Những nghiên cứu về nguồn vật liệu mớinày rất có tiềm năng trong nhiều lĩnh vực như điện, điện tử, quang học… “Nanophotonics” được coi là lĩnh vực khoa học nghiên cứu sự tương tác của án
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOPHOTONICS
Tổng quan về công nghệ và vật liệu nano
2.1.1 Khái quát về công nghệ nano
Công nghệ nano là việc sử dụng vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử cho mục đích ở nhiều lĩnh vực khác nhau Thông tin cổ điển cho biết mục tiêu công nghệ ban đầu là thao tác chính xác các nguyên tử và phân tử để chế tạo các sản phẩm ở quy mô vĩ mô, được gọi ngày nay là công nghệ nano phân tử Sau đó, các mô tả khái quát hơn về công nghệ nano được thiết lập và định nghĩa công nghệ nano là sự điều khiển vật chất với ít nhất một kích thước từ 1 đến 100 nanomet, nhận thấy các hiệu ứng cơ lượng tử rất quan trọng ở quy mô này Do đó, định nghĩa về công nghệ nano đã chuyển từ một mục tiêu công nghệ cụ thể sang một hạng mục nghiên cứu và công nghệ xử lý các tính chất đặc biệt của vật chất dưới ngưỡng kích thước đã cho.
"công nghệ kích thước nano" để chỉ phạm vi rộng của các nghiên cứu và ứng dụng có đặc điểm chung là kích thước
Công nghệ nano được nhận diện qua kích thước ở quy mô nano, mang tính tự nhiên và rộng lớn, và nó bao gồm nhiều lĩnh vực khoa học đa dạng như hóa học hữu cơ, sinh học phân tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ năng lượng, kỹ thuật, chế tạo vi mô và kỹ thuật phân tử Các nghiên cứu và ứng dụng liên quan cũng rất đa dạng, từ mở rộng các thiết bị vật lý thông thường đến các hướng tiếp cận mới dựa trên quá trình tự lắp ráp phân tử, từ phát triển vật liệu mới có kích thước nano đến điều khiển trực tiếp vật chất ở quy mô nguyên tử.
Những tác động của công nghệ nano trong tương lai được thể hiện rõ ràng và mở ra nhiều cơ hội đổi mới cho nhiều lĩnh vực Công nghệ nano có thể tạo ra nhiều vật liệu và thiết bị mới với vô số ứng dụng, đặc biệt trong y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh học, năng lượng và các sản phẩm tiêu dùng Những tiến bộ này hứa hẹn nâng cao hiệu quả chăm sóc sức khỏe, tối ưu hóa nguồn năng lượng và mang lại các sản phẩm tiên tiến cho người dùng.
2.1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý của phương pháp là sử dụng kỹ thuật nghiền và các kỹ thuật xử lý cơ học để biến đổi vật liệu ở dạng khối kích thước lớn thành các hạt có kích thước nano Quá trình này tận dụng lực nghiền và va đập để phá hủy cấu trúc của khối vật liệu, từ đó giảm kích thước hạt đến nano và tạo ra sự đồng nhất kích thước Việc biến đổi từ khối vật liệu thành các hạt nano giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện tính chất vật lý và hóa học, mở rộng ứng dụng trong sản xuất vật liệu tiên tiến, y tế và các ngành công nghiệp khác.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics
Phương pháp này được đánh giá đơn giản và chi phí thấp nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng vào vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi làm từ vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nanomet) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano.
Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử ion cho phép xây dựng các cấu trúc nano ở mức độ nguyên tử Phần lớn vật liệu nano được sử dụng hiện nay được chế tạo theo nguyên lý này bằng các kỹ thuật từ dưới lên Phương pháp từ dưới lên có thể là vật lý, hóa học hoặc sự kết hợp của cả hai.
Phương pháp vật lý là nhóm kỹ thuật dùng để tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc thông qua quá trình chuyển pha Nguyên tử hình thành vật liệu nano được tạo ra từ các phương pháp vật lý như bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha liên quan đến nung nóng vật liệu rồi làm nguội nhanh để đạt trạng thái vô định hình, sau đó xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình – tinh thể (kết tinh) Phương pháp vật lý thường được dùng để sản xuất các hạt nano, màng nano, ví dụ như ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học là cách tạo vật liệu nano từ các ion, có độ linh hoạt cao vì kỹ thuật chế tạo phụ thuộc vào đặc tính của từng vật liệu Tuy nhiên, chúng ta có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai nhóm chính: từ pha lỏng như phương pháp kết tủa, sol-gel và từ pha khí như nhiệt phân Những phương pháp này cho phép hình thành các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano, đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau.
Phương pháp kết hợp là một kỹ thuật sản xuất vật liệu nano dựa trên các nguyên lý vật lý và hóa học như điện phân và ngưng tụ từ pha khí Phương pháp này cho phép hình thành nhiều dạng vật liệu nano khác nhau, bao gồm hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano, với khả năng kiểm soát kích thước và tính chất bề mặt ở mức cao Nhờ sự linh hoạt và khả năng tùy biến, phương pháp kết hợp được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo vật liệu tiên tiến cho các lĩnh vực điện tử, y sinh, năng lượng và công nghệ bề mặt.
2.1.3 Các thiết bị và kỹ thuật trong nghiên cứu cấu trúc nano
Kính hiển vi quét xuyên hầm (Scanning Tunneling Microscope – STM) là thiết bị cho phép quan sát ở cấp độ nguyên tử bằng cách quét một đầu kim loại cực bén trên bề mặt mẫu và đo dòng điện tunnel Nhờ sự điều khiển của máy tính, STM có thể dựng lên và phóng đại hình ảnh của các nguyên tử và phân tử từ vật chất, giúp thấy cấu trúc và tương tác ở quy mô nano Công nghệ này mở ra nhiều ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu, công nghệ nano và thiết kế vật liệu mới, đồng thời cung cấp cái nhìn chi tiết về bề mặt và tính chất vật lý ở cấp độ nguyên tử.
Kính hiển vi điện tử tinh thể bằng tia X (Electron microscope X-ray crystallography) Độ tương phản và khả năng xuyên thấu được tạo ra từ tia X khi
Bạn có thể tải xuống Tiểu luận mới qua địa chỉ email skknchat123@gmail.com để tiếp cận nội dung liên quan Bài viết tóm lược cách nghiên cứu các dạng vật chất có kích thước 1–2 micromet và đề xuất ứng dụng của phương pháp này trong chụp ảnh tổng thể các tế bào nhỏ hoặc các cấu trúc dưới tế bào trong các tế bào sinh học.
Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là công cụ đắc lực trong phân tích hóa chất Thiết bị NMR cho phép máy tính điều khiển các chu trình đo và thực hiện các thí nghiệm như phổ NMR hai chiều, đồng thời đơn giản hóa quá trình chuẩn hóa dữ liệu và tăng độ chính xác Ngày nay, máy quang phổ từ hạt nhân được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu và phân tích hóa chất và có mặt trong hầu hết phòng thí nghiệm khoa học và công nghiệp.
Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy - AFM) là công cụ cho phép quan sát và đo đạc ở quy mô nano Quang phổ lực nguyên tử, hay AFM force spectroscopy, là phương pháp đo lực theo khoảng cách khi sử dụng AFM, cho phép định lượng các tương tác giữa đầu dò và mẫu ở các mức đo lường rất nhỏ Phương pháp này giúp khám phá các đặc tính cơ học và bề mặt ở cấp độ nano, từ độ nhạy lực đến tính liên kết của lớp màng và biomolecule AFM đã đóng vai trò quan trọng trong khoa học và công nghệ, đặc biệt trong nghiên cứu kích thước nano và các ứng dụng công nghệ sinh học.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một trong những dụng cụ phân tích linh hoạt nhất, cho phép kiểm tra và phân tích hình thái cấu trúc vi mô cùng với đặc điểm thành phần hóa học của mẫu vật Nhờ khả năng phóng đại cao và hình ảnh chất lượng, SEM giúp xác định chi tiết cấu trúc vật liệu ở cấp độ vi mô và đánh giá thành phần hóa học một cách chính xác Thiết bị này đã và đang đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng rộng rãi trong đời sống, từ phân tích vật liệu, kiểm tra chất lượng cho sản phẩm đến hỗ trợ đổi mới công nghệ và phát triển các ứng dụng thực tế.
Kính hiển vi truyền qua điện tử (TEM) là kỹ thuật được áp dụng để phân tích và nghiên cứu các cấu trúc mịn, đồng thời làm rõ các thành phần nguyên tố của nguồn mẫu vật Nhờ độ phân giải siêu cao so với kính hiển vi ánh sáng, TEM cho phép quan sát chi tiết ở cấp độ nano và thậm chí nguyên tử, từ đó xác định sự phân bố và tính chất của nguyên tố trong vật liệu Ứng dụng của TEM rất rộng trong vật liệu học, công nghệ nano và sinh học, giúp phân tích cấu trúc tinh thể, hình dạng và tương tác giữa các thành phần bên trong mẫu, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho nghiên cứu và phát triển sản phẩm.
Vật liệu nanophotonics
2.2.1 Sơ lược về vật liệu nanophotonics
2.2.1.1 Giới thiệu về vật liệu photonics
Việc nghiên cứu ánh sáng ở quy mô nano đã trở thành một lĩnh vực sôi động, khi các nhà khoa học hiện có thể điều khiển ánh sáng ở thang đo nhỏ hơn nhiều so với bước sóng quang học và vượt qua phần lớn giới hạn nhiễu xạ áp đặt bởi các thiết bị truyền thống Bằng cách kết hợp kim loại và điện môi trong các cấu trúc nano được mô phỏng và thiết kế một cách chính xác thành các kiến trúc nano 2D và 3D, ánh sáng có thể bị phân tán, khúc xạ, hạn chế, lọc và xử lý theo những cách hoàn toàn mới, vượt ra khỏi những gì vật liệu tự nhiên và hình học thông thường có thể đạt được.
Kiểm soát ánh sáng ở quy mô nano tiết lộ hàng loạt hiện tượng mới và mở ra các ứng dụng liên quan, từ tích hợp công nghệ vi mạch và điện toán quang học đến khai thác năng lượng mặt trời và ứng dụng trong y tế, đặt nền tảng cho nhiều khám phá đột phá trong những năm tới.
Nanophotonics, hay quang học nano, là lĩnh vực nghiên cứu hành vi của ánh sáng ở quy mô nanomet và sự tương tác giữa ánh sáng và các vật thể kích thước nano, nhằm hiểu cách điều khiển và khai thác ánh sáng ở cấp độ siêu nhỏ để phát triển các ứng dụng công nghệ quang học tiên tiến như cảm biến quang học, truyền thông quang và thiết bị nano tích hợp.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics sáng Nó là một nhánh của quang học, kỹ thuật quang học, kỹ thuật điện và công nghệ nano.
Đoạn này thường liên quan đến các cấu trúc điện môi như nanoantenna hoặc các thành phần kim loại có khả năng vận chuyển và tập trung ánh sáng thông qua các phân cực plasmon bề mặt Các phân cực plasmon bề mặt trên giao diện kim loại–lớp điện môi cho phép sóng ánh sáng được dẫn và tập trung ở kích thước nano, từ đó tăng cường tương tác quang–điện và mở rộng ứng dụng trong cảm biến quang, truyền thông quang và công nghệ nano-quang.
2.2.1.2 Tìm hiểu vật liệu nanophotonics
Nanophotonics, hay nano quang học, là lĩnh vực nghiên cứu các đặc tính của ánh sáng ở kích thước nanomet và sự tương tác giữa ánh sáng với các vật thể ở quy mô nano Đây là một nhánh của quang học, kỹ thuật quang học, kỹ thuật điện và công nghệ nano Ngành này thường liên quan đến các cấu trúc điện môi như nanoanten và các thành phần kim loại có thể vận chuyển và tập trung ánh sáng thông qua các phân cực plasmon bề mặt.
Giới hạn của các kính hiển vi quang học truyền thống như kính hiển vi quang học quét trường gần (NSOM), kính hiển vi xuyên hầm được kích thích quang (photoassisted scanning tunneling microscopy) và kính hiển vi plasmon bề mặt khiến độ phân giải bị giới hạn bởi nhiễu xạ Theo tiêu chuẩn Rayleigh, ánh sáng chỉ có thể hội tụ thành một điểm có đường kính gần bằng một bước sóng Hiện nay, nhiều công bố nghiên cứu tập trung vào đặc tính của vật liệu và hiện tượng ở kích thước vài nanomet, tạo nhu cầu dùng các kỹ thuật khác với kỹ thuật truyền thống Trong thời gian gần đây ngành nanophotonics được thúc đẩy phát triển mạnh mẽ, với các phương pháp mới dựa trên plasmon bề mặt và các hiệu ứng nano nhằm vượt qua giới hạn nhiễu xạ, tăng độ phân giải và khám phá vật liệu ở quy mô nanomet.
Phạm vi nghiên cứu của nanophotonics bao gồm hai chủ đề chính:
Nghiên cứu tính chất kỳ lạ của ánh sáng ở kích thước nano
Chế tạo ra những thiết bị có hiệu suất cao cho các ứng dụng trong kĩ thuật.
Những nghiên cứu này mở ra tiềm năng to lớn để cách mạng hóa ngành viễn thông bằng cách phát triển các thiết bị không có hiệu ứng giao thoa, vận tốc cao và tiêu thụ năng lượng thấp, như công tắc điện quang và công tắc quang học trên chip Đây được xem là một lĩnh vực tiên tiến trong công nghệ nano với tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai, hứa hẹn nâng cao hiệu suất và hiệu quả của hệ thống truyền thông [14].
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Một số hình ảnh về hệ thống nanophotonic:
Hình 2-2 Một nguyên mẫu chip quang tử silicon do tập đoàn IBM phát triển [15]
Hình 2-3 trình bày mạng lưới thần kinh bằng chip quang tử, tận dụng nền tảng silicon-quang tử để mở ra các khả năng xử lý thông tin siêu nhanh Cụ thể, công nghệ này cho phép xử lý các tín hiệu radio, tín hiệu điều khiển và các tính toán khoa học với tốc độ và hiệu quả vượt trội.
Hình 2-4 Laser tinh thể quang tử công suất cao [16]
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics
Hình 2-5 so sánh hai trạng thái của đèn LED: ở bên trái là LED không có sự tăng cường phát xạ, còn ở bên phải là LED có sự tăng cường phát xạ được tạo ra nhờ tán xạ ánh sáng từ các hạt nano bạc được nhúng vào cấu trúc, nhằm cung cấp cường độ sáng cao hơn Việc tích hợp nano Ag làm tăng hiệu quả phát xạ của LED và cải thiện hiệu suất chiếu sáng nhờ cơ chế tán xạ ánh sáng từ các hạt nano bạc Nghiên cứu tham khảo tại [16] cho thấy tác động tích cực của hạt nano bạc đối với phát xạ LED và tiềm năng tối ưu hoá thiết kế chiếu sáng.
Hình 2-6 cho thấy một tấm silicon đen với hai mặt có sự khác biệt về bề mặt quang học điện môi: mặt bên phải được phủ lớp bề mặt quang học điện môi, còn mặt bên trái không có lớp điện môi, nhằm tăng cường ghép và bẫy ánh sáng trong các ứng dụng năng lượng mặt trời [16].
2.2.2 Tính chất, cấu trúc của nanophotonics
Một số cấu trúc có nanophotonic như các vật liệu tinh thể quang tử (Photonic crystals - PC) hoặc vùng cấm quang tử (photonic band gap - PBG) là những cấu trúc có cấu hình hằng số điện môi thay đổi định kỳ trên thang khoảng cách xấp xỉ bằng một bước sóng ánh sáng cụ thể là Các PC có thể được chế tạo với các cấu trúc không gian một chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D) Hiệu ứng khi ánh sáng truyền qua môi trường của PC khác hoàn toàn hiệu ứng khi ánh sáng truyền qua một môi trường đồng chất khác nhau ở đây là do giao thoa triệt tiêu thông qua tán xạ Bragg của cấu trúc tuần hoàn tối đa hóa sự phản xạ tổng thể của ánh sáng ở bề mặt PC với không khí vì thế tinh thể quang tử được xem là vật liệu dùng để điều khiển áng sáng [17].
Một cấu trúc khác nữa là cấu trúc nano lai Cấu trúc nano lai là một hệ thống của các hạt nano có bản chất khác nhau (chất keo kim loại hạt nano, chấm lượng tử bán dẫn, oxit hoặc các hạt nano polymer, v.v.) và các phân tử chức năng (photochromic, photoluminescent, electroluminescent, hoạt động từ tính, v.v.) (Hình 2-1) Cấu trúc nano lai cũng có thể bao gồm các chất phụ trợ (chất đệm) Tác động lẫn nhau của các
Trong các hệ nano, khoảng cách giữa các đối tượng phụ thuộc đáng kể vào kích thước và hình dạng của miếng đệm, và khoảng cách này có thể được điều chỉnh bằng các miếng đệm với kích thước tuyến tính khác nhau Do vậy, một miếng đệm có hình dạng xác định có thể xác định các thông số hóa lý của cấu trúc lai Các vật liệu có tính chất có thể điều chỉnh được có thể được tạo ra bằng cách sử dụng quang, điện, nhiệt và các chất nhạy cảm với pH làm chất đệm Ví dụ, các phân tử quang sắc có khả năng thay đổi kích thước tuyến tính dưới sự chiếu sáng đã được đề xuất như chất đệm cho các cấu trúc nano [18].
Hình 2-7 Cấu trúc phân tử nanophotonic [19]
Các cấu trúc nano lai có thể hình thành ở dạng 3D có trật tự hoặc hệ thống fractal, tức là cấu trúc nano ở chiều X có cấu trúc nhiều lớp, và thể hiện thuộc tính điều khiển động được minh họa trong Hình 2-7.
Hình 2-8 Cấu trúc 3D của phân tử nano và định hướng nguyên tố [20]
2.2.2.2 Tính chất tổng hợp ổn định và chức năng hoạt hóa hạt nano Đặc điểm cấu trúc miếng đệm: Đối với một hợp chất để làm việc như một bộ đệm, nó phải bao gồm ít nhất hai nhóm thế để liên kết nó với cả bề mặt của các hạt nano và với phân tử chức năng Liên kết có thể là do tương tác Van der Waals, hydro liên kết, tương tác ion và affine, cộng hóa trị liên kết, và sự hình thành phức tạp; hơn nữa, một số cơ chế ràng buộc có thể được tham gia Các hợp chất phân tử thấp được liên kết tốt nhất với bề mặt của một vật liệu vô cơ bởi các nhóm thay thế dễ bị tương tác cộng hóa trị, affine, tĩnh điện hoặc ion Các chất thay thế có bản chất khác nhau có
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Ứng dụng của vật liệu nanophotonics
2.3.1 Ứng dụng trong quang học
2.3.1.1 Cấu trúc định kỳ chống phản xạ
Lấy cảm hứng từ đặc tính AR của mắt bướm đêm, các cấu trúc bề mặt được nghiên cứu để giảm phản xạ trên dải bước sóng rộng Cũng có thể thấy một cấu trúc nano trên cánh ve sầu làm cho chúng rất trong suốt (Hình 2.12) Cấu trúc này không chỉ giúp ve sầu lẩn tránh kẻ săn mồi mà còn thể hiện các đặc tính ưa nước, kháng khuẩn và tự làm sạch Bề mặt nanophotonics có hệ số phản xạ khoảng 30% ở vùng hồng ngoại gần và trung bình Lớp phủ có thể được lắng đọng để giảm sự phản xạ này, nhưng hiệu quả bị giới hạn ở một mức độ nhỏ trên dải quang phổ Một cấu trúc nhân tạo được tạo thành từ một dãy các kim tự tháp nano kích thước 1 μm; tính lưỡng tính đã được nghiên cứu, bởi vì nó khá dễ dàng đạt được bằng cách ăn mòn hóa học [25].
Hình 2-9 (a) Độ trong suốt của cánh ve sầu (b) Cấu trúc nano của cánh ve sầu [26]
AR ảnh hưởng của cấu trúc được giới hạn trong dải hồng ngoại II, khoảng 3–5 μm Như quan sát ở mắt bướm đêm, các bề mặt chống phản xạ thể hiện hai mức độ kết cấu khác nhau Một cấu trúc được tạo ra từ mẫu tuần hoàn lục giác bước sóng ngắn và sắp xếp ngẫu nhiên nhằm tạo thành một mẫu lục giác được xem như “bán tinh thể” Các tính toán cho thấy hiệu ứng AR có thể mở rộng xuống dưới 3 μm và đạt đến mức có thể nhìn thấy được Từ quan điểm thực nghiệm, các kết quả tuyệt vời thu được với các mẫu bề mặt chống phản xạ được thiết kế theo cấu trúc này.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics cấu trúc hình nón phẳng và phẳng trên cùng được tạo ra bằng phương pháp in thạch bản cực tím sâu và khắc plasma trên silicon (Hình 2-9 a và b) Thay vì tạo mẫu trên đỉnh của hình nón bằng cấu trúc tuần hoàn, bề mặt có thể được làm thô (Hình 2-9 c).
Hình 2 -10 (a) Ảnh chụp TEM đầu phẳng được cắt ngắn (b) Chi tiết trên đầu phẳng (c) Bề mặt gồ ghề [27]
2.3.1.2 Kiểm soát bề mặt gồ ghề với số liệu thống kê
Trong các hệ thống quang học, độ nhám bề mặt gây tán xạ ánh sáng và thường làm giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống Việc kiểm soát độ nhám cho phép sử dụng các hàm quang học thống kê để tối ưu hóa phân bố ánh sáng và giảm nhiễu do tán xạ Các bề mặt quang học thô ngẫu nhiên có thể được thiết kế để cải thiện độ sâu tiêu điểm của hệ thống hình ảnh, cho thấy tính khả thi của việc chế tạo các bề mặt gồ ghề với các số liệu thống kê xác định nhằm kiểm soát phân bố ánh sáng tán xạ dựa trên các đặc tính vật liệu nanophotonics.
Truyền thông quang học được ứng dụng chủ yếu trong mạng trục viễn thông và mạng lưới tàu điện ngầm, mang lại giải pháp truyền dữ liệu ổn định và có băng thông cao Với tiềm năng phát triển chip thu phát công suất thấp và chi phí thấp, công nghệ này mở ra các ứng dụng kết nối tầm ngắn cho tính toán hiệu năng cao và trung tâm dữ liệu Nó cũng được ứng dụng hiệu quả trong hệ thống cảm biến và phân tích quang phổ.
2.3.1.4 Chức năng quang học khác
Trong hệ thống quang học, các chức năng phổ biến liên quan đến vận chuyển ánh sáng, lọc bước sóng và ghép nối với các phần tử và sợi ngoài chip được xem là thụ động vì ánh sáng hầu như không bị biến đổi trong quá trình truyền Ngược lại, các chức năng hoạt động liên quan đến các yếu tố quang điện như nguồn sáng, bộ điều chế tín hiệu và bộ tách sóng quang đảm nhận vai trò điều chỉnh và xử lý tín hiệu ánh sáng ở các giai đoạn khác nhau của hệ thống Việc phân biệt rõ giữa chức năng thụ động và chức năng hoạt động giúp tối ưu hóa thiết kế và tích hợp của các thành phần quang học và nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Trong nanophotonics, các thiết bị phổ biến liên quan đến vận chuyển ánh sáng gồm ống dẫn và định tuyến quang học để dẫn và phân phối tín hiệu, bộ lọc bước sóng nhằm chọn lọc tần số và giảm nhiễu, khớp nối với sợi quang giúp liên kết mạng quang một cách hiệu quả, cùng với các hệ thống chuyển đổi quang–điện và quang điện tử để biến đổi tín hiệu giữa các miền Bên cạnh đó, lasers đóng vai trò nguồn phát xạ mạnh phục vụ cho truyền thông quang, đo lường và các ứng dụng cảm biến [29]
2.3.2 Pin năng lượng mặt trời
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Việc sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay đối mặt với nhiều hạn chế như thiếu vật liệu kinh tế và các thiết kế sáng tạo có thể thu hồi nhiệt thải ở mức thấp để chuyển đổi thành năng lượng hữu ích Sơ đồ nhiệt điện nanophotonic (TNPh-pyro) được nghiên cứu và chế tạo gồm một siêu vật liệu nhiều lớp và vật liệu pyroelectric nhằm đồng thời loại bỏ nhiệt thải và chuyển đổi quang nhiệt thành điện năng Khác với các cấu hình nhiệt điện truyền thống, thiết kế này cố ý sử dụng bức xạ cận hồng ngoại (NIR) phản xạ ngược để tái sử dụng và thu hồi nhiệt thải, tăng cường sản xuất nhiệt điện, tránh hấp thụ nhiệt mặt trời quá mức và duy trì độ trong suốt trực quan của thiết bị Khả năng làm mát phản xạ năng lượng mặt trời lên tới 4,1°C đã được chứng minh Trong khi hiệu suất nhiệt điện tử nhờ hiệu ứng phản xạ ngược cho thấy mức tăng điện áp mở (V_OC) và dòng ngắn mạch (I_SC) lần lượt là 152% và 146% Bên trong siêu vật liệu nhiều lớp còn có thành phần quang hoạt TiO2/Cu được thiết kế để cung cấp chức năng phân hủy quang chất ô nhiễm không khí cho hệ TNPh-pyro.
Hình 2-11 a) Sơ đồ khái niệm nanophotonic-ferroelectric cho TNPh, b) Con đường lắng đọng dẫn đến TNPh, c) Ảnh chụp nguyên mẫu TNPh-pyro [31]
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics
Hình 2 -12 a) Sơ đồ ba chiều của thiết kế nanophotonic cho TNPh, b) Ảnh SEM của mặt cắt TNPh, c) Bề mặt của TiO 2 /Cu trung tính, d) Hình ảnh TEM của SiO 2 [32]
Hình 2-13 a) Mẫu nhà có mái che được lắp đặt TNPh (trái) và cửa sổ kính (phải) c) Hình ảnh hồng ngoại của hai nhà chụp lúc 11:30 [33]
Trong lịch sử, quang học được xem là một nguồn cảm nhận môi trường nhạy bén và ít xáo trộn, và các đặc tính ấy đã được chuyển sang các thiết bị và hệ thống cảm biến hiện đại với trọng tâm là độ nhạy cao và nhiễu thấp Nhu cầu gần đây đòi hỏi các cảm biến có độ nhạy vượt trội và nhiễu tối thiểu, thúc đẩy sự phát triển các nền tảng và hệ thống mới vượt xa hiệu suất của các loại cảm biến hiện có Đặc biệt đối với các ứng dụng như cảm biến môi trường phân tán, phát hiện nguy cơ hóa chất và độc tố, cũng như cảm biến sinh học để chẩn đoán và theo dõi sức khỏe, hệ thống cảm biến cần chi phí thấp, tiêu thụ điện năng thấp, nhỏ gọn và đa mục đích Những yêu cầu này là động lực thúc đẩy cho sự phát triển các phương pháp cảm biến tích hợp nhỏ gọn và hiệu quả, nhằm đáp ứng các thách thức về hiệu suất và ứng dụng rộng rãi.
Luận văn mới cho thấy nhạy cảm của các giải pháp quang học và sự nhỏ gọn, hiệu quả của các giải pháp tích hợp đã hình thành một nền tảng quang học tích hợp được xem là nền tảng ưu tiên để triển khai các thiết bị và hệ thống cảm biến hiện đại [34] Nền tảng này kết hợp công nghệ quang học tiên tiến với thiết kế tích hợp, tối ưu hóa kích thước và hiệu suất cho các ứng dụng cảm biến ngày càng phức tạp Việc lựa chọn nền tảng quang học tích hợp giúp tăng cường tính linh hoạt, khả năng mở rộng và dễ dàng tích hợp trong hệ thống cảm biến hiện đại.
Nền tảng nanophotonic có tiềm năng lớn nhờ kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp và khả năng tích hợp với các chức năng khác nhau, cùng độ nhạy cao khiến chúng trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng cảm biến Sự tương tác mạnh mẽ giữa vật chất và ánh sáng trên nền tảng này cho phép triển khai nhiều cơ chế cảm nhận khác nhau, bao gồm thay đổi chiết suất, phát xạ huỳnh quang và tán xạ Raman.
Trong Hình 2-14, các thành phần cơ bản của một nền tảng cảm biến quang tử tích hợp được biểu diễn dưới dạng sơ đồ, cho thấy tín hiệu quang sinh ra ở vùng tương tác bị ảnh hưởng bởi cơ chế cảm biến Đầu ra từ giai đoạn này sau đó được phân tích qua các phổ được thu thập bởi một quang phổ kế trên chip để nhận diện các dấu hiệu đặc trưng do quá trình cảm biến để lại.
2.3.4 Sản xuất chip với mạng lưới thần kinh nhân tạo quang học
Mạng lưới thần kinh nhân tạo
Mạng lưới thần kinh nhân tạo đang trở thành một hiện tượng toàn cầu trong thế giới điện toán Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chúng để xây dựng các hệ thống có khả năng học và tiếp thu vô số kỹ năng trước đây chỉ có ở con người, như nhận diện đối tượng và khuôn mặt, xử lý ngôn ngữ tự nhiên hay máy dịch Nhờ vào học sâu và khả năng tự thích nghi, máy móc ngày càng đảm nhận nhiều tác vụ phức tạp, khiến người ta quan tâm đến việc phát triển các mạng lưới có sức mạnh tính toán lớn hơn để đẩy giới hạn của trí tuệ nhân tạo đi xa hơn Trọng tâm của những nỗ lực này là tạo ra các mạng lưới có khả năng học hỏi, tổng hợp và vận dụng kiến thức ở quy mô rộng, từ nhận diện hình ảnh đến xử lý ngôn ngữ tự nhiên và các ứng dụng dịch thuật.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics mạch điện hoạt động giống như các tế bào thần kinh, vì vậy nó còn được gọi là các chip neuromorphic (chip mô phỏng não người) [36].
Alexander Tait and his colleagues at Princeton University in New Jersey have developed a silicon photonic integrated neuromorphic chip, demonstrating ultra-fast computational speed and signaling a major advance in silicon photonics for neuromorphic computing.
Mạng lưới thần kinh đang mở ra một cơ hội mới cho các chip quang tử này.
PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOPHOTONICS
Phương pháp mẫu
Việc sử dụng mẫu cứng đại diện cho một phương pháp tổng hợp linh hoạt cho vật liệu nano 1D, bao gồm thanh nano, dây nano và ống nano, cho phép kiểm soát tốt độ dài và đường kính cũng như mật độ lỗ trên khuôn mẫu, từ đó sản xuất các mảng nanostructures có định hướng và năng suất mong muốn Trong tổng hợp mẫu cứng điển hình, các lỗ rỗng được lấp đầy bằng dung dịch đơn chất hoặc tiền chất và tiếp theo là quá trình điện trùng hợp (hoặc lắng đọng điện) trong các kênh nano của mẫu sẽ tạo ra các cấu trúc nano polymer mô phỏng kích thước các lỗ rỗng Sau đó, khuôn mẫu được loại bỏ bằng acid hoặc base để giải phóng các cấu trúc nano tự do Đề tài này tập trung vào màng khắc theo dõi hạt (PTMs) và Màng Anodic Aluminum (AAO) [39].
3.1.1.1 Màng khắc theo dõi hạt (PTMs)
Màng polymer xốp, đặc biệt là màng polycarbonate, thường được dùng làm khuôn mẫu cứng cho quá trình tổng hợp dây nano và ống nano Những màng này, gọi là màng khắc theo vết hạt (PTMs), được thương mại hóa với nhiều kích thước lỗ chân không khác nhau; hình A và B minh họa ảnh hiển vi điện tử của PTMs, trong đó đường kính lỗ của mẫu A là 1 μm và mẫu B là 30 nm PTMs đã được sử dụng rộng rãi làm khuôn mẫu cho tổng hợp sợi nano và ống nano Hình 3-1 F trình bày sơ đồ quy trình tổng hợp sợi nano và ống nano bằng mẫu polycarbonate khắc theo vết hạt [39].
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Trong Hình 3-1 (A–D), các hình ảnh SEM và TEM minh họa cấu trúc của mẫu cứng được khắc bằng công nghệ PTM: hình SEM A cho thấy màng khắc PTM với đường kính lỗ 1 μm, hình TEM B mô tả bản sao than chì của PTM, và hình TEM C cho thấy bản sao than chì của PTM có lỗ rỗng đường kính 30 nm; hình F trình bày sơ đồ tổng hợp các dây nano và ống nano được thực hiện với sự hỗ trợ của các mẫu cứng polycarbonate khắc rãnh (PC) [40].
Quá trình trùng hợp của một monome diễn ra trong màng lỗ chân không, vì vậy đường kính của các cấu trúc nano 1D được hình thành phụ thuộc trực tiếp vào kích thước của lỗ trên tiêu bản Tuy nhiên, các mẫu PTMs thường được tạo ra bằng cách bắn phá ion ngẫu nhiên, khiến cho cấu trúc xốp không được kiểm soát và thiếu sự tổ chức phù hợp.
3.1.1.2 Màng Anodic Aluminum Oxide (AAO)
Mẫu AAO với lỗ rỗng hình trụ có đường kính từ 5 đến 270 nm được sản xuất bằng quy trình anode hóa hai bước: trước hết nhôm được đánh bóng điện để loại bỏ oxide, sau đó trải qua anodize trong dung dịch điện phân có tính acid; bất kỳ oxide nào được hình thành sẽ được loại bỏ bằng dung dịch chromate và quá trình anodize thứ hai được thực hiện để tạo cấu trúc tổ ong trong alumina Kích thước lỗ chân lông có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thành phần, nồng độ và nhiệt độ của dung dịch điện phân có tính acid và điện áp đặt vào, ngược lại chiều dài lỗ hình trụ có thể được điều chỉnh theo thời gian anode hóa Hình 4C, D cho thấy hình ảnh SEM và TEM của mẫu AAO có lỗ chân lông 70 và 10 nm Các lỗ chân lông có hoa văn hình lục giác, căn chỉnh tốt với đường kính đồng nhất có thể đạt được ở mật độ lỗ chân lông cao (1×10^11 cm^-2) Vật liệu hữu cơ có thể xâm nhập vào lỗ hình trụ của AAO và được đông đặc từ pha hơi, dung dịch hoặc trạng thái chất lỏng tiền thân để tạo ra dây nano hoặc ống nano Sau tổng hợp, mẫu AAO được loại bỏ bằng nhúng và hòa tan trong dung dịch NaOH [39].
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics
Hình 3-2 (C) Hình ảnh SEM của oxit nhôm anốt (AAO) màng có đường kính lỗ 70 nm và (D) TEM hình ảnh của Màng AAO cắt đoạn với đường kính lỗ 10 nm [40]
3.1.2.1 khối Copolymer làm khuôn mẫu
Copolymer khối là khuôn mẫu thích hợp để tổng hợp các vật liệu nano nhờ khả năng tự lắp ráp các phân tử thành các cấu trúc có trật tự với các miền phân cách pha ở kích thước nano Bằng cách điều chỉnh thành phần khối và hình thái kích thước nano của các phức hợp đồng trùng hợp khối, cấu hình của chúng có thể biến đổi từ hình cầu, hình trụ, lamellae đến kim cương đôi có thứ tự hai lần liên tiếp Để tổng hợp vật liệu nano 1D, các copolymer khối sẽ hình thành dạng hình trụ Thông qua khắc ion phản ứng, chiếu xạ UV và xử lý base nhẹ, có thể loại bỏ có chọn lọc một khối cụ thể của copolymer khối Nhờ ưu tiên loại bỏ các miền hình trụ, các vật liệu nano hoặc kênh nano rỗng có thể được tạo ra, và màng copolymer khối có thể đóng vai trò như khuôn mẫu.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Hình 3-3 trình bày (A) minh họa quá trình chế tạo khối copolymer mẫu của một mảng mật độ siêu cao các thanh nano polymer dẫn điện, và (B) hình ảnh SEM của khuôn mẫu nano xốp cùng thanh nano PPy, trong đó (a) là mặt trên và (b) là hình ảnh mặt cắt của màng hỗn hợp polystyrene-block-poly(methyl methacrylate) PS-b-PMMA trên kính ITO; và (c) trên cùng và (d) hình ảnh mặt cắt ngang của thanh nano PPy sau khi loại bỏ mẫu [41].
3.1.2.2 Chất hoạt động bề mặt và chất kết tụ dưới dạng mẫu
Chất hoạt động bề mặt là các phân tử lưỡng tính có khả năng tự tập hợp trong dung dịch để hình thành các cấu trúc nano như micelle (hoặc micelle nghịch đảo) với nhiều hình dạng khác nhau Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt vượt quá nồng độ tới hạn micelle (CMC), micelle được hình thành và cung cấp một môi trường vi mô cho quá trình trùng hợp; từ đó kích thước và hình thái của các cấu trúc nano polymer hình thành sẽ bổ sung cho cấu trúc của hệ chất hoạt động bề mặt Ví dụ trùng hợp hóa học Polypyrrole (Ppy) trong dung dịch sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate (AOT) sẽ tạo ra các sợi dây nano và ống nano với đường kính ở mức nano.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics
Hình 3-4 (A) Minh họa quá trình tổng hợp ống nano PPy (2) được hỗ trợ bởi chất hoạt động bề mặt (B) (a) Ảnh SEM và (b) TEM của ống nano PPy (2) [42]
3.1.2.3 Tinh thể lỏng làm mẫu
Việc sử dụng chất lỏng tinh thể (LC) làm khuôn mẫu mềm để tạo ra vật liệu nano hữu cơ 1D đã được chứng minh từ nhiều năm, nhờ khả năng hỗ trợ sự tự lắp ráp của các phân tử nhỏ và polymer trong quá trình tổng hợp cấu trúc nano Trong đó, tinh thể lỏng nematic, có trật tự định hướng, có thể chỉ đạo quá trình này, giúp hình thành các cấu trúc nano 1D một cách có kiểm soát [39].
Quá trình electrospun sợi nano từ polyme cách điện đã được chứng minh hoạt động như khuôn mẫu mềm để tổng hợp sợi nano và ống nano từ nhiều vật liệu khác nhau Các yếu tố hình thái và kích thước của sợi lõi đóng vai trò then chốt trong việc xác định hình thái và kích thước của ống nano Để chế tạo ống nano, vật liệu sợi lõi phải có khả năng quay điện thành sợi nano siêu mịn.
3.1.2.5 Các phân tử sinh học làm mẫu
Các phân tử sinh học như DNA, protein và túi lipid, cùng với vi sinh vật và nấm, được xem như những khuôn mẫu mềm hữu ích để tổng hợp các cấu trúc nano hữu cơ và vô cơ Trong số các mẫu này, DNA là một trong những khuôn mẫu đầu tiên và được nghiên cứu nhiều nhất, điển hình với ứng dụng làm dây nano hữu cơ dẫn và bán dẫn DNA có độ ổn định tương đối, có thể lập trình được độ dài và dễ dàng được chức năng hóa hóa học, tạo nền tảng cho thiết kế vật liệu lai Phương pháp tổng hợp dựa trên các tương tác không cộng hóa trị giữa DNA và các phân tử khác (monomer và oligomer) dẫn đến hình thành các vật liệu lai hữu cơ-vô cơ, mở rộng các ứng dụng trong công nghệ nano và vật liệu thông minh [39].
Phương pháp Electrospining
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Phương pháp electrospinning là một kỹ thuật phổ biến để chế tạo sợi nano từ các dung dịch nhớt Kỹ thuật này dùng lực điện để kéo dung dịch qua đầu phun và hình thành sợi cực kỳ mảnh khi có điện trường giữa đầu phun và bộ thu sợi nối đất Khi áp dụng điện áp cao, một dòng điện nhỏ xuất hiện tại đầu phun và làm dung dịch cũng bị nhiễm điện; các hạt mang điện được gia tốc bởi trường điện và di chuyển theo hướng của nó Nhờ sự gia tốc đều của điện trường, dung dịch được đẩy đi và hình thành sợi mỏng với bán kính từ micromet đến nanomet.
Hình 3-5 Mô tả các khối cơ bản của thiết bị quay điện [44]
Thông qua việc điều chỉnh nồng độ dung dịch, độ nhớt, dung môi và cường độ điện trường, ta có thể kiểm soát hình dạng và kích thước của sợi nano Do không sử dụng nhiệt độ cao nên phương pháp này phù hợp với các phân tử dễ bị hỏng nhiệt Sự hình thành giọt tại đầu kim phun dưới tác động của sức căng bề mặt và điện áp phù hợp tạo ra nhiều loại sợi nano khác nhau, phục vụ cho từng ứng dụng Điện áp cao sinh ra lực lớn phá vỡ sức căng bề mặt của giọt và kéo sợi dài liên tục (chuỗi liên tục) Vì vậy, phương pháp này cho phép dễ dàng điều chỉnh đường kính và chiều dài của các sợi [45].
Vật liệu cấu trúc nano dạng sợi có thể được chế tạo với nhiều hình thái khác nhau thông qua quá trình electrospinning Thành phẩm sợi phụ thuộc vào các thông số của dung dịch và lực tĩnh điện tham gia quá trình, trong đó các tham số chủ đạo gồm độ nhớt, sức căng bề mặt, nồng độ dung dịch, lưu lượng dung dịch và điện áp Việc điều chỉnh những tham số này cho phép kiểm soát hình dạng, đường kính và tính chất của sợi nano, từ đó tối ưu hóa ứng dụng của vật liệu trong các ngành công nghiệp.
Kỹ thuật Nanolithography
Một trong những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo tấm tinh thể quang tử phẳng 2D là phương pháp in thạch bản chùm điện tử, trong đó một chùm điện tử hội tụ được dùng để ghi lên bề mặt vật liệu và hình thành các cấu trúc tinh thể quang tử 2D Quy trình này cho phép kiểm soát chính xác kích thước, hình dạng và phân bố của các đặc trưng quang học, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và chức năng của tấm tinh thể quang tử Nhờ chùm điện tử hội tụ, phương pháp này có độ phân giải cao và khả năng sản xuất với quy mô lớn cho các ứng dụng quang tử và xử lý tín hiệu.
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics được quét xuyên qua một chất nền kháng để tạo ra một khuôn mẫu Độ phân giải của các lỗ trống được tạo ra (10–20 nm) về cơ bản bị giới hạn bởi sự tán xạ của điện tử bên trong và từ điện trở của chất nền Sau đó, các mẫu được chuyển lên chất bán dẫn bằng cách khắc khô (ion phản ứng) khắc Khắc khô có thể được xem là có cơ sở vật lý và hóa học; cái trước liên quan đến sự bắn phá của các ion trong khi cái sau liên quan đến các phản ứng hóa học giữa chất bán dẫn được khắc và các ion Ngoài ra, hạn chế chính của kỹ thuật in thạch bản chùm điện tử là một quá trình nối tiếp nên nó hạn chế cho việc sản xuất khối lượng lớn [17].
Kỹ thuật Nanolithography là quy trình in cho phép tạo ra nhiều bản sao từ một bản gốc ở quy mô nanomet Các phương pháp khác nhau đã được phát triển để thực hiện in thạch bản ở quy mô nano, ví dụ như in thạch bản chùm điện tử (EBL), in thạch bản đầu dò quét (SPL) và in thạch bản mềm Ngoài ra, phương pháp nanolithography có thể dùng để tổng hợp dây nano hữu cơ bán dẫn và cho phép tạo mẫu 1D và 2D trên một màng mỏng bán dẫn hữu cơ với việc hướng, kích thước, tỷ lệ co và chu kỳ được kiểm soát chính xác Các mẫu có thể hoặc không trở thành các dây nano riêng biệt vào cuối tiến trình Nói chung, các cấu trúc nano hữu cơ được chế tạo bằng phương pháp in nanolithographic có xu hướng vô định hình trừ khi sự tự lắp ráp của các phân tử được định hướng trong một số trường hợp.
3.3.1 Quang khắc chùm điện tử (EBL)
Phương pháp in khắc chùm tia điện tử (EBL) là một kỹ thuật tạo mẫu có cấu trúc nano mà không cần mặt nạ, vượt qua giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng mà các kỹ thuật quang khắc thông thường gặp phải EBL quét chùm tia điện tử lên một màng mỏng để thiết kế và định hình các mẫu, và đặc biệt có thể tạo các cấu trúc có độ phân giải cao với kích thước nhỏ hơn 100 nm [39].
3.3.2 Phương pháp in bản đầu dò quét (SPL)
Kỹ thuật in thạch bản đầu dò quét (SPL) là một kỹ thuật mạnh mẽ cho xử lý vị trí với độ phân giải không gian dưới 10 nm Các ví dụ SPL được dùng để tổng hợp dây nano bán dẫn hữu cơ gồm quét quang khắc trường gần, quét phân tán nano hóa nhiệt, quét kỹ thuật in thạch bản điện hóa và kỹ thuật in nano bút nhúng Vì kính hiển vi thăm dò quét (SPM) có nhiều biến thể tùy thuộc vào cơ chế tác động lẫn nhau nên đã dẫn đến các kỹ thuật phân tích nano dựa trên SPL và PSL đã phát triển theo nhiều hướng [39].
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
3.3.3 In Nanoimprint và kỹ thuật in bản mềm
Kỹ thuật in thạch bản mềm là một kỹ thuật ít phổ biến, sử dụng con tem đàn hồi để tạo cấu trúc bên trong vật liệu có kích thước từ 30 nm đến 500 μm Con tem được chế tác bằng cách đúc một tiền chất đàn hồi lên mặt một bản gốc có hoa văn được tạo ra bằng các phương pháp in thạch bản quang học, quang khắc điện tử hoặc vi gia công [17].
Nanoimprint, còn được gọi là in nổi, là một trong những phương pháp in mềm được nghiên cứu rộng rãi nhất hiện nay Đây là một kỹ thuật chế tạo các mẫu ở quy mô nanomet và là một quy trình nanolithography đơn giản với chi phí thấp, thông lượng cao và độ phân giải cao Phương pháp này tạo ra các mẫu bằng cách biến dạng cơ học của lớp điện trở in và các quá trình tiếp theo [43].
Kỹ thuật in nanoimprint và in thạch bản mềm được xem là hai phương pháp hứa hẹn nhất để thay thế các phương pháp quang khắc thông thường, nhờ sự kết hợp của độ phân giải cao, chi phí hiệu quả, thông lượng cao và khả năng tạo mẫu trên diện tích lớn.
3.3.4 Kỹ thuật in bản giao thoa
Kỹ thuật in thạch bản giao thoa không có mặt nạ (IL) hoặc in thạch bản ba chiều là một phương pháp tạo ra các mẫu trong một bộ quang học khi các đường đi tối ưu của hai hoặc nhiều sóng điện từ xếp chồng lên nhau trong không gian Mô hình giao thoa 3D cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một phần tử nhiễu xạ duy nhất thay vì bộ tách chùm Giống như tinh thể keo, các cấu trúc 2D và 3D có thể được sử dụng làm mẫu có thể kết hợp các vật liệu tương phản có chỉ số khúc xạ cao hơn cho các ứng dụng PC Ngoài ra, IL có thể được sử dụng để chế tạo trực tiếp PC 3D từ chất cảm quang kính chalcogenide chỉ số cảm quang cao [17].
Kỹ thuật ghi trực tiếp bằng laser (DLW)
Sự sẵn có của laser cực nhanh đã cho phép chế tạo các mẫu PC bằng cách ghi laser trực tiếp (DLW) Tại đây, đầu ra của một tia laser cực nhanh được tập trung bên trong chất cản quang hoặc nhựa lỏng để bắt đầu hấp thụ phi tuyến hai photon hoặc cao hơn tại một vị trí không gian cụ thể Sự hấp thụ có thể gây ra hư hỏng quang học hoặc phản ứng quang phân tử Chất cản quang được chọn để trong suốt đối với bước sóng laser ở mức một photon nhưng quang hoạt khi hấp thụ phi tuyến Điều này đảm bảo rằng sửa đổi cảm ứng quang học xảy ra ở mặt phẳng tiêu điểm đã chọn [17].
Các loại khác của Photonic crystals (PCs)
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics
Hầu hết các Photonic crystal (PC) được chế tạo từ vật liệu điện môi, tuy nhiên việc dùng vật liệu kim loại để xây dựng các cấu trúc tuần hoàn mang lại một số ưu điểm rõ rệt Những PC làm bằng kim loại được cho là có chi phí sản xuất thấp hơn so với các cụm làm từ vật liệu điện môi và đồng thời có trọng lượng nhẹ hơn [17].
3.5.2 PCs có thể điều chỉnh được
Hiện nay, nhiều người quan tâm đến chế tạo photonic crystal (PC) có khả năng điều chỉnh đặc tính để thích ứng với các kích thích bên ngoài, mở ra tiềm năng ứng dụng trong chuyển mạch quang học và cảm biến quang học PC có thể điều chỉnh bước sóng hoặc cường độ nhiễu xạ khi tiếp xúc với kích thích vật lý hoặc kích thích hóa học Có hai cách tiếp cận được đề cập ở đây: (1) chế tạo cấu trúc quang tử bằng các khối xây dựng tự đáp ứng và (2) đưa một vật liệu đáp ứng vào các khoảng trống của PC để tạo ra một cấu trúc tổng hợp Vật liệu được sử dụng trong hoặc cho PC sẽ quyết định phần lớn mức độ phù hợp với các kích thích bên ngoài [17].
Kích thích vật lý là tác động của sự thay đổi nhiệt độ lên vật chất, được xem là một kích thích phổ biến trong nhiều hệ thống Phương pháp thực hiện gồm hai cách chính: đốt nóng trực tiếp để tăng nhiệt độ và sử dụng tia laser để chiếu lên mục tiêu, giúp kích hoạt, điều chỉnh và tối ưu các quá trình vật lý và sinh học liên quan.
Kích thích hóa học là một trong những cách tiếp cận đơn giản để điều chỉnh các đặc tính của PC, bằng cách xâm nhập vào các cấu trúc xốp bằng dung môi và hơi dẫn, từ đó làm thay đổi chỉ số khúc xạ của tổ hợp Các PC làm bằng hydrogel và được chức năng hóa bằng hợp chất crown ethers để hình thành liên kết có chọn lọc với Pb2+, Ba2+ và các ion kim loại khác, qua đó tăng khả năng tương tác và sự nhận diện các ion trong các ứng dụng xử lý và cảm biến.
K+ xâm nhập vào mạng lưới gel và được quan sát gây sưng lên do sự gia tăng áp suất thẩm thấu Hiện tượng này là kết quả của thế Donnan phát sinh từ các ion ngược chiều tương tác với các cation trong hệ [17].
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com