nêm vi
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự gia tăng các nghiên cứu về plasmonic [5] ...................................... 6 Hình 1.2: Tốc độ xử lý phụ thuộc vào kích thước của các công nghệ chế tạo chíp [25] ........................................................................................................................ 9 Hình 1.3: Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt............................................ 12 Hình 1.4: Mô hình lan truyền SPP tại giao diện kim loại/ điện môi .................. 13 Hình 1.5: Mô hình hệ thống ba lớp ..................................................................... 15 Hình 1.6: Xấp xỉ kênh dạng nêm và dạng rãnh .................................................. 15 Hình 1.7: Vectơ sóng k và kSPP ............................................................................ 16 Hình 1.8: Kết cặp lăng kính SPP trong cấu hình Otto (a) và Kretschmann (b) . 16 Hình 1.9: Sơ đồ kết cặp kênh dẫn sóng ............................................................... 17 Hình 1.10: Sơ đồ kết cặp cách tử ........................................................................ 18 Hình 1.11: Một số cấu trúc kênh dẫn sóng: (a) tải điện môi, (b) dải kim loại, (c) dạng nêm, (d) dạng rãnh, (e) chuỗi hạt nano kim loại và (g1-g5) khe hẹp lai ... 19 Hình 1.12: Sơ đồ kênh dẫn sóng dạng nêm truyền thống: (a) cấu trúc cạnh trên bề mặt kim loại; vật liệu xung quanh kênh dẫn sóng là điện môi, thường là không khí, (b) cấu trúc bao gồm một kênh dẫn sóng điện môi được phủ bởi một lớp kim loại và (c) cấu trúc tương tự như (a) nhưng được bao phủ bởi một lớp điện môi phía trên nêm kim loại.......................................................................... 21 Hình 1.13: Sơ đồ mặt cắt ngang của các kênh dẫn sóng plasmon dạng nêm lai điển hình: (a) kênh dẫn sóng dạng nêm điện môi lai, (b) cấu trúc bao gồm một lớp đệm silíc được kẹp giữa một lớp bạc và một kênh silíc tam giác, (c) cấu trúc bao gồm một kênh dẫn sóng bán dẫn hình tam giác bao quanh bởi một lớp kim loại thông qua một lớp điện môi, (d) cấu trúc bao gồm một kênh dẫn sóng bán dẫn hình tam giác được đặt trên nền bạc với một khoảng trống, (e) một dây nano bán dẫn tròn trên kênh dẫn sóng dạng nêm kim loại, (f) kênh dẫn sóng điện môi hình tam giác đặt trên một kênh dẫn kim loại hình tam giác và (e, f, g, h) là các kênh dẫn sóng dạng nêm kết cặp đơn và kết cặp đôi ........................... 22 Hình 1.14: Sơ đồ bộ điều biến pha plasmonic [98] ............................................ 24 vii
Hình 1.15: (a) Laze nano dựa trên cấu trúc lai giữa kênh dạng nêm và dây nano, (b) Phân bố điện trường của mode plasmon trong cấu trúc lai ( = 60o, t = 5 nm). Các vị trí của các đường nét đứt được xác định bởi các điểm tiếp tuyến giữa dây nano CdS và lớp MgF2 dọc theo trục x và qua tâm của dây nano [45] ............................................................................................................................. 25 Hình 1.16: (a) Các đặc trưng chỉ số mode hiệu dụng, vùng mode, độ dài lan truyển của mode CPP phụ thuộc độ dày của lớp kim loại vàng, (b) phân bố điện trường phụ thuộc độ dày lớp vàng tại bước sóng 700 nm và (c) phân bố điện trường phụ thuộc độ dày lớp vàng tại bước sóng 1550 nm ................................ 26 Hình 1.17: Một số cấu trúc kênh dẫn sóng dạng rãnh lai .................................. 27 Hình 1.18: (a) Laze nano dựa trên cấu trúc lai giữa kênh dẫn sóng dạng rãnh và dây nano, (b) Phân bố điện trường của mode plasmon trong cấu trúc lai ( = 270o, t = 5 nm) [45] ............................................................................................ 27 Hình 1.19: Bộ chia chữ Y và giao thoa kế MZ [30]............................................ 28 Hình 1.20: Bộ cộng hưởng vòng [30] ................................................................. 29 Hình 1.21: (a): Mô hình kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai; Phân bố mật độ năng lượng điện từ cho (b): [d,h] = [400, 100] nm, (c):[d,h ] = [200, 100] nm và (d): [d,h ] = [200, 2] nm [99] ........................................................................ 30 Hình 1.22: Sơ đồ các bước chế tạo kênh dạng nêm sử dụng kỹ thuật khắc ướt kết hợp với kỹ thuật truyền mẫu khuôn [77] ............................................................. 32 Hình 1.23: Sơ đồ thiết kế cho việc chế tạo các cấu trúc bề mặt SPP (bên trái) và sự truyền lan plasmon trong một kênh dẫn sóng điện môi được chế tạo bởi 2PP (bên phải). SPP được kích thích ở phía bên tay phải [111] ............................... 33 Hình 1.24: Mô hình phân loại và các hướng nghiên cứu chính của kênh dẫn sóng plasmonic .................................................................................................... 34 Hình 2.1: Các dạng biên chung giữa các phần tử [130] .................................... 41 Hình 2.2: Mô hình cơ bản của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm đơn được sử dụng nghiên cứu mô phỏng: (a) Mô hình 3D của kênh dẫn sóng plasmonic và (b) Mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng plasmonic ............................................... 43 Hình 2.3: Hình dạng và phân bố các phần tử chia lưới trong cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic .................................................................................................... 44 viii
Hình 2.4: (a) Phân bố trường điện trong kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm ở kích thước lưới thô và tinh và (b) Sự phụ thuộc của điện trường cực đại vào chia lưới ...................................................................................................................... 45 Hình 2.5: Phân bố điện trường chuẩn hóa ở mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng plasmonic tương ứng độ dày của lớp kim loại thay đổi: (a) kim loại bạc là 10 nm và 200 nm, (b) kim loại vàng là 10 nm và 200 nm ........................................ 47 Hình 2.6: Đặc trưng truyền của mode WPP phụ thuộc vào độ dày lớp kim loại (a-c) và hình dạng vùng diện tích mode (d) ........................................................ 48 Hình 2.7: Phân bố điện trường mode WPP với lớp kim loại có độ dày 20 nm: (a) và (b) bạc; (c) và (d) vàng................................................................................... 48 Hình 3.1: Mô hình kênh dẫn sóng plasmonic được đề xuất với các góc mặt bên α = 45o, 54,74o và 90o............................................................................................. 51 Hình 3.2: Mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng plasmonic hình thang .................. 52 Hình 3.3: Phân bố điện trường chuẩn hóa của mode WPP với các góc bên: (a) α = 35,26o, (b) α = 45o, (c) α = 54,7o, (d) α = 90o và (e) phân bố cường độ ánh sáng dọc theo đường cắt AA’ .............................................................................. 54 Hình 3.4: Phân bố của các thành phần điện trường của mode WPP: (a) Ey và (b) Ez .................................................................................................................... 55 Hình 3.5: Các đặc trưng truyền của mode WPP với sự thay đổi của góc mặt bên của kênh dẫn sóng plasmonic: (a) chỉ số mode hiệu dụng (neff), (b) diện tích mode hiệu dụng (Aeff), (c) độ dài truyền (L) và (d) hệ số phẩm chất (FoM)....... 57 Hình 3.6: Các đặc trưng truyền của mode WPP của kênh dẫn sóng plasmonic phụ thuộc vào độ rộng của bề mặt đỉnh: (a) chỉ số mode hiệu dụng (neff), (b) diện tích mode hiệu dụng (Aeff), (c) độ dài truyền (L) và (d) hệ số phẩm chất (FoM)................................................................................................................... 57 Hình 3.7: Các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm phụ thuộc vào chiều cao kênh dẫn sóng: (a) chỉ số mode hiệu dụng (neff), (b) diện tích mode hiệu dụng (Aeff), (c) độ dài truyền (L) và (d) hệ số phẩm chất (FoM) 58 Hình 3.8: Ảnh hưởng của chiết suất của môi trường điện môi đối với các đặc trưng truyền: (a) chỉ số mode hiệu dụng (neff), (b) diện tích mode hiệu dụng (Aeff), (c) độ dài truyền (L) và (d) hệ số phẩm chất (FoM) ................................. 59 Hình 3.9: Sơ đồ hai cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic: (a) cấu trúc truyền thống và (b) dạng nêm cải tiến với lớp giao diện ôxít mỏng/kim loại ................ 61 ix
Hình 3.10: Mode lan truyền của kênh plasmonic dạng nêm: (a) Kim loại Ag nhúng trong không khí, (b) Kim loại Ag phủ bởi lớp SiO2 2 nm và (c) Kim loại Ag phủ bởi lớp SiO2 5 nm .................................................................................... 62 Hình 3.11: Độ dài truyền của kênh sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại là hàm của tỉ số (to/tm) với 3 độ dày tm = 75 nm, 100 nm và 125 nm ...................... 62 Hình 3.12: Độ dài truyền của kênh sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại là hàm của tỉ số (to/ (tm + to )) với 3 độ dày tổng tm + to= 100 nm, 150 nm và 200 nm ........................................................................................................................ 63 Hình 3.13: So sánh các đặc trưng của kênh đề xuất với kênh dạng nêm đơn Au: (a) Chiều dài truyền phụ thuộc vào tm của nêm kim loại Ag đặt trong môi trường SiO2 và nêm kim loại Au đặt trong không khí, (b) Hệ số phẩm chất FoM của nêm kim loại Ag đặt trong môi trường SiO2 và nêm kim loại Au đặt trong không khí ............................................................................................................................. 64 Hình 3.14: Sơ đồ cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm cải tiến với lớp giao diện kim loại/kim loại .................................................................................. 65 Hình 3.15: Sự phụ thuộc của tỷ lệ độ dài truyền giữa các nêm Au/Ag vào độ dày của các lớp kim loại tương ứng, tAu và tAg, trong trường hợp chiều cao của kênh điện môi, hDW = 0,5 m và 1 m ......................................................................... 66 Hình 3.16: Phân bố điện từ trường của mode plasmon của kênh dẫn sóng Ag và kênh dẫn sóng Au/Ag đặt trong không khí .......................................................... 66 Hình 3.17: Chỉ số mode (Neff) (a) và độ dài truyền (LSPP) (b) phụ thuộc tỷ lệ độ dày giữa các lớp kim loại của cấu trúc kép, tAu/ (tAu + tAg) ................................. 67 Hình 4.1: Sơ đồ hai loại HGSPPW tùy biến với hình chữ nhật (a, c) và với cặp nêm kim loại hình nón (b, d) kết hợp với kênh dẫn sóng điện môi RDW. Trong cấu trúc của hai HGSPPW tùy biến, các nêm kim loại được định vị bởi một lớp điện môi. Nêm kim loại được kết hợp với DW tạo thành một khe hẹp điện môi trong đó tồn tại mode plasmon khe hẹp lai. Khoảng cách của khe điện môi là g. Độ dày của nêm kim loại hình chữ nhật (RMW) trong (a, c) là tm . Góc của nêm kim loại dạng mũi nhọn (TMW) trong (b, d) là  E. Góc của nêm kim loại được làm tròn bằng bán kính R w. Khoảng cách từ điện môi đến DW là gds. Rw và gds phụ thuộc vào quá trình chế tạo. .............................................. 71 x
Hình 4.2: Phân bố điện trường trong HGSPPW-RMW-RDW và biên độ điện trường ( tm = 10 nm, Rw = 5 nm, Hw = Ww = 0,7 m và gds = 0,35 m, xem Hình 4.1): (a) và (b) là các phân bố điện trường 2D của mode HGP tương ứng với g = 2 nm và 30 nm. (c) và (d) là các phân bố điện trường của mode HGP dọc theo trục x và y tương ứng qua tâm của khe hẹp điện môi. (e) phân bố điện trường dọc theo trục x, trong đó các trường điện của mode quang tử HGP và DW được thể hiện. (f) | Ex |, | Ey | biên độ điện trường dọc theo trục x và y được vẽ theo g ............................................................................................................................. 73 Hình 4.3: Các đặc trưng LHGP, Aeff /Ao và FoM của HGSPPW-RMW-RDW là một hàm của khoảng cách, g và độ dày của RMW, tm: (a - c) phụ thuộc vào g cho ba giá trị độ dày khác nhau của RMW, lần lượt là tm = 10, 12 và 15 nm; (d - f) là độ dày của RMW, tm , sự phụ thuộc vào ba khe khác nhau tương ứng với g = 2,5 và 10 nm ........................................................................................................ 74 Hình 4.4: Các tính chất quang học của mode HGP của HGSPPW-RMW- RDW là một hàm của kích thước mặt cắt ngang của DW, Hw (Ww ): (a) phần thực chỉ số mode hiệu dụng, Neff , (b) chiều dài, LHGP, (c) diện tích mode chuẩn hóa, A eff /A0 và (d) FoM. ..................................................................................... 76 Hình 4.5: Các phân bố điện trường của HGSPPW-TMW-RDW tương ứng với trục x (a) và trục y (b). Hình nhỏ trong (b) cho thấy biên độ điện trường cực đại là một hàm của E. (c) và (d) là LHGP, Aeff/A0, FOM và FWHM là một hàm của E. ................................................................................................................. 78 Hình 4.6: (a-c) Phân bố điện trường trong mặt phẳng xy của mode HGP bởi HGSPPW-TMW-RDW và minh họa sơ đồ để phân tích ba trường hợp sai số chế tạo: (a) nêm kim loại được bố trí với một sai số y với mặt phẳng trung tâm DW, (b) nêm kim loại được xoay một góc φ đến vị trí ban đầu (vị trí nằm ngang) và (c) nêm kim loại được làm tròn với bán kính khác nhau trong khi khoảng cách điện môi g được giữ không đổi. Điện trường được chuẩn hóa theo giá trị lớn nhất bên trong khe hẹp điện môi (1,3x109 V/m), (d-f) các sai số của Neff , Aeff và LHGP là một hàm của y, φ và Rw tương ứng. ........................... 79 Hình 4.7: (a) và (b) là các phân bố điện trường theo trục y cho các giá trị khác nhau của tds và gds cho vật liệu điện môi được làm bằng Si và SiO2. Phân bố điện trường cho trường hợp tới hạn khi gds là vô hạn cũng được thể hiện trong (a) và (b) để thuận tiện so sánh; (c) thể hiện các sai số của LHGP khi tds thay đổi xi
với gds = 0 và 20 nm cho hai loại vật liệu điện môi; (d) sai số LHGP phụ thuộc vào gds với tds = 10 và 100 nm cho hai loại vật liệu điện môi. ............................ 81 Hình 4.8: Phân tích kết cặp đối với HGSPPW-RMW-RDW (i), HGSPPW-TMW- RDW ( ii) và HGSPPW-TMW-CDW (iii): (a) và (b) phân bố điện trường Ey được chuẩn hóa của mode HGP đối xứng và không đối xứng, (c) chiều dài kết cặp Lc là một hàm của khoảng cách phân tách từ tâm đến tâm, Dc , cho ba cấu trúc kết cặp có tiết diện DW: H w x W w = 0,6 m x 0,6 m; 0,7 m x 0,7 m và 0,9 m x 0,9 m và (d) chiều dài kết cặp Lc phụ thuộc vào mặt cắt, Sw, cho các cấu trúc kết cặp có Dc = 90, 120 và 160 nm ...................... 84 Hình 5.1: Minh họa ba cơ chế điều khiển của kênh dẫn sóng HGP dựa trên: (a) điều khiển chiết suất của môi trường khe điện môi, (c) điều khiển khe điện môi và (e) điều khiển chiết suất của kênh điện môi. (b), (d) và (f): phạm vi điều khiển các đặc trưng của kênh dẫn sóng HGP, LHGP (L) và Aeff (A), cho ba trường hợp được mô tả tương ứng trong (a), (c ) và (e). .................................... 87 Hình 5.2: (a) Mô hình kênh dẫn sóng plasmonic lai có thể tùy biến dựa trên chất lỏng; (b) Khả năng tùy biến, L và A , phụ thuộc vào chiết suất của chất lỏng . 91 Hình 5.3: Mô hình hình học kênh dẫn sóng plasmonic lai: (a) hình ba chiều của kênh; (b) mặt cắt ngang kênh. αE là góc đỉnh của nêm kim loại. g là khoảng cách giữa nêm kim loại và kênh dẫn sóng điện môi. Hw và Ww là kích thước mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng điện môi. te và we là kích thước mặt cắt ngang của điện cực điều biến chiết suất. ge là khoảng cách giữa điện cực và kênh dẫn sóng. Điện cực điều biến có thể được di chuyển cơ học dọc theo hướng x hoặc hướng y. Các chuyển vị trong trục x và y lần lượt là x và y. ..................................... 93 Hình 5.4: Chiết suất hiệu dụng của kênh dẫn sóng điện môi được khảo sát theo kích thước te (a) và we (b) của điện cực điều biến chiết suất và các chuyển vị, x và y (c) cho hai trường hợp we = 200 nm và 800 nm. Ở đây, Hw = 0,8 m và Ww = 0,8 m được giữ không đổi. .................................................................. 95 Hình 5.5: Phân bố trường điện từ được chuẩn hóa của mode HGP cơ bản của kênh dẫn sóng plasmon lai: (a) và (b) g = 2 nm và g = 5 nm với E = 55o; (c) và (d) g = 2 nm và g = 5 nm với E = 25o. Ở đây, Hw = Ww = 0,8 m .................... 98 Hình 5.6: Các đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic lai, Neff , LHGP , Aeff /Ao và FoM được khảo sát theo y ........................................ 98 xii
Hình 5.7: Độ dài truyền (LHGP-max , LHGP-min ) và phạm vi tùy biến (LHGP ) là một hàm của khoảng cách g từ 2 nm đến 10 nm và góc nghiêng E từ 25o đến 60o: (a) và (b) thể hiện chiều dài truyền của kênh dẫn sóng plasmonic lai trước và sau khi điều biến; (c) LHGP max . Các thanh màu bên phải trong (a), (b) và (c) thể hiện độ lớn tương ứng của LHGP-max , LHGP-min và LHGP..................................... 100 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Giá trị các thông số được sử dụng cho mô phỏng các đặc trưng truyền trong kênh dẫn sóng plasmonic ............................................................... 46 xiii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát hiện plasmon, cùng với sự ra đời của Plasmonics – ngành khoa học công nghệ liên quan đến việc nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng các plasmon, đã tạo ra một làn sóng bùng nổ trên thế giới những năm gần đây. Đặc biệt là các plasmon ở bề mặt kim loại, tạo ra bởi kết cặp giữa điện tử dao động tập hợp với các photon tới, tạo thành các polariton plasmon bề mặt (surface plasmon polariton-SPP) có khả năng lan truyền. Số lượng các công trình khoa học liên quan đến SPP đã tăng theo hàm mũ trong những năm gần đây, cho thấy sức hấp dẫn của lĩnh vực đầy mới mẻ này. Nghiên cứu và ứng dụng SPP trong kênh dẫn sóng plasmonic đã được nhiều nhóm nghiên cứu triển khai. Tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và vật liệu tạo nên mà các kênh dẫn sóng có những đặc trưng khác nhau và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau. Các ứng dụng của kênh dẫn sóng plasmonic có thể kể đến như: truyền dẫn ánh sáng ở kích thước nano, điều biến quang, cảm biến quang và các mạch quang tử cho xử lý thông tin tốc độ cao. Vì vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm" để nghiên cứu và thực hiện. 2. Mục đích nghiên cứu - Đạt được thiết kế tối ưu kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm (wedge) với độ nhám bề mặt thấp dựa trên công nghệ vi cơ khối ướt. - Tăng cường khoảng cách truyền của kênh dẫn sóng dựa trên giao diện điện môi/kim loại và kim loại/kim loại được cải tiến. - Thiết kế thành công kênh dẫn sóng plasmonic lai cải thiện suy hao truyền trong khi diện tích mode truyền với kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng. - Phát triển thành công các kênh dẫn sóng lai tùy biến, nhằm ứng dụng trong các linh kiện và mạch quang tử đa chức năng. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là kênh dẫn sóng plasmonic và giới hạn phạm vi nghiên cứu các kênh dẫn sóng dạng nêm và kênh dẫn sóng lai. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu của luận án dựa trên khảo sát các kết quả nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng plasmonic, từ đó đề xuất ý tưởng nghiên cứu của luận án phù hợp với điều kiện công nghệ hiện tại ở Việt Nam. - Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu đặc trưng của kênh dẫn sóng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học của luận án: Plasmonic là một lĩnh vực nghiên cứu mới được khám phá của khoa học và công nghệ. Trong đó, ánh sáng được điều khiển ở tỷ lệ nano khi sử dụng các cấu trúc nano kim loại. Đây cũng là một lĩnh vực công nghệ cao đã nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới. Nghiên cứu về plasmonic bao gồm cả nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Ảnh hưởng quan trọng của plasmonic là trong lĩnh vực quang học và quang tử, đặc biệt là trong lĩnh vực quang học trường gần ngoài giới hạn nhiễu xạ, quang học tần số THz và các linh kiện quang tử siêu nhỏ. Luận án đưa ra một số kết quả nghiên cứu về: giảm suy hao truyền do tán sắc bề mặt; lựa chọn kim loại và thiết kế cấu trúc giao diện dẫn sóng plasmon; đề xuất cấu trúc kênh dẫn sóng lai cải tiến tăng khả năng truyền dẫn suy hao thấp với kích thước mode truyền nhỏ và các kênh dẫn sóng lai tùy biến. - Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Luận án đã phát triển và cải thiện chiều dài truyền các kênh dẫn sóng đơn dựa trên công nghệ vi cơ khối ướt silíc đơn tinh thể. Công nghệ vi cơ khối ướt là khả thi và có thể sử dụng chế tạo các kênh dẫn sóng đơn cho ứng dụng trong các cảm biến quang. Các kênh dẫn sóng lai được phát triển có suy hao truyền thấp với diện tích mode truyền nhỏ và khả năng tùy biến trong dải rộng có tiềm năng trong phát 2
triển các linh kiện quang đa chức năng như bộ điều biến cường độ, truyền thông tin quang tốc độ cao. 6. Tính mới của luận án Tính mới của luận án được thể hiện ở các kết quả sau đây: - Luận án đã đưa ra được cấu trúc tối ưu của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm đơn. - Luận án đã đưa ra được các cấu trúc giao diện điện môi/kim loại và kim loại/kim loại có khả năng tăng cường dẫn sóng plasmon bề mặt. - Luận án đã đưa ra được hướng khắc phục giảm suy hao truyền trong kênh dẫn sóng khi diện tích mode truyền với kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng. - Luận án đã đề xuất một số cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến. 7. Nội dung luận án Luận án có nội dung như sau: Mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, đối tượng nghiên cứu, mục đích nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, tính mới của luận án. Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn Chương 3: Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm dựa trên ăn mòn dị hướng ướt Chương 4: Kênh dẫn sóng plasmonic lai Chương 5: Kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến Kết luận: Trình bày tóm lược những kết quả chính của luận án. Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 14 công trình khoa học (trong đó có 04 bài báo đã được đăng trên tạp chí chuyên ngành quốc tế ISI, 01 bài báo được đăng trên tạp chí chuyên ngành trong nước, 08 báo cáo được đăng trên kỷ yếu các hội thảo trong nước và quốc tế và 01 Bằng sáng chế Giải pháp hữu ích). 3
Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng khó tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, nghiên cứu sinh rất mong nhận được nhiều ý kiến góp ý để luận án được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Kênh dẫn sóng plasmonic có rất nhiều triển vọng phát triển. Trong chương này trình bày về: cơ sở lý thuyết polariton plasmon bề mặt; nguyên lý cơ bản và các phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt; phân loại kênh dẫn sóng plasmonic và các ứng dụng. Trong chương này cũng trình bày về các công nghệ chế tạo kênh dẫn sóng plasmonic và đánh giá sự phát triển gần đây của kênh dẫn sóng plasmonic. 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC 1.1.1. Sơ lược quá trình phát triển Dựa trên các công trình nghiên cứu về plasmonic [1-5], có thể chia quá trình phát triển plasmonic thành 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Trước năm 1900 Sử dụng các hạt nano kim loại để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật, được thể hiện bằng chiếc cốc Lycurgus, kính màu của các nhà thờ thời trung cổ. Chiếc cốc Lycurgus có 1.600 năm tuổi từ thời La Mã cổ đại. Cốc có màu xanh ngọc khi ánh sáng chiếu từ phía trước và chuyển sang màu đỏ khi ánh sáng chiếu từ phía trong cốc. Giai đoạn 2: Khoảng từ năm 1900 đến năm 2000 Năm 1902, Wood quan sát được hiệu ứng plasmon lần đầu tiên và không thể giải thích được hiện tượng bất thường này bằng lý thuyết nhiễu xạ cổ điển. Năm 1956, Pines đưa ra giải thích về đặc trưng suy hao năng lượng khi các electron xuyên qua kim loại là do dao động tập thể của các electron tự do trong kim loại và gọi chúng là "plasmon". Năm 1957, Ritchie [2] xuất bản nghiên cứu về suy hao năng lượng điện tử trong màng mỏng cho thấy hiện tượng plasmon có thể tồn tại gần bề mặt kim loại. Nghiên cứu này đã trình bày những mô tả lý thuyết đầu tiên của plasmon bề mặt, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng đối với khoa học nói chung và công nghệ plasmonic nói riêng. Các nghiên cứu về lĩnh vực plasmonic gia tăng mạnh. Cho đến nay các nghiên cứu được công bố có 5