Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng trên màng đa lớp Silic xốp để xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước; nghiên cứu chế tạo cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi để xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  PHÙNG THỊ HÀ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên - 2017
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  PHÙNG THỊ HÀ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Thùy Chi Thái Nguyên - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn tốt nghiệp này là kết quả trong công trình nghiên cứu của tôi dưới sự giảng dạy và hướng dẫn của TS. Đỗ Thùy Chi, PGS. TS Bùi Huy và Ths. Phạm Thanh Bình. Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và do chính tôi thực hiện. Các tài liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối luận văn. Thái Nguyên, ngày 27 tháng 10 năm 2017. Học viên Phùng Thị Hà Xác nhận Xác nhận của trưởng khoa chuyên môn của giảng viên hướng dẫn khoa học TS. Cao Tiến Khoa TS. Đỗ Thùy Chi i
LỜI CẢM ƠN Tiếp tục phát triển từ các kết quả nghiên cứu đã được công bố về cảm biến Sinh - Hóa, đồng thời cũng nhằm nâng cao trình độ chuyên môn và bước đầu làm quen với thực tiễn, được sự đồng ý của Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Thái Nguyên, Khoa Vật lý, em đã tiến hành thực hiện luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D”. Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ quý báu của các thầy cô, anh chị, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS. Đỗ Thùy Chi, PGS.TS Bùi Huy và Ths Phạm Thanh Bình tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nhân dịp hoàn thành luận văn, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Đỗ Thùy Chi cùng toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý, các thầy cô và anh chị đang công tác tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất giúp em thực hiện các thực nghiệm, chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện và hoàn thành. Mặc dù bản thân đã rất cố gắng, song do thời gian và năng lực còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Qua đây em rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của các thầy, cô giáo và các anh chị cùng các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 27 tháng 10 năm 2017. Học viên Phùng Thị Hà ii
MỤC LỤC Trang TRANG BÌA PHỤ LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ v DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1 2. Mục tiêu của luận văn ............................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 3 6. Ý nghĩa của luận văn ............................................................................................... 4 7. Cấu trúc của luận văn .............................................................................................. 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SINH - HÓA ........................... 5 1.1. Giới thiệu chung về cấu trúc tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D) .................. 5 1.2. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến sinh - hóa ............................................................................................................. 6 1.2.1. Phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D trên nền Silic xốp ......................... 7 1.2.2. Ứng dụng của cấu trúc quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ................................. 8 1.3. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang (FBG) ứng dụng trong cảm biến sinh hóa ........................................................ 10 1.3.1. Cách tử Bragg trong sợi quang ....................................................................... 10 1.3.2. Các phương pháp chế tạo FBG ....................................................................... 13 1.3.3. Ứng dụng của cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang (FBG) ............................................................................................. 14 iii
1.4. Tính cấp thiết của việc xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước ......... 19 Chương 2: MỘT SỐ PHÉP ĐO THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG CHO CẢM BIẾN SINH - HÓA DỰA TRÊN CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D ........................ 21 2.1. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến hóa- sinh ........................ 21 2.1.1. Các phép đo phổ phản xạ bằ ng máy CARRY 5000 (UV-VIS-NIR Spectrophotometer Cary 5000) ....................................................................... 21 2.1.2. Hệ thiết bị cảm biến quang tử nano ................................................................ 23 2.2. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng trong cảm biến hóa - sinh. .......................................................................................................... 25 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái ............................................................. 26 2.2.2. Đo hệ phản xạ của FBG thông qua phổ phản xạ............................................. 28 2.2.3. Đo hệ số phản xạ của cách tử thông qua phổ truyền qua ................................ 31 Chương 3: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HÓA TRÊN ....... 32 TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP VÀ CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI QUANG ........................................................ 32 3.1. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa trên tinh thể quang tử một chiều (1D) trên cơ sở Silic xốp ................................................................................... 32 3.1.1. Nguyên lý, quy trình chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano .................... 32 3.1.2. Thiết kế chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D ........................................................................................... 35 3.1.3. Các kết quả chế tạo cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng một chiều .................................................................................... 37 3.2. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa tinh thể quang tử một chiều (1D) trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang ......................................................... 40 3.2.1. Quy trình chế tạo cách tử Bragg trong sợi quang ........................................... 40 3.2.2. Quy trình chế tạo Etched-Fiber Bragg Grating (e-FBG) ................................ 41 iv
Chương 4: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HÓA TRÊN CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) VÀO XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ NITRATE TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC................................... 48 4.1. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh-hóa trên cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp vào xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước. ............ 48 4.1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D làm bằng Silic xốp ............................................................ 48 4.1.2. Kết quả đo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D làm bằng Silic xốp sử dụng phương pháp cảm biến pha lỏng ............................... 49 4.2. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh-hóa trên cấu trúc tinh thể quang tử một chiều 1D trên cách tử Bragg trong sợi quang vào xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước ...................................................................................... 53 4.2.1. Thiết kế, xây dựng cấu hình đo của cảm biến e-FBG ..................................... 53 4.2.2. Khảo sát các cấu hình đo của cảm biến tích hợp phần tử cảm biến e-FBG trong cấu hình laser vòng và laser sợi quang pha tạp Erbium ........................ 57 4.2.3. Thực nghiệm xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước ..................... 61 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 64 ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 66 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ......... 68 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải PC Photonic crystal PCs Photonic crystals 1D One-dimension SEM Scanning Electron Microsope FE-SEM Field Emision Scanning Electron Microsope DBR Distributed Bragg Reflector TEM Transmission Electron Microscope FBG Fiber Bragg Grating e- FBG Etched-Fiber Bragg Grating OSA Optical Sepectrum Analyzer EDFA Erbium Drop Fiber Amplifier EDF Erbium - Doper Fiber WDM Wavelength Division Multiplexing PPM Parts Per Million iv
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Các thông số hoạt động module laser SDLO 2564-165-GC. ............................... 30 Bảng 3.1 Một số điều kiện ăn mòn để chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng một chiều .......................................................................................... 36 Bảng 4.1 Sự thay đổi bước sóng cộng hưởng trong phổ phản xạ với các nồng độ Nitrate khác nhau ................................................................................................................... 51 v
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Mô tả cấu trúc hình học các PC một chiều . ......................................................... 5 Hình 1.2 Hình ảnh mô phỏng sự hoạt động của cảm biến làm bằng Silic xốp. .................... 8 Hình 1.3 Cấu tạo cách tử Bragg và phân bố chiết suất của nó với n1 là chiết suất vỏ, n2 là chiết suất lõi cách tử . ............................................................................................ 11 Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg .............................................................. 12 Hình 1.5 Dạng phổ của tín hiệu vào (a), sau khi đi qua (b) và phản xạ (c) của sợi cách tử Bragg . ................................................................................................................... 12 Hình 1.6 Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang . ..................................................................... 13 Hình 1.7 Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG ................................................... 13 Hình 1.8 Trường evanescent trong mặt tiếp xúc giữa lõi-vỏ sợi quang .............................. 17 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ quang học máy quang phổ UV/VIS/NIA Carry 5000. ......... 21 Hình 2.2 UV-VIS-NIR Spectrophotometer (Carry 5000) ................................................... 23 Hình 2.3 Sơ đồ khối nguồn phát sáng. ................................................................................ 24 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của khối máy đo phổ quang. ..................................................... 24 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của khối chứa cảm biến. ........................................................... 25 Hình 2.6 Hệ thiết bị cảm biến quang tử và mặt trước của hệ thiết bị. ............................... 25 Hình 2.7 Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét: (1) Súng điện tử, (2) Thấu kính điện từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phát quét, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đèn hình. ..... 27 Hình 2.8 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ. ................................ 28 Hình 2.9 Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử. .................................................................. 28 Hình 2.10 Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384. ............................................. 29 Hình 2.11 Cấu tạo của một bộ khuếch đại quang (EDFA). ............................................... 30 Hình 2.12 Nguồn bơm laser tạo bước sóng 980 nm. ......................................................... 30 Hình 2.13 Phổ dải rộng của ASE khi chưa khắc cách tử. ................................................... 31 Hình 2.14 Mô hình đo truyền qua của FBG ........................................................................ 31 Hình 2.15 Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua. ................................... 31 Hình 3.1 Hệ lò được dùng để ủ tiếp xúc cho phiến Silic bốc bay nhôm. ............................ 33 Hình 3.2 Hệ thống ăn mòn điện hóa ................................................................................... 34 Hình 3.3 Sơ đồ hệ điện hóa AUTOLAB. PGSTAT 30 dùng để chế tạo PC 1D ................. 34 Hình 3.4 Lược đồ chế tạo màng đa lớp. .............................................................................. 35 vi
Hình 3.5 Phổ phản xạ thực nghiệm của một gương phản xạ Bragg dựa trên PC 1D ........ 38 Hình 3.6. Phổ phản xạ của đèn Halogen ............................................................................. 39 Hình 3.7 Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng dựa trên tinh thể một chiều. Bước sóng trung tâm của buồng vi cộng hưởng ở 665 nm. ......................................................... 39 Hình 3.8 Toàn bộ hệ thống chế tạo FBG ............................................................................ 41 Hình 3.9 Phổ phản xạ của cách tử FBG. ............................................................................. 42 Hình 3.10 Phổ phản xạ của cách tử e-FBG tại các thời điểm ăn mòn khác nhau. .............. 43 Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thiết bị thí nghiệm chế tạo phần tử cảm biến sinh hóa e-FBG bằng phương pháp ăn mòn hóa học. .......................................................................... 44 Hình 3.12 Biểu diễn đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng phản xạ của phần tử cảm biến e-FBG thay đổi theo thời gian ăn mòn. ...................................................... 45 Hình 3.13 Ảnh SEM của phần tử cảm biến e-FBG sau khi ăn mòn thô và ăn mòn tinh. ... 47 Hình 3.14 Phổ phản xạ của phần tử cảm biến FBG trước và sau khi chế tạo bằng phương pháp ăn mòn hóa học. ................................................................................... 47 Hình 4.1 Sự thay đổi bước sóng cộng hưởng (Δλ) của cảm biến quang trước và sau khi tiếp xúc với chất cần phân tích. ................................................................................. 48 Hình 4.2 Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng đo ngay sau khi chế tạo (đường 1) và sau khi oxy-hóa mẫu trong ozone (đường 2). ............................................................ 49 Hình 4.3 Sơ đồ khối của hệ đo sự dịch chuyển bước sóng của cảm biến quang. ............... 50 Hình 4.4 Sự phụ thuộc của độ dịch chuyển bước sóng vào nồng độ Nitrate trong nước. .. 52 Hình 4.5 Phổ phản xạ của cảm biến quang trước (đường số 1) và sau khi tiếp xúc với chất cần phân tích (đường số 2)(hình a) khi tiếp xúc với dung dịch Nitrate ở các nồng độ khác nhau: 100ppm (1), 300ppm (2), 1000ppm (3) (hình b). ...................... 52 Hình 4.6 Sơ đồ khối của thiết bị cảm biến cách tử ăn mòn e-FBG được tích hợp trong cấu hình laser vòng. ................................................................................................... 55 Hình 4.7 Sơ đồ khối của thiết bị cảm biến cách tử ăn mòn e-FBG được tích hợp vào cấu hình laser sợi. ...................................................................................................... 57 Hình 4.8 Đường đặc trưng bước sóng của mode laser được chọn lọc bằng cách tử tham chiếu FBG trong cấu hình laser cộng hưởng vòng theo nhiệt độ. ............................. 58 Hình 4.9 Đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng của mode laser được chọn lọc bằng cách tử cảm biến e-FBG trong cấu hình laser sợi cộng hưởng vòng theo chiết suất đã được biết trước của môi trường chất lỏng. ........................................... 59 vii
Hình 4.10 Đường đặc trưng sự thay đổi cường độ của mode laser được chọn lọc do cách tử cảm biến e-FBG trong cấu hình laser cộng hưởng vòng khi mode laser được chọn lọc bởi cách tử tham chiếu FBG quét qua phổ phản xạ của cách tử cảm biến e-FBG trong môi trường chất lỏng Methanol 99,5% và Acetone 99,5%. ......... 60 Hình 4.11 Phổ tín hiệu quang của cảm biến e-FBG với cấu hình đo phản xạ thông thường (a) và cấu hình đo laser sợi được đề xuất (b), được thực hiện trong môi trường nước lọc tinh khiết và dung dịch có nồng độ Nitrate 15 ppm và 80 ppm. ..... 61 Hình 4.12 Phổ tín hiệu của cảm biến khi thực hiện đo với các mẫu dung dịch có nồng độ Nitrate khác nhau. ................................................................................................. 62 Hình 4.13 Đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng tín hiệu cảm biến e-FBG theo nồng độ của dung dịch Nitrate có nồng độ khác nhau............................................... 63 viii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của kinh tế là sự thay đổi sâu sắc, toàn diện của hầu khắp các lĩnh vực của đời sống xã hội. Bên cạnh đó là sự kéo theo nhiều hệ lụy khác nhau như: cạn kiệt dần nguồn tài nguyên sẵn có, ô nhiễm môi trường, gia tăng nhanh các loại chất độc hại,…Có thể thấy rõ các tác động này trên nhiều phương diện của đời sống con người, đặc biệt là trong vấn đề vệ sinh và an toàn thực phẩm. Dư lượng của các chất có trong phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, đặc biệt là các chất khó phân hủy, còn tồn đọng, tích tụ trong các loại thực phẩm sẽ gây nhiều nguy hại đến sức khỏe con người như: thay đổi hoocmon trong cơ thể, phá hủy mô, cơ quan, gây ung thư, vô sinh,…Chính vì vậy, việc kiểm định chất lượng cũng như dư lượng của các chất gây nguy hại ở dưới mức được cho phép, hiện đã và đang là thách thức lớn đối với các nhà khoa học. Nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng cho thấy hiệu quả tích cực trong việc xác định dư lượng chất độc hại trong các sản phẩm nông sản như phương pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS), sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis, phổ huỳnh quang tia X, phổ Raman,…Tuy nhiên, các phương pháp này có đặc điểm là thời gian phân tích lâu, phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích, không thể thực hiện được ngoài thực địa. Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới thuận tiện hơn là mục tiêu của nhiều nghiên cứu trên thế giới. Nổi bật nhất trong số các phương pháp đã và đang rất được quan tâm là: phương pháp dựa trên cấu trúc của buồng vi cộng hưởng một chiều làm bằng vật liệu Silic xốp và phương pháp dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn được tích hợp trong cấu hình laser sợi để chế tạo cảm biến quang. Điểm chung của cả hai loại này là đều dựa vào hiệu ứng Bragg để xác định sự thay đổi chỉ số chiết suất của dung dịch, từ đó xác định nồng độ các chất có trong môi trường. Phương pháp thứ nhất: cảm biến dựa trên cấu trúc của buồng vi cộng hưởng một chiều làm bằng vật liệu Silic xốp được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa có độ xốp rất cao và đặc biệt với diện tích bề mặt hiệu dụng lớn nên rất thích hợp cho các cảm biến sinh-hóa. Bên cạnh đó, nó có kích thước nhỏ gọn, có độ nhạy 1
cao và không cần kết nối điện giúp hạn chế gây ra cháy nổ do hoạt động dựa trên nguồn ánh sáng đưa vào. Phương pháp thứ hai: cảm biến quang sợi dựa trên linh kiện cách tử Bragg trong sợi quang (Fiber Bragg Gratting - FBG) đang được đánh giá rất cao nhờ các đặc tính của FBG như khả năng tách bước sóng với độ chính xác cao, không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường ngoài hay tần số radio, dễ tích hợp,...nên ngoài các ưu điểm vốn có của một cảm biến quang sợi thông thường, cảm biến sử dụng FBG còn có khả năng lọc mode cao, thời gian hồi đáp nhanh, băng thông rộng, ổn định trong quá trình sử dụng với độ chính xác cao,... Đặc biệt cảm biến sử dụng cách tử Bragg sợi quang được ăn mòn lớp vỏ có độ nhạy rất cao về sự thay đổi nhỏ của chiết suất hiệu dụng có thể xác định được sự thay đổi chiết suất đến 7,2.10-6 trong môi trường lỏng. Để tăng cường tính chọn lọc thì thường phủ lên vùng tích cực của cảm biến một màng nhạy có khả năng hấp thụ hoặc liên kết một cách có chọn lọc với phân tử của chất cần phân tích. Trên cơ sở đó, tiếp tục phát triển các kết quả từ các công trình khoa học của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã công bố về lĩnh vực nghiên cứu cảm biến sinh – hóa dựa trên phần tử cảm biến như để xác định nồng độ Ammonia, CO2, hydrogen trong khí, độ ẩm, độ pH, các phân tử ADN, proteins…cũng như trang thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D” làm nội dung nghiên cứu trong luận văn của mình. 2. Mục tiêu của luận văn - Nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng trên màng đa lớp Silic xốp để xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước. - Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi để xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Do hạn chế về mặt thời gian, kinh phí nên luận văn giới hạn: - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tinh thể quang tử một chiều (1D) trên cơ sở buồng vi cộng hưởng trên màng đa lớp Silic xốp và cách tử Bragg ăn mòn trên sợi quang ứng dụng trong chế tạo cảm biến quang. 2
- Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu trên lý thuyết, sử dụng các chương trình mô phỏng và tiến hành thực nghiệm. - Thời gian: Luận văn tiến hành từ tháng 11/2015 đến tháng 6/2017. 4. Nội dung nghiên cứu a. Nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng. - Xây dựng mô hình, quy trình chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên màng đa lớp silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa. - Sử dụng buồng vi cộng hưởng làm cảm biến quang phát hiện, xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước. b. Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi. - Xây dựng mô hình và chế tạo cách tử Bragg trong sợi nhậy quang sử dụng trong nghiên cứu phát triển cảm biến quang dựa trên cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG). - Thiết kế, xây dựng cấu hình laser sợi, laser cộng hưởng vòng có cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) để nâng cao độ nhạy của cảm biến quang và ứng dụng trong phát hiện Nitrate trong môi trường nước. 5. Phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp, nghiên cứu tài liệu và các mô hình lý thuyết. - Thiết kế quy trình, mô hình thí nghiệm chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên màng đa lớp Silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa trong nghiên cứu làm cảm biến quang. Đồng thời, xây dựng mô hình, chế tạo các cách tử Bragg trong sợi nhạy quang sử dụng trong nghiên cứu phát triển cảm biến quang dựa trên cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) và thiết kế, xây dựng cấu hình laser sợi, laser cộng hưởng vòng có cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) để nâng cao độ nhạy của cảm biến quang. - Thực nghiệm các thí nghiệm phát hiện, xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước sử dụng cảm biến quang làm từ buồng vi cộng hưởng trên màng đa lớp Silic xốp và cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi. - Phân tích, đánh giá các dữ liệu thực nghiệm. 3
6. Ý nghĩa của luận văn Luận văn được tiến hành với mục đích mang lại cái nhìn tổng quan về một số loại cảm biến quang điển hình như cảm biến dựa trên buồng vi cộng hưởng chế tạo từ màng đa lớp Silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa, cảm biến sợi quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi. Luận văn cung cấp những hiểu biết cơ bản về thiết bị, quy trình chế tạo, ăn mòn và xây dựng, thiết kế các cấu hình có liên quan, đồng thời tiến hành khảo sát, đánh giá các kết quả thu được, các thông số kỹ thuật, các yếu tố có ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến và giới thiệu một số ứng dụng của cảm biến quang trên thế giới và trong nước trong giai đoạn hiện nay. Tiếp tục kế thừa và phát triển từ các kết quả đã được công bố trong nhiều công trình nghiên cứu, từ đó luận văn đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo trong thời gian tới như: tiến hành bọc các chất nhận biết, đánh dấu sinh học bên ngoài phần cách tử đã được ăn mòn để tăng độ bền cơ học mà không ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến, thiết kế, xây dựng các mô hình buồng vi cộng hưởng mới để mở rộng dải đo và vùng giới hạn các chất đo được,… 7. Cấu trúc của luận văn Nội dung của luận văn được kết cấu thành 4 chương chính như sau: Chương 1. Tổng quan về cấu trúc tinh thể quang tử một chiều (1D) ứng dụng trong lĩnh vực sinh - hóa Chương 2. Một số phép đo thực nghiệm sử dụng cho cảm biến hóa - sinh dựa trên cấu trúc quang tử 1D Chương 3. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa trên tinh thể quang tử một chiều (1D) trên cơ sở Silic xốp và cách tử Bragg trong sợi quang Chương 4. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh hóa trên cấu trúc tinh thể quang tử một chiều (1D) vào xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước 4
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SINH - HÓA Cấu trúc quang tử 1D là loại đơn giản nhất về cấu trúc không gian tuần hoàn của các vật liệu điện môi có chiết suất khác nhau. Với những ưu điểm riêng như dễ dàng chế tạo, có thể sử dụng để nghiên cứu một số khía cạnh của tinh thể quang tử nhiều chiều hơn nên cấu trúc quang tử 1D đã và đang là đối tượng nghiên cứu được các nhà khoa học quan tâm. Cấu trúc quang tử 1D không chỉ được tìm hiểu, phát triển trên các loại vật liệu khác nhau mà còn có thể dẫn đến nhiều ứng dụng đầy tiềm năng, đặc biệt là trong những ứng dụng, các linh kiện mà sự lan truyền hay bức xạ của ánh sáng qua chúng không yêu cầu phải cấm về mọi hướng. Trong chương này, chúng tôi trình bày khái lược về cấu trúc quang tử 1D nói chung và tập trung vào cấu trúc quang tử 1D trên 2 loại vật liệu điển hình là sillic xốp và sợi quang, đồng thời cũng giới thiệu những ứng dụng điển hình của từng loại. 1.1. Giới thiệu chung về cấu trúc tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D) Tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D) là loại đơn giản nhất của tinh thể quang tử, có cấu trúc không gian tuần hoàn của các lớp vật liệu với hằng số điện môi khác nhau, sắp xếp luân phiên nhau, có chiết suất thay đổi tuần hoàn trên một hướng duy nhất, đồng nhất theo hai hướng còn lại và có thể so sánh được với bước sóng trong vùng hoạt động của nó. Trong trường hợp đơn giản nhất, chỉ cần sử dụng hai lớp vật liệu với hằng số điện môi khác nhau (hình 1.1). Hình 1.1 Mô tả cấu trúc hình học các PC một chiều [1]. Thuật ngữ “một chiều” được sử dụng bởi vì giá trị của hàm điện môi εz chỉ tuần hoàn theo trục z. Cấu trúc này gồm các lớp vật liệu có chiết suất khác nhau có 5
giá trị không đổi nằm xen kẽ nhau (màu xanh lá và xanh da trời) với chu kỳ không gian là a. Mỗi lớp là đồng nhất và mở rộng vô hạn theo trục x và y, sự tuần hoàn theo trục z cũng được mở rộng ra vô hạn [1]. Cấu trúc tuần hoàn về chiết suất theo 1 chiều duy nhất tạo ra cho các PCs 1D những tính chất đặc biệt và có tiềm năng cao trong các ứng dụng điển hình, đã và đang được sử dụng rộng rãi như: kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng với độ chính xác cỡ bước sóng, chế tạo và nghiên cứu các tính chất quang của buồng vi cộng hưởng laser phát bề mặt theo chiều thẳng đứng hay như việc tạo ra tinh thể quang tử 1D được sử dụng như những DBR quang học, ống dẫn sóng, cảm biến sinh học…Với một dải tần số nhất định thì những tinh thể này cũng cho thấy khả năng phản xạ với hiệu quả cao và được dùng làm gương cách điện trong laser hoặc các kính lọc dải, tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độ phản chiếu thấp hay cao tuỳ ý, hay trong sơn đổi màu và in ấn bảo mật,… 1.2. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến sinh - hóa Vật liệu quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp có cấu trúc gồm các lớp Silic xốp có chiết suất khác nhau, sắp xếp luân phiên, xen kẽ nhau trên phiến Silic. Khi các lớp này được sắp xếp luân phiên, xen kẽ nhau một cách đều đặn sẽ tạo thành gương phản xạ Bragg trên nền Silic xốp. Trong tinh thể photonic, khi xuất hiện một biến động về cấu trúc (gọi là khuyết tật trong cấu trúc tuần hoàn) sẽ dẫn đến sự xuất hiện các mức năng lượng được phép trong vùng cấm quang hay xuất hiện những bước sóng được phép truyền qua trong vùng các tần số bị cấm ở điều kiện bình thường, tương tự như trường hợp khi thay đổi loại nguyên tử trong mạng tinh thể đối với các chất bán dẫn. Các khuyết tật này đã được nghiên cứu để có thể đưa vào trong tinh thể PCs dưới nhiều cách thức và số lượng khác nhau nhưng đơn giản nhất là cách tạo ra một khuyết tật duy nhất trong cấu trúc tuần hoàn này. Điển hình như làm một lớp lỗ xốp khuyết tật có độ dày khác biệt so với các lớp còn lại, khi đó xuất hiện một buồng vi cộng hưởng được tạo thành xen giữa 2 gương phản xạ Bragg. 6
Các lớp Silic xốp có chiết suất khác nhau, sắp xếp xen kẽ nhau thực chất là các lớp Silic có chứa nhiều mạng lưới các lỗ không khí nhỏ bên trong, được hình thành khi chúng bị hòa tan không hoàn toàn. Hệ thống mạng lưới các lỗ không khí này cho phép các chất lỏng, tế bào, phân tử,…dễ dàng thâm nhập vào sâu bên trong và làm thay đổi chiết suất của các lỗ xốp, dẫn tới thay đổi của chiết suất hiệu dụng đối với toàn khối Silic. Nói cách khác thì tính chất quang của nó cũng biến đổi theo và giúp Silic xốp trở thành một loại vật liệu có khả năng kiểm soát và truyền thông tin quang trên cơ sở tạo ra cấu trúc PC từ Silic. Ngoài ra, chiều dày của các lớp lỗ xốp cũng như kích thước các lỗ xốp này có thể được thay đổi linh hoạt thông qua việc điều khiển các thông số như: mật độ dòng điện, nồng độ chất ăn mòn HF, thời gian ăn mòn,…Đây chính là cơ sở để tạo ra cấu trúc PC với sự tuần hoàn của các lớp vật liệu có chiết suất khác nhau, sắp xếp luân phiên nhau. Các cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên nền Silic xốp đã được sử dụng để chế tạo gương phản xạ Braag (DBR - Distributed Bragg Reflector), buồng vi cộng hưởng 1D (Microcavity),…Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị này đã được trình bày rất cụ thể trong tài liệu tham khảo [1]. 1.2.1. Phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D trên nền Silic xốp Để chế tạo các tinh thể photonic có thể sử dụng một số phương pháp cơ bản điển hình như: phương pháp lithography, phương pháp tự tập hợp đơn thể đồng trùng hợp (block-copolymer self-assembly), khắc toàn ảnh (holographic lithography), sự lắng đọng góc xiên (glancing angle deposition), phương pháp khắc rãnh bằng chùm ion hội tụ (focused-ion-beam milling) và kéo tự động nano (nanorobotic manipulation),...Các tinh thể chế tạo theo các phương pháp này cho thấy cấu trúc có tính trật tự cao, kiểu mạng tinh thể và các khuyết tật đưa vào có thể được kiểm soát và điều kiển một cách linh hoạt, nhưng đòi hỏi kỹ thuật, độ chính xác rất cao, quy trình gồm nhiều bước phức tạp và phải sử dụng các thiết bị đắt tiền. Hiện nay, phương pháp chế tạo tinh thể photonic 1D dựa trên màng Silic xốp đa lớp chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa đang rất được quan tâm do có quy trình chế tạo không quá phức tạp, không yêu cầu các thiết bị đắt tiền, giá thành 7
tương đối rẻ. Mặt khác, phương pháp này cho phép điều khiển tương đối chính xác chiết suất và độ dày các lớp cũng như dễ dàng tạo ra các khuyết tật để tạo thành các buồng vi cộng hưởng (microcavity), từ đó giúp tạo ra được PCs có cực đại phản xạ ở bước sóng mong muốn và xa hơn là chế tạo các linh kiện quang tử. Các tinh thể photonic 1D chế tạo bằng phương pháp này cũng cho thấy độ phản xạ rất cao (thường trên 70%) nên chúng tôi quan tâm vào tìm hiểu, chế tạo các tinh thể photonic 1D bằng phương pháp ăn mòn điện hóa Silic. Quá trình ăn mòn điện hoá phiến Silic xốp và quá trình hình thành Silic xốp được trình bày chi tiết trong tài liệu tham khảo [1]. 1.2.2. Ứng dụng của cấu trúc quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp 1.2.2.1. Cảm biến sinh hóa Cảm biến dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng làm bằng Silic xốp được hình thành dựa trên sự thay đổi chiết suất phản xạ của Silic xốp khi các chất cần phân tích thâm nhập vào bên trong hệ thống các lỗ xốp. Bản chất là sự chiếm chỗ và thay thế không khí bên trong các lỗ xốp của các phần tử của chất cần phân tích dẫn đến thay đổi chiết suất hiệu dụng của toàn khối Silic so với trạng thái ban đầu (khi chưa cho tiếp với chất cần phân tích). Hình 1.2 Hình ảnh mô phỏng sự hoạt động của cảm biến làm bằng Silic xốp[3]. Những cảm biến quang dựa trên buồng vi cộng hưởng làm bằng Silic xốp đa lớp cho độ nhạy tốt hơn khi được chế tạo với một khe cộng hưởng hẹp ở giữa. Hiện nay nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới cũng đang rất quan tâm nghiên cứu và áp dụng phương pháp này. 8