nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên màng silic xốp đa lớp và ứng dụng là cảm biến hóa sinh

nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên màng silic xốp đa lớp và ứng dụng là cảm biến hóa sinh

Mở đầu

Vào cuối những năm 40 và đầu những năm 60 của thế kỷ 20 vật lý học đã có haiđóng góp to lớn cho công nghệ - đó là tranzito và laser Tranzito đã kích thích sự pháttriển của ngành điện tử (electronics), một lĩnh vực liên quan đến sự tương tác giữa cácelectron và vật chất Còn các laser mở đường vào một lĩnh vực mới gọi là quang tử(photonics) liên quan đến sự tương tác giữa các photon và vật chất Cấu tạo chung củamột laser gồm buồng cộng hưởng, nguồn bơm và môi trường khuếch đại Trong đó buồngcộng hưởng có ảnh hưởng trực tiếp tới công suất, các tính chất phổ của bức xạ laser vàđặc biệt ảnh hưởng lên các tính chất của bức xạ laser tạo ra những trạng thái phân bố xácđịnh của trường Buồng cộng hưởng có nhiệm vụ chủ yếu là giam giữ năng lượng củasóng điện từ trong buồng và lọc lựa bước sóng Vì vậy, trong buồng cộng hưởng cần phảitạo ra các trạng thái dừng Muốn buồng cộng hưởng có thể tạo ra các cấu hình dừng củatrường thì chúng ta phải tử một sự phân bố ban đầu của trường trên một trong các gương ,

sử dụng các định luật nhiễu xạ để biến đổi và vận chuyển chúng suốt chiều dài của buồng.Sau khi phản xạ và trở về gương gốc ban đầu chúng ta phải tìm lại một sự phân bố củatrường giống như phân bố khi xuất phát về biên độ cũng như về pha (sai khác một sốnguyên lần 2π) Dạng trường này rất đặc biệt được gọi là mode riêng của buồng cộnghưởng

Trong buồng cộng hưởng quang dựa trên các màng đa lớp thì các mode trong buồngcộng hưởng phụ thuộc vào chiều dày và chiết suất của các của các lớp điện môi tạo nên

nó Sự thay đổi mode trong buồng cộng hưởng đã mở ra một hướng nghiên cứu mới vềứng dụng của buồng cộng hưởng Đó chính là dựa vào sự thay đổi các mode riêng trongbuồng cộng hưởng phụ thuộc vào sự thay đổi chiết suất chúng ta có thể áp dụng vào việcchế tạo các cảm biến quang

Hiện nay cảm biến quang cũng là một trong những ứng dụng khá quan trọng trongđời sống, nó có thể xác định được các loại chất và nồng độ của chúng thông qua sự thayđổi nhỏ của chiết xuất Các cảm biến quang đang trên đà phát triển và thể hiện những ưuđiểm vượt trội như:Kích thước nhỏ ,khối lượng nhẹ, độ nhạy cao, ít bị ảnh hưởng bởinhiễu xạ từ trường, và có độ bền cao trong các môi trường khắc nhiệt Do đó nhiều cảm

biến quang có khả năng thay thế các cảm biến truyền thống trong các ứng dụng đo thông

số vật lý, hóa học hay sinh học

Với sự phát triển của công nghệ quang tử thì việc chế tạo một buồng vi cộng hưởngvới một qui trình chế tạo đơn giản và đem lại hiệu quả cao đã được thực hiện ở nhiềunước Cùng với công nghệ điện hóa thì chúng ta có thể chế tạo được những tấm gươngphản xạ bragg trên silic xốp với độ phản xạ cao một cách dễ dàng có các tính chất nhưtinh thể quang tử

Tinh thể quang tử là cấu trúc không gian tuần hoàn của các vật liệu điện môi có chiếtxuất khác nhau Sự biến đổi tuần hoàn của hằng số điện môi làm xuất hiện vùng cấm trongcấu trúc vùng năng lượng của tinh thể quang tử - vùng cấm quang (Photonic band gap-PBG).Tinh thể quang tử cấm hoàn toàn các bước sóng điện từ có bước sóng trong PBGlan truyền qua nó không phụ thuộc vào sự phân cực Trong tinh thể quang tử, thì tinh thểquang tử một chiều là đơn giản nhất Tuy nhiên nó lại dễ chế tạo và việc áp dụng vàotrong buồng vi cộng hưởng là rất phù hợp Từ những lý do nêu ở trên và các hướng pháttriển hiện nay của ngành công nghệ quang tử nên tôi đã chọn đề tài :

“Nghiên cứu chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên màng silic xốp đa lớp và ứng dụng là cảm biến hóa sinh ”.

Chương 1: Buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều làm

bằng silic xốp và cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hưởng

Trong chương này, phần đầu trình bày cấu trúc, đặc trưng của buồng vi cộng hưởng

có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều và các cơ sở cho việc chế tạo buồng vi cộnghưởng dựa trên màng silic xốp đa lớp bằng công nghệ điện hóa phiến silic Phần cuối củachương dành cho việc trình bày nguyên lý, các đặc tính của cảm biến sinh hóa dựa trênbuồng vi cộng hưởng làm bằng silic xốp và các cơ sở lý thuyết mô phỏng về buồng vicộng hưởng

1.1 Buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều

1.1.1 Cấu tạo của buồng vi cộng hưởng

Buồng cộng hưởng là một trong ba bộ phận quan trọng cấu thành laser Đó là nơichọn lọc, giam giữ sóng điện từ Trong một laser nói chung, buồng cộng hưởng là haigương phẳng có hệ số phản xạ rất cao đối với bước sóng thiết kế cho laser được bố trícách nhau bởi một khoảng cách nhất định Với laser có cấu trúc tinh thể quang tử mộtchiều, buồng vi cộng hưởng gồm 2 tấm gương phản xạ Bragg (DBR) nằm đối xứng vớinhau qua lớp không gian Cấu trúc của buồng vi cộng hưởng được trình bày trên hình 1.1trong đó DBR1 và DBR2 là các gương Bragg phần tư bước sóng Cả hai thành phần gươngBragg và lớp không gian đều ảnh hưởng mạnh tới đặc tính của buồng cộng hưởng và dướiđây chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết các thành phần này

Hình1.1 Cấu tạo của buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều Chiết suất của lớp không gian là n s và bề dày của lớp này là d s Lớp không gian được đưa vào giữa hai DBR đối xứng với chiết suất của các lớp là n H , n L và bề dày d H, d L.

1.1.1.1 Gương phản xạ Bragg

Gương phản xạ Bragg là một màng gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa trên hiệntượng nhiễu xạ Bragg của một chùm ánh sáng sau khi phản xạ tại mặt phân cách giữa cáclớp điện môi Mô hình đơn giản của hiện tượng nhiễu xạ được trình bày trong hình 1.2[1][7], trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp gồm hai lớp cóchiết suất n1 và n2 khác nhau tương ứng với độ dày d1, d2 Khi màng mỏng được chiếusáng, quá trình phản xạ sẽ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp vật liệu với chiết suất khácnhau Trong trường hợp màng chỉ gồm một lớp điện môi trên đế, tia phản xạ là kết quảcủa sự giao thoa của hai tia: một tia phản xạ ở mặt trên của màng mỏng (mặt phân cáchgiữa màng mỏng và không khí) và một tia phản xạ ở mặt dưới của màng mỏng (mặt phâncách giữa màng mỏng và đế ) Trong trường hợp của màng đa lớp, tia phản xạ là kết quảcủa sự giao thoa của các tia phản xạ tại các mặt phân cách Bằng cách lựa chọn thích hợpgiá trị của chiết suất và độ dày các lớp, chúng ta có thể tạo ra phổ phản xạ khác nhau

Hình 1.2 (a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp và (b) trong trường hợp màng đa lớp

Gương phản xạ Bragg là cấu trúc nhiều lớp được hình thành bởi sự lặp đi lặp lại tuầnhoàn của một cặp gồm hai lớp điện môi có chiết suất khác nhau nH và nL có độ dày tương

ứng hH và hL Gương điện môi được sử dụng nhiều nhất là gương phản xạ Bragg (DBR)phần tư bước sóng Đó là loại gương phản xạ Bragg có độ dài quang học của các lớp là

nH.hH=nLhL=λ/4 và chu kỳ của cấu trúc là Λ=hH+hL Sơ đồ cấu trúc của một DBR đượctrình bày như hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, n i và h i là chiết suất và bề dày tưong ứng của lớp i, N là số chu kỳ.

Trong phần giải thích quá trình hình thành silic xốp, chúng tôi sẽ chứng tỏ rằng silicxốp là vật liệu thích hợp cho việc chế tạo màng đa lớp bởi vì chiết suất và chiều dày củamỗi lớp xốp có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi các thông số điện hóa trong quátrình chế tạo

Nếu chiều dày quang học và chiết suất của mỗi lớp được thiết kế một cách chính xác,thì ánh sáng với những bước sóng nhất định bị phản xạ ở mỗi bề mặt phân cách sẽ giaothoa có cấu trúc Trong trường hợp này, điều kiện phản xạ Bragg đã chỉ ra ở phương trình1.1:

m.λ = 2n.d.sinθ (1.1)Trong đó: m là số nguyên, λ là bước sóng của ánh sáng tới, d là chiều dày của mộtlớp, và θ là góc tới đối với bề mặt thỏa mãn và một gương đa lớp có thể được tạo ra(nghĩa là cấu trúc có vùng cấm quang một chiều)

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng: khi xảy ra hiện tượng phản xạ tại bề mặt một gươngthì dao động trong ánh sáng tới và dao động trong ánh sáng phản xạ ngược pha với nhau.Nói cách khác, ta có thể cho rằng sau khi phản xạ thì pha dao động của sóng ánh sáng sẽ

đổi dấu hoặc pha đó đã biến thiên một lượng là kπ Sự biến thiên của pha một lượng là

kπ sẽ hoàn toàn tương đương với sự biến thiên của quang trình một lượng là (2 1)

Hình 1.4 Phổ phản xạ điển hình của gương phản xạ Bragg

Phổ phản xạ của gương Bragg dựa trên nguyên lý giao thoa có thể được tính toánbằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp ma trận truyền (TMM) được chúng tôi sửdụng sẽ được trình bày chi tiết trong phần cuối của chương Hình 1.4 trình bày phổ phản

xạ của một gương phản xạ Bragg , trong đó bước sóng thỏa mãn phương trình (1.3) nằm ởtrung tâm của cực đại phổ và thường gọi là bước sóng cộng hưởng

1.1.1.2 Lớp không gian

Lớp không gian lớp có độ dày quang học bằng nửa bước sóng hoặc đúng bằng chiềudài bước sóng, được đưa vào giữa các lớp điện môi của gương Bragg nhằm phá vỡ tínhtuần hoàn về hằng số điện môi trong các gương Bragg, được xem là một sai hỏng trongtinh thể quang tử Chiết suất của lớp không gian có thể giống hoặc khác so với chiết xuấtcủa các lớp lớp điện môi trong gương Bragg

1.1.2 Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng

Giống như tính tuần hoàn của trường thế trong tinh thể điện tử làm nảy sinh ra vùngcấm năng lượng, tính trúc tuần hoàn của hàm điện môi trong tinh thể quang tử làm xuấthiện vùng cấm quang mà thể hiện trên phổ truyền qua là một dải bước sóng với độ phản

xạ rất cao như trên hình 1.4 Lớp không gian trong buồng vi cộng hưởng được xem như là

một sai hỏng của tính tuần hoàn của hàm điện môi trong tinh thể quang tử Điều nàytương ứng với trạng thái cho phép trong vùng cấn quang mà thể hiện trên phổ truyền qua

Hình 1.4 Phổ phản của buồng vi cộng hưởng với số chu ki N=6,chiều dày

các lớp d1=57.14nm,d2=95.24nm,n1=2.8133,n2=1.6878.

là một khe hẹp với độ truyền qua đột ngột giảm xuống rất thấp như có thể thấy trên hình1.4 Bước sóng tương ứng với trạng thái cho phép trong vùng cấm quang này được gọi làbước sóng cộng hưởng của buồng vi công hưởng Bước sóng cộng hưởng rất nhạy vớinhững thay đổi của độ dày quang học và chiết suất của lớp không gian như sẽ được làmsáng tỏ bằng những kết quả mô phỏng trong chương 3

1.2 Cơ sở quá trình chế tạo buồng vi cộng hưởng quang trên màng silic xốp

Hiện nay phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D dựa trên màng silic xốp đa lớpchế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa đang rất được quan tâm do có thể điều khiểntương đối chính xác chiết xuất và độ dày các lớp, từ đó tạo ra được tinh thể quang tử như

ý muốn, bằng cách tạo ra các khuyết tật trong tinh thể để tạo ra các buồng vi cộng hưởng,tạo tiền đề cho phát triển laser và cảm biến hóa sinh…Dưới đây là cơ sở của quá trình ănmòn điện hóa cũng như thông số đặc trưng ảnh hưởng tới sự hình thành[4]

1.2.1 Quá trình ăn mòn điện hóa phiến silic xốp

Từ những nghiên cứu đầu tiên của Uhlir và Turner, và của Canham sau này, silicxốp nhận được chủ yếu bằng việc điện hóa phiến silic trong các dung dịch có chứa HF

Hình 1.5.Sơ đồ của hệ thống điện hóa silic

Một sơ đồ đơn giản của một hệ điện hóa silic xốp được trình bày trên hình 1.8 Bề mặtcủa một phiến silic đã có tiếp xúc Ohmic ở mặt sau được đặt tiếp xúc với dung dịch cóchứa HF Sau khi áp đặt một điện thế (có chiều thích hợp ) giữa mặt tiếp xúc phía sau củaphiến silic và một điện cực (thường là Pt) được đặt trong dung dịch HF, quá trình hìnhthành lỗ xốp được bắt đầu bằng việc hòa tan silic trong dung dịch HF dưới tác dụng củamật độ dòng áp dụng, khi đó những thông số cơ bản nhất định mới được thiết lập mộtcách chính xác

Cả silic loại n và p đều ổn định dưới chế độ phân cực ca-tốt Phản ứng quan trọng ởchế độ phân cực ca-tốt là việc tạo ra nước ở mặt phân cách Si/HF cùng với việc tạo thànhkhí hydro một cách đồng thời Phản ứng này chỉ xảy ra ở thế phân cực ca-tốt cao.

Sự hòa tan silic chỉ xảy ra dưới chế độ phân cực a-nốt Ở thế phân cực a-nốt cao, bềmặt silic sẽ được đánh bóng Ngược lại, ở thế phân cực thấp, hình thái học bề mặt chủ yếu

là các lỗ xốp có dạng như các kênh ăn sâu vào khối silic với mật độ cao

Việc tạo ra lỗ xốp chỉ xảy ra tại các giá trị điện thế thấp hơn giá trị điện thế ngưỡngứng với cực đại đầu tiên của mật độ dòng trong đường cong I-V.Dòng cực đại này gọi làdòng đánh bong điện cực Jps

Hình 1.6.Đặc trưng I-V đối với silic pha tạp loại n và p trong dung dịch HF

Jps

Những giá trị định lượng của đường cong I-V cũng như giá trị tương ứng với cựcđại đánh bong điện cực phụ thuộc vào những thông số ăn mòn và loại pha tạp cũng nhưnông độ pha tạp của phiến silic Đối với loại n, biểu hiện I-V của loại pha tạp này chỉ cóthể quan sát được dưới điều kiện chiếu sáng bởi vì sự tham gia của lỗ trống là cần thiếtcho phản ứng ăn mòn.

1.2.2 Hóa học của quá trình hình thành silic xốp

Để tạo ra silic xốp, dòng điện ở phía silic bề mặt phân cách SI/HF cần phải mang

lỗ trống, khi đó chúng được tiêm vào theo chiều từ khối silic đến bề mặt tiếp giáp Mật độdòng cần phải được giữ giữa giá trị 0 và giá trị ngưỡng đánh bong điện cực JPS Nhằm đạtđược dòng lỗ trống có giá trị đáng trong silic loại n , sự chiếu sáng từ bên ngoài vào mẫu

là cần thiết và điều này cũng phụ thuộc vào mức độ pha tập của đế silic Nếu vượt quamức đánh bong điện cực, quá trình a-nốt hóa sẽ dẫn đến ăn mòn hoàn toàn bề mặt củasilic

Phản ứng a-nốt hóa cho quá trình tạo silic xốp:

Si + 2HF  SiF2 + 2H+ (1.4) SiF2 + 2HF  SiF4 + H2 (1.5) SiF4 + 2HF  H2SiF6 (1.6)

Phương trình tổng quát :

Si + 6 HF  H2SìF6 + H2 +2H+ + 2e- (1.7)

Sản phẩm cuối cùng chứa Si trong HF là H2SiF6 hoặc một số dạng ion của nó, nóchỉ ra rằng trong quá trình tạo xốp chỉ 2 trong 4 điện tử Si có thể tham gia vào quá sựtruyền điện tích ở bề mặt phân cách trong khi đó 2 điện tử còn lại tham gia vào quá trình

ra H2

Tương tự như trong các lớp chuyển tiếp bán dẫn, ở lớp tiếp giáp Si/HF một vùngnghèo được sinh ra Độ rộng vùng này phụ thuộc vào sự pha tạp và đó là cơ sở để giảithích sự khác nhau về kích thước của lỗ xốp nhận được trong silic loại p và p+ Hơn nữa,

độ rộng của lớp nghèo còn phụ thuộc vào độ cong bề mặt cho nên quá trình a-nốt hóa chỉxảy ra chủ yếu ở phần đầu của lỗ xốp nơi mà độ cong là lớn nhất (tại đây mật độ của lỗtrống là lớn nhất ).Tuy nhiên, khi vung nghèo của các lỗ xốp liền kề xen phủ nhau, sự lưuthông của hạt bị ngăn lại, dẫn đến quá trình hòa tan silic tiếp theo bị dừng lại Do đó, đây

là nguyên nhân phản ứng tự hạn chế trong chế độ a-nốt hóa và dẫn tới cấu trúc xốp Một

hệ quả kéo theo là ở điều kiện dừng , độ xốp được duy trì ổn định trong khi đó chiều dàychung của lớp xốp lại tăng một cách tuyến tính theo thời gian

Sự hòa tan tiếp theo chỉ xảy ra ở đỉnh các lỗ xốp, ở đó lượng lỗ xốp cung cấp phảnứng hòa tan là lớn nhất , theo sự trình bày này thì việc ăn mòn của silic xốp xảy ra theochiều sâu với một hướng ưu tiên mà nó cho phép dòng a-nốt đi qua phiến silic Một khilớp xốp đã được hình thành thì sự ăn mòn điện hóa không xảy ra nữa nhưng quá trình ănmòn hóa học với tốc độ chậm lại bắt đầu do silic ngâm lâu trong môi trường HF

Dựa trên các nội dung đã được trình bày ở trên thi chúng ta có thể rút ra những yêucầu chủ yếu cho việc tạo ra silic xốp là :

- Phiến silic phải được phân cực a-nôt, điều này tương ứng với việc phân cựcthuận cho silic pha tạp loại p và là phân cực ngược với silic loại n

- Với silic pha tạp loại n hay loại p nhưng ở nồng độ rất thấp thì việc chiếu sáng

là rất cần thiết

- Mật độ dòng cần phải thấp hơn giá trị tới hạn Jps

Hai điều kiện ban đầu xuất phát từ việc thừa nhận rằng lỗ trống tham gia vào quá trình ănmòn silic Khi điều kiện thứ ba không được đáp ứng, phản ứng bị giới hạn bởi sự dichuyển của các chất vào trong dung dịch, dẫn đến lỗ trống bị tích tụ ở trong bề mặt phâncách Si/HF và lúc này xảy ra hiện tượng đánh bong điện cực

Quá trình ăn mòn là quá trình có tính chất tự điều chỉnh và kích thước trung bình củacác lỗ xốp chỉ phụ thuộc vào các thông số điện hóa

1.2.3 Đặc điểm của silic xốp

(Trong đó, m1 là khối lượng của silic trước khi bị anot hóa, m2 là khối lượng silicngay sau anot hóa, và m3 là khối lượng các lớp silic xốp sau khi bị hòa tan trong một dungdịch của muối hydroxit)

Hình 1.7 cho thấy phạm vi của độ xốp có thể đạt được trên một nền silic p+ bằngcách sử dụng dung dịch acid HF 15% trong ethanol

Hình 1.7 Mối quan hệ giữa độ xốp và mật độ dòng của tấm silic loại p + (~0,01 Ωcm) với dung dịch HF 15% trong ethanol Tăng mật độ dòng dẫn đến độ xốp cao hơn Độ xốp nằm trong khoảng giữa 45% và 85% là phù hợp đối với mật độ dòng thiết lập từ 5 mA/cm 2 đến 100 mA/cm 2 [6] .

1.2.3.2 Gần đúng môi trường hiệu dụng

Silic xốp là một hỗn hợp của silic và không khí, chiết suất của silic xốp dự đoán sẽthấp hơn so với chiết suất của khối silic Việc xác định chính xác chiết suất trung bình củasilic và không khí dựa vào trọng lượng riêng không phải lúc nào cũng luôn đúng.Do việctrộn lẫn hỗn hợp gồm 2 pha ở một thang chiều dài nhỏ hơn nhiều so với bước sóng trongvùng nhìn thấy và hông ngoại nên mô hình môi trường hiệu dụng được sử dụng để xácđịnh chiết suất của silic xốp Một số phép gần đúng của một số tác giả đã được áp dụngnhư: Bruggeman, Maxwell- Garnett và Looyenge

Hình 1.8 Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng của silic xốp

Hình 1.9 Cho thấy một so sánh của Bruggeman, Maxwell-Garnett, và Looyenga vớiquan hệ tương đối giữa độ xốp và chiết suất của silic xốp

Công thức Bruggeman cho sự phù hợp tốt đối với độ xốp trung bình và các hệ hạtđược sắp xếp không đều Độ xốp và hình thái học của silic xốp trong các kính lọc và hốc vicông hưởng hoạt động trong bước sóng khả kiến và hồng ngoại gần phù hợp với mô hìnhcủa bruggeman nên mô hình này được sử dụng cho các mô phỏng của chúng ta

Công thức 1.10 mà Maxwell-Garnett đưa ra phù hợp với hệ thống vật liệu có độ xốpcao và các hạt hình cầu cô lập cách nhau với khoảng cách lớn Do đó, nói chung khôngthích hợp cho silic xốp

Công thức Looyenga (1.11) áp dụng cho các hợp chất xếp chặt (đặc) và thường manglại sự phù hợp tốt nhất cho các lớp silic xốp có độ xốp cao từ đó nó nghiên cứu mạng liênkết cho tất cả các độ xốp

(Looyenga) (1.11)

(1.10)

Hình 1.9 Mối quan hệ giữa độ xốp và chiết suất của silic xốp Sự khác biệt giữa lý thuyết Bruggeman, Looyenga và Maxwell-Garnett là do những giả thiết để tạo ra các hình thái của vật liệu hỗn hợp giữa silic và không khí

Trong các biểu thức trên, P là độ xốp, εSi là hằng số điện môi của silic, εPSi là hằng sốđiện môi hiệu dụng của silic xốp, và εvoid là hằng số điện môi của các lỗ xốp Chiết suấtđược xác định bằng cách lấy căn bậc hai của hằng số điện môi

1.2.3.3 Tốc độ ăn mòn

Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào nhiều thông số như mật độ dòng, thành phần của chấtđiện phân, nhiệt độ, mật độ pha tạp vào chất nền và định hướng Tốc độ ăn mòn (rPSt) củacác lớp silic xốp loại meso theo hướng (100) của loại silic P+ (0,01 cmΩ ) trong dung dịch

HF 15 %và ethanol được minh họa trong hình 1.10 Công thức 1.8 cho thấy quy luật sựphụ thuộc của tốc độ ăn mòn vào cường độ dòng điện (J)[6]

0,771,3

PSi

r = J (1.12)

Đặc trưng này được áp dụng cho tất cả các cấu trúc mesoporous được nghiên cứu trongchuyên đề này

Hình 1.10 Giản đồ mối liên hệ giữa tốc độ ăn mòn với mật độ dòng điện của loại

silic P + (0,01 cmΩ ) với dung dịch axit HF 15% trong ethanol

1.3 Cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hưởng

1.3.1 Giới thiệu chung

Như ta đã biết bước sóng trong buồng vi cộng hưởng rất nhạy với những thay đổicủa độ dày và chiết suất Từ đó, thông qua sự dịch phổ của buồng vi cộng hưởng mà ta

có thể xác định sự thay đổi của chiết suất nếu cho rằng chiều dày là cố định Dựa vàođặc tính này chúng ta có thể sử dụng buồng vi cộng hưởng làm cảm biến cho các chấtsinh hóa dưới dạng lỏng Ưu điểm của các cảm biến có cấu trúc tinh thể quang tử bậccao (hai hoặc ba chiều) là có thể làm việc với một lượng chất nghiên cứu rất ít do thểtích mốt trong các tinh thể này rất nhỏ Tuy nhiên, ưu điểm của các cảm biến trên cơ

sở tinh thể quang tử một chiều là một mặt vẫn đảm bảo được độ phân giải cao mặtkhác lại có lợi về mặt giá thành đặc biệt với các cảm biến cho mục đích sử dụng mộtlần Có thể thấy rằng tất cả các linh kiện trên cơ sở màng silic xốp đa lớp như: màngđơn lớp Fabry-Perot, kính lọc giao thoa (hay là tấm phản xạ Bragg), rugate filter,buồng vi cộng hưởng đều có cùng một nguyên lý cảm biến

Sự hấp thụ các chất nghiên cứu trong các lỗ xốp làm thay đổi chiết suất của cáclớp xốp dẫn đến sự dịch chuyển phổ đặc trưng của các tinh thể Như vậy, quan sát phổphản xạ hay phổ truyền qua người ta có thể phát hiện sự liên kết của các phân tử ởtrong các lỗ xốp bởi vì việc bắt giữ các phần tử nghiên cứu trong các lỗ xốp làm thayđổi chiết suất của lớp xốp

1.3.2 Các thông số liên quan

1.3.2.1 Chỉ số phẩm chất (Q-factor)

Chỉ số phẩm chất Q (Q factor) của buồng vi cộng hưởng được định nghĩa là tỷ sốgiữa độ dài bước sóng tại hố cộng hưởng và độ rộng phổ tại nửa cực đại của hố cộnghưởng Chỉ số này được dùng để đánh giá mức độ giam giữ ánh sáng trong buồng vicộng hưởng Trong cảm biến, khi mà sự dịch phổ được quan sát thì sự tăng của Q sẽlàm tăng khả năng phân giải của sự dịch phổ Q tăng khi số chu kỳ trong gương Braggtăng và khi độ tương phản chiết suất giữa các lớp tăng Trong các ứng dụng cảm biến,giá trị Q cao nhất bị giới hạn bởi độ tương phản độ xốp cực đại có thể chấp nhậnđược Khi độ tương phản về độ xốp tăng độ tương phản về kích thước lỗ xốp tăng.Các lỗ xốp khi mà kích thước quá nhỏ sẽ ngăn cản sự thẩm thấu của các phân tử kíchthước lớn vào trong cảm biến Trong thực tế số chu kỳ của gương Bragg cũng khôngthể tăng một cách tùy ý do sự thẩm thấu đồng nhất của các phân tử trở nên khó khănhơn đối với linh kiện quá dày[6]

1.3.2.2 Độ nhạy của cảm biến

Một thông số quang trọng của cảm biến là: độ nhạy của cảm biến Δλ/Δn, trong

đó Δλ là khoảng dịch phổ theo bước sóng và Δn là sự thay đổi chiết suất của môitrường Đối với một hệ đo có khả năng phân giải một sự dich bước sóng nhất định thì

tỷ số Δλ/Δn sẽ thiết lập sự thay đổi chiết suất cực tiểu mà linh kiện cần phải đạt được

Ví dụ, buồng vi cộng hưởng với các lớp có độ xốp là 80% và 70%, tỷ số Δλ/Δn là 550

nm Đối với hệ đo có khả năng phát hiện một sự dịch phổ 0,1 nm thì sự thay đổi chiếtsuất nhỏ nhất có thể thu nhận được là 2x10-4 Dưới đây là ảnh hưởng của độ nhạy cảmbiến tới vật liệu và cấu trúc buồng vi cộng hưởng

- Sự phụ thuộc của độ nhạy vào gương Bragg:

Do sự giam giữ trường trong trong buồng vi cộng hưởng, bước sóng của hố cộnghưởng sẽ nhạy với sự thay đổi chiết suất của lớp sai hỏng hơn là trong các gươngBragg Các lớp càng nằm cách xa lớp sai hỏng thì càng ít gây ảnh hưởng tới bướcsóng cộng hưởng Các kết quả mô phỏng trên hình 1.11 chỉ ra rằng sự dịch phổ vềvùng đỏ của buồng vi cộng hưởng không phụ thuộc vào số chu kỳ trong gương Bragg.Tuy nhiên khi mà số chu kỳ tăng chiều dày tổng cộng của linh kiện cũng tăng Nếulượng chất nghiên cứu bị hạn chế, thì một cảm biến quá dày sẽ không phải là phương

án tốt bởi vì tổng số lượng chất nghiên cứu bị hấp thụ bên trong buồng vi cộng hưởng

sẽ tỷ lệ với chiều dày của linh kiện Do đó chúng ta sử dụng đại lượng Δλ/L để đánh

giá độ nhạy của cảm biến với chiều dày L khác nhau Tỷ số Δλ/L tương đương vớiΔλ/g là sự dịch bước sóng trên một đơn vị khối lượng chất nghiên cứu Có thể thấy từhình 1.11, Δλ/L giảm khi số chu kỳ trong gương Bragg tăng Như vậy, trong thiết kếcảm biến số chu kỳ trong gương Bragg sẽ giảm tới mức có thể sao cho có thể đạt đượcgiá trị hợp lý của chỉ số Q của buồng vi cộng hưởng.

- Sự phụ thuộc của độ nhạy vào bước sóng cộng hưởng:

Bước sóng cộng hưởng được xác định bởi độ dày quang học của lớp sai hỏng vàcủa gương Bragg Sự dịch vùng đỏ của bước sóng cộng hưởng Δλ như là một hàm củabước sóng cộng hưởng λ được thể hiện trên hình 1.12 theo các kết quả thu được từ

mô phỏng Có thể nhận thấy rằng khi bước sóng di chuyển về bước sóng dài độ dịchphổ Δλ tăng Như vậy, nếu lượng chất nghiên cứu không bị hạn chế và phần tử nghiêncứu dễ dàng thấm sâu vào linh kiện thì bước sóng cộng hưởng sẽ được chọn lớn nhấttới mức có thể Hình 1.6cũng chỉ ra rằng Δλ/L không phụ thuộc bước sóng cộnghưởng Điều này có nghĩa là nếu lượng chất nghiên cứu bị hấp thụ ở bên trong các lỗxốp cố định thì các buồng vi cộng hưởng cho dù có bước sóng cộng hưởng khác nhauđều có cùng một giá trị dịch phổ Δλ và cùng một độ nhạy

Hình 1.11 Các hình vuông đặc: sự dịch về vùng đỏ của bước sóng cộng hưởng như là một hàm của số chu kỳ trong gương Bragg Các hình vuông rỗng: ∆λ/L là hàm của số chu kỳ trong gương Bragg Trong tính toán mô phỏng bước sóng cộng hưởng tại 800

nm và sự thay đổi chiết suất trong các lỗ xốp ∆npore = 0.03

- Sự phụ thuộc của độ nhạy vào chiều dày lớp sai hỏng:

Bước sóng cộng hưởng trong dải phổ phản xạ cực đại phụ thuộc vào độ dày quanghọc của lớp sai hỏng Sự dịch về vùng đỏ của bước sóng cộng hưởng này như là mộthàm của độ dày lớp sai hỏng được thể hiện trên hình 1.13 Khi chiều dày lớp sai hỏngtăng độ dịch về vùng đỏ tăng chậm và thông thường đạt tới giá trị bão hòa Tuy nhiên

độ nhạy Δλ/Δn lại giảm khi tăng độ dày lớp sai hỏng Như vậy, thiết kế buồng vi cộnghưởng với chiều dày quang học của lớp sai hỏng bằng nửa hay bằng chiều dài bướcsóng mang lại hiệu suất cao hơn Một lớp sai hỏng quá dày sẽ không làm tăng độ nhạycủa cảm biến Với một lượng chất nghiên cứu cố định lớp sai hỏng càng dày thì độnhạy của cảm biến càng giảm

1.4 Lý thuyết mô phỏng về buồng vi cộng hưởng

1.4.1 Cơ sở toán học để phân tích và mô phỏng

Trước khi chế tạo, chúng tôi đã xây dựng chương trình mô phỏng để có thể thiết kế và

dự đoán được các tính chất quang học của buồng vi cộng hưởng một cách chính xác hơn.Mỗi cấu trúc của buồng vi cộng hưởng dựa trên màng đa lớp silic xốp được đặc trưng bởi

Hình 1.12 Các hình vuông đặc: sự dịch đỏ của bước sóng cộng hưởng như là hàm của bước sóng cộng hưởng Các hình vuông rỗng: ∆λ/L như lafhamf của bước sóng cộng hưởng ( trong mô phỏng ∆npore=0.03, và chiều dày quang học của lớp sai hỏng bằng một nửa bước sóng cộng hưởng)

Hình 1.13 Các hình vuông đặc: sự dịch đỏ của bước sóng cộng hưởng như là hàm

của độ dày của lớp sai hỏng Các hình vuông rỗng: ∆λ/L như là hàm của chiều dày

lớp sai hỏng Trong mô phỏng ∆npore=0.03, và bước sóng trung tâm của gương

phản xạ là 800 nm

các thông số cơ bản như: số lớp N, chiết suất n và độ dày quang học d của lớp Các tính

toán của phổ phản xạ và phổ truyền qua từ các thông số trên có vai trò quan trọng trongviệc tìm hiểu kỹ lưỡng về buồng vi cộng hưởng Với chương trình này, chúng tôi có thểkhảo sát các cơ chế của buồng vi cộng hưởng, dự đoán sự thay đổi các đặc tính và nghiêncứu các tính chất của phổ phản xạ (bước sóng trung tâm, độ rộng phổ hoặc cường độ phảnxạ,…) của hệ thống trước khi chế tạo nó Quá trình mô phỏng cũng cho phép chúng tôixác định các thông số và thiết kế một buồng vi cộng hưởng theo mong muốn Có rất nhiềuphương pháp số để phân tích buồng vi cộng hưởng như: Phương pháp ma trận truyền(Transfer Matrix Method - TMM), phương pháp sóng phẳng (Plane Wave Method -PWM), và phương pháp miền thời gian khác biệt hữu hạn (Finite Difference TimeDomain - FDTD) Dựa trên những ưu nhược điểm của từng phương pháp chúng tôi đãchọn phương pháp Ma trận truyền để mô phỏng đặc trưng phổ phản xạ cho các buồng vicộng hưởng được nghiên cứu trong Khóa luận[7]

1.4.2 Phương pháp ma trận truyền (Transfer Matrix Method - TMM)

Phương pháp ma trận truyền (TMM) là một thuật toán rất hữu ích cho việc tính toánphổ phản xạ và truyền qua của các cấu trúc đa lớp Trong phương pháp này, chiết suấtphản xạ có thể lấy hai giá trị là thực hoặc phức Chiết suất mang giá trị thực đại diện chovật liệu ít mất mát trong khi chiết suất phức đại diện cho một trong hai loại vật liệu là:mất mát hoặc ít mất mát Nếu phần ảo của chiết suất phản xạ phức là âm thì vật liệu làhấp thụ Nếu phần ảo dương thì đó là dấu hiệu của sự tăng chiết suất Phương pháp matrận truyền cũng có thể điều chỉnh số lượng lớp trong cấu trúc đa lớp Thêm vào đó, cáclớp này có thể được sắp xếp theo bất cứ kiểu nào và không cần phải tuần hoàn Thậm chí,nếu các lớp được sắp xếp tuần hoàn thì mỗi chu kỳ được lặp lại không nhất thiết phải cóhai lớp mà có thể có nhiều lớp và không hạn chế về bề dày của mỗi lớp Độ dày và chiếtsuất của mỗi lớp có thể được xác định một cách độc lập Chính những lý do đó khiến chophương pháp ma trận truyền trở thành phương pháp phù hợp nhất cho việc mô phỏng cấutrúc màng đa lớp

Phương pháp ma trận truyền có thể xử lý các cấu trúc có chỉ số tương phản cao giữahai vật liệu hỗn hợp Điều này khiến cho TMM trở thành phương pháp phù hợp cho môphỏng các cấu trúc màng đa lớp, là các cấu trúc có sự tương phản cao giữa các lớp Tuynhiên, phương pháp ma trận truyền cũng có một số nhược điểm Ví dụ như giả sử rằngmặt tinh thể vuông góc với hướng truyền là vô hạn, nghĩa là mỗi lớp trong một cấu trúc

đa lớp phải mở rộng vô hạn theo cả hai chiều Tất nhiên, điều này là không thực tế vì kíchthước của một lớp là giới hạn theo cả ba chiều, vì vậy các lớp khi được mô phỏng phải cókích thước đủ rộng để tránh các lỗi trong quá trình mô phỏng TMM sẽ tính toán cáctrường trong cấu trúc bằng cách truyền các trường này từ lớp này sang lớp khác bằng cácquan hệ ma trận Như vậy, nó phụ thuộc rất lớn vào tốc độ tính toán và do đó bị hạn chếbởi chính nó Phương pháp ma trận truyền thiếu một biểu thức toán học liên kết cáctrường giữa các lớp khác nhau, điều này làm giảm các tính toán toán học cần thiết và do

đó làm giảm thời gian tính toán bằng máy tính Một nhược điểm khác của TMM là nó cógiới hạn truyền sóng liên tục và không thể xử lý truyền sóng xung Để mô phỏng xung,TMM phải được kết hợp với biến đổi Fourier Đối với xung để mô phỏng tốt hơn thì ta sửdụng các phương pháp khác giống như là phương pháp miền thời gian khác biệt hữu hạn.(Finite Difference Time Domain - FDTD).

1.4.3 Mô phỏng về buồng vi cộng hưởng

Buồng vi cộng hưởng là một cấu trúc gồm có 2 gương Bragg nằm đối xứng với nhauqua một vùng đệm Từ đó chúng ta đi tới thiết kế chương trình mô phỏng lần lượt từ việctạo gương bragg cho đến sự hình thành của lớp không gian

Một gương bragg gồm các lớp điện môi tuần hoàn Cấu trúc điện môi được xác địnhbởi :

x x x n

x x x n

x x n x n

N

s 2

2 1

2

1 0

1

0 0

,

,,,)(

(1.13)

Trong đó n 0 , n s tương ứng là chiết suất của môi trường xung quanh và chiết suất phản

xạ của lớp đế Với cấu trúc này, ta có n(x)=n(x+Λ) Nhìn chung cho các lớp thứ m, chiết suất là n m và chiều dày là d m trong đó d m =x m+1 -x m (m=1:2N).

Hình1.14: Sơ đồ cấu trúc gương phản xạ Bragg.

Điện trường của một sóng phẳng được viết là E=E(x)e i(ωt-βz) trong đó E(x) là phân bố

B e

A

x x x

e B e

A

x x e

B e

A x

E

N x

x ik s x

x ik s

m m

x x ik m x

x ik m

x x ik x

x ik

N sx N

sx

m mx m

mx

x x

2 ) ( ' ) ( '

1 ) ( )

(

0 )

( 0 ) ( 0

,,

,)

(

2 2

0 0 0

0

(1.14)

Trong đó k mx là thành phần theo trục x của vectơ sóng, k mx =ωn m cosθ m /c và θ m là tia tới

của mỗi lớp, A m và B m là biên độ của sóng phẳng tại giao diện x=x m

Nếu ta viết hai biên độ của E(x) như là các vectơ cột, các sóng phẳng ở các lớp khác

nhau có thể quan hệ với nhau qua biểu thức:

m m

m

m

B

A P D D B

A Dm D B

1 '

' 1

1 1

n

TE sóng cho n

n

D

m m

m m

m m m m m

θθ

θθ

coscos

coscos

11

m mx

h ik

h ik

12 11 1

2 2 2

1 1 1 1

1 0 0

0

S

S S

N

B

A M M

M M D

D P D D P D D

0 0

0 0 0

A

A t

A

B r

1

M t M

M r

(1.20)

Và độ phản xạ:

2

11

21 2

M

M r

(1.21)Một buồng vi cộng hưởng có cấu trúc như sau :

Hình 1.15.Mô hình cấu trúc buồng vi cộng hưởng

Công thức (2.6) được viết lại như sau:

- Chiết suất của môi trường xung quanh (n 0 ): là chiết suất của môi trường từ đó sóng

tới bề mặt của lớp đầu tiên của buồng vi cộng hưởng

- Chiết suất của đế (n s )

- Góc tới (θ): Là góc giữa phương truyền của sóng tới và pháp tuyến của bề mặt các

lớp Góc tới này có thể thay đổi từ 0 đến 90 độ

- Số lượng cặp lớp (N): là số lượng cặp lớp tuần hoàn để tạo thành cấu trúc quang tử

1D

- Chiết suất (n m ) và độ dày (h m ) của các lớp tuần hoàn Nó có thể là n 1 , d 1 hoặc n 2 , d 2

- Dải bước sóng: là dải từ các giá trị đầu tiên đến các giá trị cuối cùng của bước sóngcho phổ phản xạ được phân tích

sự khác biệt là tại bước sóng cộng hưởng độ phản xạ giảm gần như về không

2 Dựa vào kỹ thuật ăn mòn điện hóa phiến silic trong dung dịch chứa axit flohydricchúng ta có thể tạo ra màng silic xốp đa lớp với chiết suất và độ dày khác nhau bằngviệc kiểm soát chính xác mật độ dòng và thời gian ăn mòn điện hóa Đó chính là cơ sởcho việc chế tạo buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều bằngsilic xốp

3 Dựa vào đặc tính phụ thuộc của bước sóng cộng hưởng vào chiết suất của các lớp xốpcấu thành buồng vi cộng hưởng chúng ta có thể xác định được chiết suất của các chấtlỏng thông qua sự dịch chuyển phổ phản xạ khi nhúng buồng vi công hưởng trong cácchất lỏng được nghiên cứu Đó cũng chính là nguyên lý hoạt động của cảm biến chocác chất lỏng Khóa luận đã nêu bật các yếu tố ảnh hưởng quyết định tới độ nhạy củacảm biến như: số chu kỳ của gương phản xạ, độ dài của bước sóng cộng hưởng, chiếtsuất độ dày của lớp không gian

4 Phương pháp ma trận truyền đã được trính bày một cách tỷ mỉ nhằm cung cấp các cơ

sở toán học cho việc mô phỏng các đặc tính quang của buồng vi cộng hưởng có cáutrúc quang tử một chiều cũng như các cảm biến sinh hóa

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHẾ TẠO BUỒNG VI CỘNG HƯỞNG, CÁC PHÉP

ĐO CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA SILIC XỐP

Như đã nói ở phần trên thì phương pháp chế tạo buồng vi cộng hưởng trên màngsilic xốp đa lớp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa là một phương pháp đang được quantâm rất nhiều do giá thành rẻ, qui trình chế tạo đơn giản, không đòi hỏi thiết bị đắt tiền….Phương pháp này cho phép điều khiển tương đối chính xác chiết suất và độ dày các lớpxốp vì vậy việc tạo ra các lớp điện môi tuần hoàn và lớp không gian với độ dày, chiết suấtnhư mong muốn là rất dễ dàng Quy trình thực hiện quá trình điện hóa chế tạo buồng vicộng hưởng sẽ được trình bày trong chương này Phần cuối chương chúng tôi xin trìnhbày về các phép đo cấu trúc, đặc trưng của silic xốp

2.1 Qui trình chế tạo buồng vi cộng hưởng

2.1.1 Chuẩn bị

Bước 1: Chuẩn bị mẫu, dụng cụ và hóa chất

- Phiến silic loại p+ có điện trở suất ρ = 0,01 - 0,1 Ωcm được bốc bay Al ở mặt sau đểtạo tiếp xúc

- Ủ tiếp xúc mặt sau cho phiến silic đã được bốc bay Al ở nhiệt độ thích hợp trong 2giờ

- Phiến silic sau khi đã được ủ tiếp xúc, được cắt thành miếng 1,6 x 1,6 cm, rung siêu

âm các mảnh này trong isopropanol sau đó rửa bằng nước khử

- Rung siêu âm, rửa sạch và sấy khô bình teflon, panh gắp mẫu và cốc pha hóa chất

- Chuẩn bị hóa chất để ăn mòn: Dung dịch HF và cồn tuyệt đối

Hình2.1 Hệ lò được dùng để ủ tiếp xúc cho phiến silic bốc bay nhôm

Bước 2 Chuẩn bị hệ thống điện hóa

* Bình điện hóa:

Trong chế tạo silic xốp, tấm silic hoạt động giống như cực dương và được đặt ở đáycủa bình Dung dịch điện phân là hỗn hợp của cồn (C2H5OH) và axit HF với nồng độ khácnhau Cực âm là platin hoặc bất kỳ chất nào dẫn điện và trơ trong HF Bình điện hóa códạng hình trụ làm từ polyme độ bền cao trong axit (như là teflon)

* Nguồn dòng:

Chúng ta có thể sử dụng nguồn dòng hay nguồn thế cho quá trình dương cực tan.Nhưng phương pháp thường sử dụng là điều khiển nguồn dòng bởi vì ta có thể điều khiểntốt hơn độ xốp, độ dày và khả năng lặp lại của những lớp silic xốp

Hệ thống ăn mòn điện hóa mà chúng tôi sử dụng được trình bày trong hình 3.2

Hình 2.2 Hệ thống ăn mòn điện hóa

- Mảnh silic kích thước 1,6 x 1,6 cm được đặt vào bình teflon đã thiết kế các điện cựctrong đó phía sau của mảnh sẽ được ghép trực tiếp với điện cực dương, mặt trước củamảnh silic tiếp xúc với dung dịch ăn mòn và cực âm là lưới platin

- Dung dịch ăn mòn là hỗn hợp HF : C2H5OH trong đó nồng độ về thể tích của HF là

16 đến 20%

Quá trình ăn mòn được thực hiện trên hệ điện hóa AUTOLAB PGSTAT 30 hiện có

của phòng Vật lý và Công nghệ màng mỏng, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học vàCông nghệ Việt Nam

Các mẫu sau khi được chế tạo được rửa trong cồn tuyệt đối rồi sấy khô

Hình 2.3 Sơ đồ hệ điện hóa AUTOLAB PGSTAT 30

2.1.2 Thiết kế buồng vi cộng hưởng

Để thiết kế được buồng vi cộng hưởng thì việc chế tạo được một khe cộng hưởnghẹp trong vùng cấm là rất quan trọng Khi chế tạo được 1 vi hốc cộng hưởng tức là tínhtuần hoàn của gương phản xạ Bragg(có độ dài quang học là λ/4) bị phá vỡ, hay một lớpkhông gian (defect) (còn được gọi là vùng không gian đệm) có độ dài quang học bằng λ/2

Hình 2.4 Sơ đồ minh họa cấu trúc của một buồng vi cộng hưởng thể hiện bởi lớp không gian có

độ dài quang học λ/2 xen giữa hai DBR gồm các lớp có chiết suất cao và thấp có độ dài quang học λ/4 xen kẽ lẫn nhau (b) Phổ phản xạ tương ứng của buồng vi cộng hưởngcho thấy một bước sóng cộng hưởng hẹp ở giữa đỉnh phản xạ cực đại.

hoặc λ được kẹp giữa hai DBR điện môi Hình 2.1 trình bày sơ đồ của một buồng vi cộnghưởng và phổ phản xạ tương ứng của nó Bước sóng cộng hưởng thay đổi rất nhanh vàphụ thuộc lớn vào chiều dài quang học của lớp không gian.

Các buồng vi cộng hưởng do chúng tôi chế tạo được xuất phát từ đế silic loại p+ trongdung dịch axit HF 15% (dung dịch của axit HF và cồn tuyệt đối) Các đế silic p+ cho hìnhthái của silic xốp tốt nhất, phù hợp với yêu cầu để chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trêntinh thể quang tử 1D bằng phương pháp ăn mòn điện hóa Kích thước của lỗ xốp đủ rộng

để cho phép các chất thâm nhập vào nhưng đủ nhỏ để cho phép silic xốp là một môitrường hiệu dụng trong vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại Nồng độ HF được

sử dụng trong quá trình điện hóa là 16% được lựa chọn bởi vì nó cho phép tạo ra một dảirộng của các giá trị chiết suất của các lớp xốp [6]

Các cấu trúc đa lớp của silic xốp (PC 1D) có thể được tạo ra bởi vì quá trình hòa tan củasilic được ưu tiên xảy ra ở các đỉnh lỗ nơi môi trường là đậm đặc nhất như được mô tảtrong hình 2.2 [7] Các lớp được hình thành trước đó không bị ảnh hưởng bởi quá trình ănmòn điện hóa tiếp theo

Hình 2.5 Sơ đồ minh họa quá trình ăn mòn tạo ra silic xốp Quá trình hòa tan của silic được ưu tiên xảy ra ở đỉnh các lỗ xốp nơi môi trường là đậm đặc nhất và các lỗ trống (h + ) và các ion F - phản ứng với nhau Hơn nữa các vùng phía trên sau khi bị ăn mòn không bị ảnh hưởng bởi các hạt tải điện.

Để tạo ra các lớp có chiết suất thay đổi tuần hoàn nằm xen kẽ nhau thì mật độ dòngđiện cũng được thay đổi như minh họa trong hình 2.3, mỗi một mật độ dòng điện tươngứng với một độ xốp khác nhau

Hình 2.6 Sơ đồ của quy trình tạo ra các lớp silic xốp Thời gian và độ lớn của mật

độ dòng điện quyết định độ dày và độ xốp của lớp silic xốp sau khi điện hóa Khi

áp dụng mật độ dòng theo thời gian (đồ thị bên trái), các lớp silic xốp được hình thành tương ứng (hình vẽ bên phải) Một thời gian ngắn được thiết lập (với mật độ dòng bằng 0) để nồng độ HF cân bằng trong suốt các lỗ xốp và ngăn ngừa sự hình thành của gradient độ xốp không mong muốn.

Một buồng vi cộng hưởng được tạo ra bằng cách đầu tiên ăn mòn để tạo ra mộtgương phản xạ Bragg (DBR) ở phía trên với độ dài quang học của mỗi lớp là λ/4, các lớp

có chiết suất cao và thấp xen kẽ nhau, sau đó ăn mòn một lớp không gian với độ dàiquang học bằng λ/2 với chiết suất bằng chiết suất của lớp có độ xốp cao (tương ứng vớichiết suất thấp) và cuối cùng ăn mòn để tạo ra một DBR ở phía dưới với các điều kiệngiống như DBR đã chế tạo ở bên trên Chi tiết các điều kiện ăn mòn điện hóa được cungcấp trong bảng 2.1 Mỗi chu kỳ bao gồm một lớp có độ xốp thấp và một lớp có độ xốpcao, do đó một nửa chu kỳ có nghĩa là chế tạo thêm một lớp có độ xốp thấp

Có hai yếu tố cơ bản để có thể thiết kế các buồng vi cộng hưởng có chỉ số Q-factorcao dựa trên màng silic xốp đa lớp chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa phiếnsilic:

Bảng 2.1 Các điều kiện ăn mòn để chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên tình thể quang tử 1D

Mô tả Mật độ dòng (mA/cm2) Thời gian (s)

Gương trên(N,5 chu kỳ)

Gương dưới(N+1 chu kỳ)

Thứ nhất, độ tương phản chiết suất ở tất cả các bề mặt phải là cao nhất Do đó, lớpđầu tiên của DBR phía trên là có độ xốp thấp (chiết suất cao) bởi vì lớp này gần vớikhông khí (là môi trường có chiết suất thấp) và lớp cuối cùng của gương phía dưới phải

có độ xốp cao (tương ứng với chiết suất thấp) bởi vì lớp này sát với đế silic (là môi trường

có chiết suất cao) Hơn nữa, lớp không gian của buồng vi cộng hưởng luôn luôn đượcchọn là lớp có độ xốp cao để tăng khả năng thâm nhập của các loại vật liệu khác vào lỗxốp (như các tâm phát xạ: ion đất hiếm, tâm màu, chấm lượng tử bán dẫn v.v.) vì vậy cáclớp của DBR trên và dưới sát với lớp không gian phải có độ xốp thấp (chiết suất cao).Đây là lý do vì sao DBR bên trên lại được chọn lẻ nửa chu kỳ (N,5 chu kỳ)

Thứ hai là DBR trên và dưới phải có độ phản xạ như nhau để có được triệt tiêuhoàn toàn ở bước sóng giao thoa (bước sóng cộng hưởng) Do đó, DBR ở phía dưới cónhiều chu kỳ hơn DBR ở phía trên để bù vào mất mát như một hàm của chiều sâu trongsilic

Các buồng vi cộng hưởng giao thoa sau khi chế tạo được đo phổ phản xạ thông quamáy Carry 5000

2.2.Các phép đo cấu trúc và đặc trưng của silic xốp

2.2.1.Nguyên lý phép đo lăng kính m-line

2.2.1.1 Phương pháp ghép lăng kính

Công suất quang có thể được ghép vào hay lấy ra khỏi màng dẫn sóng bằng cách sửdụng một lăng kính Lăng kính có chiết suất np>n2 được đặt ở một khoảng cách d đối vớimàng dẫn sóng Có chiết suất n1 , n2 Dùng sóng quang học chiếu vào lăng kính, ánh sáng