Tìm hiểu về cảm biến quang dựa trên công nghệ silic xốp:Cảm biến quang tử đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh trên thế giới do chúng có những đặc trưng ưu việt rất rõ ràng so với cá
Trang 1I Tìm hiểu về cảm biến quang dựa trên công nghệ silic xốp:
Cảm biến quang tử đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh trên thế giới do chúng có những đặc trưng ưu việt rất rõ ràng so với các loại cảm biến điện tử khác như: độ nhạy phát hiện cực cao, không bị nhiễu do ảnh hưởng bởi môi trường điện-từ, bền trong các môi trường ăn mòn hóa học và vật lý, không gây cháy nổ do nguồn điện cực Cảm biến quang tử nói chung được phân loại theo nguyên lý vật lý là cảm biến nội sinh và cảm biến ngoại sinh Cảm biến ngoại sinh thường sử dụng các nguyên lý vật lý là ánh sáng bị thay đổi về cường độ lan truyền; phản xạ; tán xạ; khúc xạ; hoặc chuyển đổi bước sóng do tương tác với môi trường bên ngoài Loại cảm biến này tương đối dễ chế tạo, tuy nhiên việc xử lý tín hiệu ánh sáng thay đổi do môi trường bên ngoài đòi hỏi các thiết bị đi kèm phức tạp mới có độ nhạy cao Cảm biến quang tử nội sinh sử dụng nguyên lý vật lý là bản thân cảm biến bị thay đổi về cấu trúc và tính chất quang khi tương tác với môi trường, vì vậy chúng có độ nhạy rất cao, xử lý tín hiệu thu được khá dễ dàng, kích thước thiết bị nhỏ gọn Tuy nhiên, nhược điểm của cảm biến quang tử nội sinh là khả năng dùng nhiều lần cho một cảm biến và tính chọn lọc của cảm biến Cảm biến quang tử nội sinh đang được đẩy mạnh nghiên cứu phát triển trên thế giới do chúng có độ nhạy phát hiện cực cao, có thể kết hợp với nhiều chuyên ngành hóa học, sinh học để ứng dụng cho các đối tượng cụ thể cần nghiên cứu Hiện nay, các phương pháp nâng cao độ chọn lọc của cảm biến quang tử nội sinh (cũng như các loại cảm biến điện tử khác) đang là đối tượng nghiên cứu rất sôi động trên thế giới và đã có một số kết quả rất khả quan
Các thiết bị cảm biến quang tử nội sinh dựa trên nguyên lý thay đổi chiết suất của môi trường cảm biến khi tương tác với môi trường đang là đối tượng nghiên cứu rất mạnh trên thế giới Các nguyên lý truyền dẫn, giao thoa và tán xạ; khúc xạ ánh sáng được nghiên cứu và áp dụng triệt để trong các cảm biến quang tử nội sinh trên cơ sở thay đổi chiết suất môi trường Kết quả được công bố gần đây nhất về sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang có thể xác định được độ thay đổi chiết suất đến 7,2.10-6 trong môi trường lỏng cho phép nhận dạng nồng độ chất hòa tan cực nhỏ
Công nghệ silic được phát triển từ cuối thế kỷ 20 và ngày nay đã đạt tới mức độ hoàn thiện cao Những tiến bộ gần đây của công nghệ silic đã được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống, như việc sử dụng màng silic xốp chế tạo cảm biến quang học để phân biệt các hợp chất hữu cơ Hướng nghiên cứu về cảm biến quang tử 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, đang được quan tâm đặc biệt trong công nghệ chế tạo các thiết bị cảm biến quang tử nội sinh ứng dụng trong kiểm soát môi trường và sinh-hóa Cảm biến quang tử nội sinh dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng có kích thước nhỏ gọn, độ nhạy rất cao và không sử dụng nguồn điện trong cảm biến, vì vậy độ an toàn trong sử dụng rất cao Trong những năm gần đây, các nhà khoa học-công nghệ đã đẩy mạnh nghiên cứu và sử dụng các cảm biến quang tử nội
Trang 2sinh cho việc xác định nồng độ các dung môi hòa tan, các kháng thể sinh học, xác định mức ô nhiễm dầu mỏ và các chế phẩm từ dầu mỏ, xác định dư lượng thuốc trừ sâu trong nước và bùn (ghi nhận được nồng độ thuốc trừ sâu với nồng độ 1 ppm), xác định nồng độ DNA (nồng độ DNA 0,1 mol/mm2), cảm biến hóa học Xu hướng nghiên cứu phát triển cảm biến quang tử nội sinh trên thế giới hiện nay là nâng cao độ nhạy phát 3 hiện của cảm biến (xuống dưới ppm), chọn lọc các chất có tính chất quang gần nhau và chế tạo các loại thiết bị hoạt động tại hiện trường với giá thành thấp
Hơn nữa, vật liệu silic xốp (Porous silicon) kích thước nano-mét với độ xốp khác nhau sẽ
có chiết suất khác nhau, vì vậy cấu trúc màng silic xốp đa lớp rất dễ dàng tạo thành hốc cộng hưởng quang học với giá thành thấp, bền trong môi trường để ứng dụng trong kỹ thuật cảm biến quang tử Các kết quả nghiên cứu vừa qua trên thế giới cho thấy cảm biến quang tử dựa trên hốc cộng hưởng có khả năng đo nồng độ dung môi hòa tan và chất bảo
vệ thực vật trong môi trường nước với nồng độ cực thấp, vì vậy việc nghiên cứu phát triển các phương pháp cảm biến quang sử dụng hốc vi cộng hưởng quang ứng dụng trong thiết bị cầm tay để đo mức độ ô nhiễm môi trường nước do các dung môi hữu cơ từ sản xuất công nghiệp hoặc các chất bảo vệ thực vật do sản xuất nông nghiệp đang trở thành hướng nghiên cứu công nghệ rất quan trọng
II Nguyên lý của cảm biến quang dựa trên công nghệ silic xốp:
Kỹ thuật cảm biến quang tử gần đây đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng đối với việc hiện thực hóa các khúc xạ kế (máy đo nồng độ) siêu nhạy và siêu bền Nhờ vào cảm biến quang tử, ta có thể phân biệt được các hóa chất và nồng độ của chúng với độ nhạy cao và chi phí thấp Silic xốp (Porous Silicon) với kích thước của các lỗ xốp ở thang đo nano-mét có giá thành chế tạo thấp, hoạt động bền bỉ, bền trong nhiều môi trường và đã được
sử dụng phổ biến trong kỹ thuật cảm biến quang tử
Dựa trên diện tích tiếp xúc bề mặt lớn của silic xốp, vật liệu silic xốp đã trở thành vật liệu khá lý tưởng cho cảm biến đo môi trường lỏng và khí Chỉ số khúc xạ của lớp Silic xốp tăng khi lỗ xốp của nó được lấp đầy bởi các chất hữu cơ, làm quang phổ phản xạ của lớp Silic xốp dịch chuyển về bước sóng dài hơn Nguyên lý hoạt động của các cảm biến quang tử là sự dịch chuyển bước sóng cộng hưởng của linh kiện theo chiết suất của môi trường cần đo khác với chiết suất của môi trường chuẩn (nền) cho cảm biến (chủ yếu là không khí hoặc nước sạch) Bằng cách theo dõi độ phản xạ hoặc phổ truyền, người ta có thể phát hiện sự khác biệt của nồng độ của các phân tử bên trong lỗ xốp Từ đó rút ra sự khác biệt về quang phổ riêng của các chất hóa học cũng như quang phổ của chúng khi có
sự thay đổi về nồng độ Ưu điểm của cảm biến quang tử này là chúng có độ nhạy rất phù hợp cho việc xác định các chất hữu cơ hòa tan hoặc chất bảo vệ thực vật với nồng độ thấp
Trang 3có trong môi trường, có khả năng đo ngay tại hiện trường, không bị ảnh hưởng bởi sóng điện từ và có độ an toàn rất cao trong môi trường có nguy cơ cháy nổ cao
III Chế tạo, khảo sát tính chất của cảm biến quang dựa trên công nghệ Silic xốp: 3.1 Chế tạo:
3.1.1 Nguyên lý chế tạo:
Trong bài báo cáo này, em trình bày nghiên cứu và chế tạo cảm biến Silic xốp đơn lớp (dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D)
Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D là cấu trúc bao gồm hai gương Bragg được kẹp giữa một lớp điện môi có chiết suất là một trong các chiết suất của lớp caovà lớp thấp của gương Bragg, còn độ dày quang học bằng λ/2 hoặc λ Quang trình của mỗi lớp trong cấu
trúc của gương Bragg thỏa mãn điều kiện Bragg: n.d = λ 0 /4, trong đó n là chiết suất, d là
độ dày hình học của lớp và λ 0 là bước sóng nghiên cứu thường gọi là bước sóng thiết kế Hình 3.1 trình bày sơ đồ của một vi hốc cộng hưởng 1D và phổ phản xạ tương ứng của vi hốc cộng hưởng này tại bước sóng 650 nm Bước sóng cộng hưởng thay đổi rất nhanh và phụ thuộc lớn vào chiều dài quang học của lớp khuyết tật do đó một sự thay đổi nhỏ của chiều dài quang học cũng dẫn tới sự dịch đỉnh của bước sóng cộng hưởng Khi độ dài quang học của lớp khuyết tật tăng lên sẽ dẫn tới nhiều bước sóng mà photon được phép truyền qua trong PBG
Hình 1 (a) Sơ đồ cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D; (b) phổ phản xạ tương ứng của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D.
Trang 4Phương pháp ăn mòn điện hóa mảnh silic có thể tạo ra cấu trúc vi cộng hưởng 1D là vì: phương pháp này có khả năng điều khiển tốt chiết suất, độ xốp và độ sâu của từng lớp trong cấu trúc Do lớp xốp mới được tạo ra hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi sau đó của dòng ăn mòn nên thông qua việc điều khiển dòng điện điện hóa chúng ta có thể thay đổi độ xốp theo chiều sâu, nghĩa là chế tạo được cấu trúc thay đổi chiết suất một cách tuần hoàn
Sau khi đưa ra nguyên lý chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D, qui trình chế tạo cấu trúc đã được tổng hợp lại
3.1.2 Qui trình chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng 1D
Để chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D, chúng tôi xây dựng qui trình chế tạo gồm các bước chế như sau:
Bước 1: Chuẩn bị mẫu, dụng cụ và hóa chất
- Phiến silic loại p+ có điện trở suất ρ = 0,01÷0,015 Ωcm được ngâm trong HF 5% để loại
bỏ đi các oxit tự nhiên bám trên bề mặt của silic xốp
- Sau khi ngâm trong HF 5%, tấm silic được rung siêu âm trong isopropanol và được làm khô bề mặt tự nhiên
- Tấm silic sau khi đã được làm sạch sẽ được phủ một lớp nhôm ở mặt sau để tạo tiếp xúc bằng phương pháp phún xạ
- Ủ tiếp xúc mặt sau cho phiến silic đã được bốc bay Al ở nhiệt độ 450oC thổi khí nitơ trong 2 giờ
- 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 cồn tinh khiết
- 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
Bước 2: Chế tạo vi cộng hưởng quang tử 1D bằng phương pháp ăn mòn điện hóa
Hệ thống điện hóa bao gồm các phần:
* Bình điện hóa:
Trong chế tạo silic xốp, tấm silic hoạt động giống như cực dương và được đặt ở đáy của bình Dung dịch điện phân là hỗn hợp của cồn (C2H5OH) và axit HF với nồng độ khác nhau Cực âm là platin hoặc bất kỳ chất nào dẫn điện và trơ trong HF Bình điện hóa có dạng hình trụ làm từ polyme độ bền cao trong axit Trong thí nghiệm, em sử dụng bình teflon làm bình điện hóa
Trang 5* Nguồn dòng:
Chúng ta có thể sử dụng nguồn dòng hay nguồn thế cho quá trình dương cực tan Nhưng phương pháp thường được sử dụng là điều khiển nguồn dòng bởi vì ta có thể điều khiển tốt độ xốp, độ dày và khả năng lặp lại của những lớp silic xốp
Hệ thống ăn mòn điện hóa mà em sử dụng được trình bày trong hình 3.2
Hình 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 cực trong đó phía sau của mảnh sẽ được ghép trực tiếp với điện cực dương, mặt trước của mảnh 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% Trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi pha HF với nồng độ là 16%
Các mẫu sau khi được chế tạo được rửa trong cồn tuyệt đối rồi sấy khô bằng khí nitơ
3.1.3 Sản phẩm đạt được:
Trang 6Hình 3 (a) Tấm Silic nguyên mẫu trước khi chế tạo, (b) các mẫu cảm biến quang tử.
Hình 4(a) là ảnh của một tấm Silic trước khi được cắt và chế tạo theo công nghệ điện hóa
để sản xuất ra các mẫu cảm biến Silic xốp Hình 4(b) là ảnh của các mẫu cảm biến sau khi trải qua quá trình chế tạo
Hình 4 (a) Bề mặt của mẫu cảm biến, (b) Mặt cắt ngang của mẫu cảm biến
Hình 5(a) là ảnh bề mặt của mẫu cảm biến được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét Hình 5(b) là ảnh của một mặt cắt ngang của mẫu cảm biến Chúng tôi nhận thấy lớp silic xốp có các lỗ xốp với độ rộng khoảng 20 nm và mẫu cảm biến có chiều độ dày khoảng 4 µm
3.2 Khảo sát tính chất của cảm biến quang dựa trên công nghệ Silic xốp.