ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Văn Đại

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TINH THỂ QUANG TỬ
MỘT CHIỀU CÓ CẤU TRÚC BUỒNG VI CỘNG
HƯỞNG LÀM BẰNG SILIC XỐP ỨNG DỤNG LÀM
CẢM BIẾN CHO CÁC DUNG MÔI HỮU CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LIỆU
VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI - 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM VĂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TINH THỂ QUANG TỬ
MỘT CHIỀU CÓ CẤU TRÚC BUỒNG VI CỘNG
HƯỞNG LÀM BẰNG SILIC XỐP ỨNG DỤNG LÀM
CẢM BIẾN CHO CÁC DUNG MÔI HỮU CƠ

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano

tâm học tập.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 8 năm 2017
Học viên thực hiện

Phạm Văn Đại


3

TÓM TẮT
Luận văn trình bày phương pháp xác định nồng độ của một số chất dung môi bằng cảm
biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hưởng một chiều (1D) làm bằng silic xốp. Màng silic
xốp được chế tạo trên đế silic bằng phương pháp ăn mòn điện hóa. Phương pháp này cho phép
việc kiểm soát chính xác độ xốp và độ dày của mỗi lớp xốp trong cấu trúc đa lớp và do đó tạo
ra được buồng vi cộng hưởng có các đặc trưng phù hợp với một cảm biến. Nguyên lý của cảm
biến buồng vi cộng hưởng làm bằng silic xốp dựa trên sự thay đổi chiết xuất hiệu dụng của
màng xốp khi các chất cần phân tích xâm nhập các lỗ xốp làm dịch chuyển phổ phản xạ của
cảm biến. Nguyên lý này có thể áp dụng cho cảm biến ở cả pha lỏng lẫn pha hơi. Với đối
tượng nghiên cứu là các dung môi hữu cơ có tính bay hơi, trong luận văn này chúng tôi đã đề
xuất một phương pháp mới nhằm nâng cao tính chọn lọc và cải thiện độ nhạy của phép đo.
Bằng việc bố trí dung dịch nghiên cứu và cảm biến trong hai bình tách biệt nhau về nhiệt độ
nhưng lại liên hệ với nhau về mặt áp suất, chúng tôi đã kiểm soát được đáp ứng của cảm biến
thông qua nhiệt độ dung dịch, tốc độ dòng khí chảy qua dung dịch và nhiệt độ của bình chứa
cảm biến. Sự phụ thuộc của áp suất hơi vào nhiệt độ là riêng biệt cho mỗi chất nên sự phụ
thuộc nhiệt độ dung dịch của đáp ứng cảm biến có thể đặc trưng cho chất nghiên cứu. Độ
nhạy đã được tăng lên đáng kể khí tăng nhiệt độ dung dịch, tăng tốc độ dòng khí và giảm
nhiệt độ buồng cảm biến. Các ưu điểm của phép đo đã được phân tích và minh chứng cụ thể
trên xăng sinh học, các dung môi hữu cơ thông dụng như ethanol, methanol, acetone và trong


Tinh thể quang tử ..................................................................................................9
1.1.1. Khái niệm tinh thể quang tử ...........................................................................9
1.1.2. Các đặc tính và thông số quan trọng của tinh thể quang tử ........................10
1.1.3. Các ứng dụng của tinh thể quang tử ............................................................ 11

1.2.

Buồng vi cộng hưởng 1D ...................................................................................11
1.2.1. Gương phản xạ Bragg (Distributed Bragg Reflectors) ............................... 11
1.2.2. Lớp không gian ..........................................................................................144
1.2.3. Cấu tạo và phổ đặc trưng của buồng vi cộng hưởng ...................................14

1.3.

Cơ sở cho quá trình hình thành buồng vi cộng hưởng làm bằng silic xốp .........15
1.3.1. Sự hình thành silic xốp .................................................................................15
1.3.1.1. Kích thước và hình thái lỗ xốp .............................................................. 17
1.3.1.2. Các thông số anot hóa ...........................................................................18
1.3.2. Đặc điểm của silic xốp .................................................................................19
1.3.2.1. Độ xốp (P) ............................................................................................. 19
1.3.2.2. Chiết suất hiệu dụng ..............................................................................20
1.3.2.3. Tốc độ ăn mòn .......................................................................................21

1.4.

Đặc tính của buồng vi cộng hưởng 1D ............................................................... 22
1.4.1. Các thông số liên quan.................................................................................22
1.4.1.1. Chỉ số phẩm chất (Q-factor) .................................................................22
1.4.1.2. Độ nhạy của cảm biến dựa trên buồng vi cộng hưởng .........................23

Chế tạo buồng vi cộng hưởng bằng phương pháp ăn mòn điện hóa ..................48
3.1.1. Ảnh hưởng của tương phản chiết suất lên độ rộng của vùng cấm quang ...48
3.1.2. Chế tạo buồng vi cộng hưởng bằng công nghệ điện hóa phiến silic ...........49
3.1.3. Lựa chọn các tham số điện hóa thích hợp ...................................................50
3.2.

Xây dựng hệ đo cảm biến pha lỏng và hệ đo sử dụng phương pháp VOC ..58

3.2.1.

Xây dựng hệ đo với cảm biến pha lỏng .................................................58

3.2.2. Xây dựng hệ đo các dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng dựa trên
cảm biến pha hơi bằng phương pháp VOC - Vapor Organic Compose ............60
3.3.

Kết quả thực nghiệm xác định dung môi hữu cơ trong môi trường nước ...61

3.3.1.

Xác định ethanol và methanol trong xăng bằng cảm biến pha lỏng .....61

3.3.2. Nghiên cứu sự phụ thuộc của độ dịch bước sóng công hưởng vào nhiệt
độ dung dịch nghiên cứu nhằm nâng cao tính chọn lọc của phương pháp VOC Vapor Organic Compose ....................................................................................63
3.3.3. Nghiên cứu các dung môi hữu cơ thông dụng (ethanol, methanol,
acetone) ở nồng độ thấp bằng cảm biến pha lỏng và pha hơi ........................... 64
3.3.4.

Xác định nồng độ methanol trong rượu bằng phương pháp VOC ........69


tính quang học của các tinh thể quang tử rất nhậy với sự thay đổi của chiết suất trong
các lớp. Sự hấp thụ các chất nghiên cứu trong các lỗ xốp làm thay đổi chiết suất của
các lớp xốp dẫn đến sự dịch chuyển phổ đặc trưng của các tinh thể. Như vậy, quan sát
phổ phản xạ hay phổ truyền qua người ta có thể phát hiện sự liên kết của các phân tử ở
trong các lỗ xốp bởi vì việc bắt giữ các phần tử nghiên cứu trong các lỗ xốp làm tăng
chiết suất của lớp xốp.
Trong các linh kiện trên cơ sơ của màng silic xốp đa lớp dùng làm cảm biến, cấu
trúc buồng vi cộng hưởng do có hiệu ứng giam giữ trường và tính chọn lọc cao nên có
nhiều ưu điểm vượt trội và được sử dụng rộng rãi hơn. Buồng vi cộng hưởng đã được
dùng làm các cảm biến hóa học ở dạng lỏng, dạng khí, xác định nồng độ kháng thể của
chuột, xác định nồng độ DNA, xác định dư lượng thuốc trừ sâu trong bùn, xác định
mức độ ô nhiễm dầu mỏ, ...
Ngày nay, các dung môi hữu cơ được sử dụng với khối lượng lớn và rất rộng rãi
trong các ngành công nghiệp hóa chất, dược phẩm, dầu khí bao gồm các quá trình tổng
hợp hóa học và tinh chế. Một số lớn các dung môi gây ra ô nhiễm môi trường, không
khí và nguy hiểm cho sức khỏe con người ngay cả ở nồng độ rất thấp ví dụ như:
methanol có thể gây mù mắt thậm chí chết người với nồng độ chỉ vài phần trăm trong
rượu [32], việc tiếp xúc thường xuyên với benzen gây hại cho phổi, hệ thần kinh và
gây ung thư … Vì vậy, các phương pháp nhằm xác định nồng độ các dung môi hữu cơ
là vô cùng quan trọng trong công nghiệp, y học và vệ sinh an toàn thực phẩm và


8

nghiên cứu môi trường. Nhìn chung, các phương pháp truyền thống dùng để xác định
nồng độ dung môi như các phương pháp sắc ký khí, sắc ký lỏng đều có chung nhược
điểm là cần các thiết bị đắt tiền chỉ được tiến hành ở các trung tâm hiện đại nên vấn đề
đặt ra cần một phương pháp rẻ tiền, dễ sử dụng và phổ biến hơn [11, 25].
Với những lí do trên và đồng thời dựa vào trang thiết bị hiện có của phòng thí
nghiệm tôi đã chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là:

ta có thể chế tạo được màng silic xốp có tính năng như một buồng vi cộng hưởng.
Chúng ta có thể chế tạo các buồng vi cộng hưởng làm bằng silic xốp có độ rộng phổ
chỉ vài nano mét với độ suy hao thấp.
Trong chương này, trước hết chúng tôi trình bày một cách khái lược về tinh thể
quang tử, các ứng dụng cơ bản và một số cơ sở mà chúng tôi cho là thiết yếu nhất của
tinh thể quang tử. Tiếp theo, chúng tôi trình bày về cấu tạo và đặc tính quang học của
buồng vi cộng hưởng một chiều (1D) và ứng dụng của nó. Sau đó là phần trình bày cơ
sở quá trình hình thành buồng vi cộng hưởng làm bằng silic xốp và nghiên cứu đặc
điểm của silic xốp. Phần cuối của chương, chúng tôi trình bày về đặc tính của buồng vi
cộng hưởng và độ phẩm chất, độ nhạy và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm
biến để chế tạo được một cảm biến dựa trên buồng vi cộng hưởng mong muốn. Sau đó,
chúng tôi nêu cơ sở lí thuyết, nguyên lí ứng dụng buồng vi cộng hưởng 1D dựa trên
Silic xốp làm cảm biến xác định dung môi hữu cơ trong pha hơi và pha lỏng.
1.1.

Tinh thể quang tử

1.1.1. Khái niệm tinh thể quang tử
Tinh thể quang tử là một cấu trúc tuần hoàn trong không gian của các vật liệu với
hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp tuần hoàn xen kẽ nhau, có chiết suất thay
đổi theo chu kỳ trên một thang chiều dài có thể so sánh được với bước sóng ánh sáng
đang được nghiên cứu. Sở dĩ gọi là “tinh thể” vì nó được tạo nên bởi sự sắp xếp tuần
hoàn của các đơn thể cơ bản và đối tượng của “tinh thể” này là các quang tử. Như
chúng ta đã biết, đặc tính vật lý của vật chất mà nó có tác động lên sự chuyển động của


10

các quang tử là chiết suất, vì vậy tính tuần hoàn của các đơn tử mà chúng ta vừa nói ở
trên chính là sự tuần hoàn của chiết suất. Tính tuần hoàn về chiết suất làm cho tinh thể

được lấy là cạnh của hình lập phương.
Hệ số lấp đầy (f): là tỷ lệ thể tích các đơn thể tạo nên tinh thể quang tử và thể tích
tinh thể quang tử.
Chiết suất hiệu dụng (neff): là căn bậc hai của hằng số điện môi hiệu dụng (εeff).
Hằng số điện môi hiệu dụng được tính là giá trị trung bình hằng số điện môi của các
vật liệu tạo thành tinh thể quang tử:
εeff = (1-f)ε1 + fε2

(1.1)

trong đó f là tỉ lệ lấp đầy, ε1 và ε2 tương ứng là hằng số điện môi của chất nền (khe hở
giữa các đơn tinh thể tạo nên tinh thể quang tử) và của các đơn tinh thể.
Sự tương phản chiết suất (δ): là tỷ số giữa chiết suất của vật liệu có hằng số điện
môi cao (nH) (vật liệu tạo nên đơn thể và vật liệu nền) và vật liệu có hằng số điện môi
thấp (nL). δ= nH/nL.
1.1.3. Các ứng dụng của tinh thể quang tử
Các tinh thể quang tử được ứng dụng để điều khiển sự lan truyền của ánh sáng.
Các tinh thể quang tử một chiều đã và đang được dùng rộng rãi trong quang học
màng mỏng như tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độ phản
xạ thấp hay cao tuỳ ý.
Các tinh thể quang tử hai chiều và ba chiều được dùng trong nghiên cứu khoa
học. Ứng dụng thương mại đầu tiên của tinh thể quang tử hai chiều là sợi tinh thể
quang tử thay thế cho sợi quang học truyền thống trong các thiết bị quang học phi
tuyến và dùng với các bước sóng đặc biệt (ở đó không có vật liệu truyền thống
nào trong suốt ngoài không khí hay các chất khí).
Khả năng sản xuất và hạn chế nhược điểm trong các tinh thể quang tử ba chiều
vẫn đang được nghiên cứu.
Buồng vi cộng hưởng 1D
Cấu trúc của buồng vi cộng hưởng bao gồm hai tấm gương phản xạ Bragg
(Distributed Bragg Reflectors - DBR) nằm đối xứng với nhau qua lớp đệm hay lớp

m. = 2n.d.sin

(1.2)

Trong đó: m là số nguyên,  là bước sóng của ánh sáng tới, d là chiều dày của
một lớp và  là góc ánh sáng tới.
Phương trình Bragg được tìm ra dựa trên hiện tượng nhiễu xạ tia X trong tinh thể
chất rắn (tinh thể điện tử) thông thường. Trong trường hợp của một khối điện môi (PC)


13

(ví dụ, hình 1.5) gồm hai vật liệu có chiết suất khác nhau sắp xếp xen kẽ nhau thì cần
phải xem xét đến sự thay đổi pha tại mặt phân cách của hai lớp liền kề.

Hình 1.5. Hình minh họa của các hiệu ứng phản xạ của một gương phản xạ Bragg. a)
ánh sáng phản xạ tại mỗi mặt phân cách giữa các lớp có chiết suất khác nhau, b) phổ
phản xạ của một gương phản xạ Bragg dựa trên tinh thể quang tử một chiều [1],[2].
Phổ phản xạ của gương Bragg có dạng một cực đại phản xạ trung tâm (cực đại
chính) và hai bên có các cực đại phụ, xen giữa các cực đại là các cực tiểu. Vùng cực
đại chính có bước sóng trung tâm là λ. Các bước sóng ở quanh bước sóng trung tâm λ
và cùng nằm trên cực đại chính là các bước sóng tương ứng với cường độ phản xạ cao
có nghĩa là các ánh sáng có bước sóng nằm trong dải này bị phản xạ khi qua gương
phản xạ, tức là bị “cấm” truyền qua cấu trúc, vì vậy vùng này còn được gọi là vùng
cấm hay là chúng bị lọc ra khỏi một dải tần.
Trong phần giải thích quá trình hình thành silic xốp, chúng tôi chứng tỏ rằng silic
xốp là vật liệu thích hợp cho việc chế tạo màng đa lớp bởi vì chiết suất và chiều dày
của mỗi lớp xốp có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi các thông số điện hóa trong
quá trình chế tạo [1], [17].
Như ta đã biết, thực nghiệm đã chứng tỏ rằng: khi xảy ra hiện tượng phản xạ tại


2nd sin  


2

 m

(1.3)

Do đó, hai tia đầu tiên được phản xạ trong một pha và sẽ giao thoa kết hợp. Khi
0
nghiên cứu với   90 ; m  1 thì điều kiện phản xạ Bragg trở thành:

nd 


4

(1.4)

Điều kiện này áp dụng cho tinh thể quang tử 1D với cấu trúc tuần hoàn của các
lớp điện môi có chiết suất cao và thấp sắp xếp xen kẽ nhau.
1.2.2. Lớp không gian
Lớp không gian có độ dày quang học bằng nửa hoặc đúng bằng bước chiều dài
bước sóng, được đưa vào giữa các lớp điện môi của gương phản xạ Bragg nhằm phá
vỡ tính tuần hoàn về hằng số điện môi trong các gương Bragg, được xem là một sai
hỏng trong tinh thể quang tử. Chiết suất của lớp không gian có thể giống hoặc khác so
với chiết suất của các lớp điện môi trong gương Bragg.
1.2.3. Cấu tạo và phổ đặc trưng của buồng vi cộng hưởng

1.3.1. Sự hình thành silic xốp
Silic xốp chủ yếu được tạo ra từ sự ăn mòn điện hoá các phiến Silic trong các
dung dịch axit HF [21]. Hình 1.7 là sơ đồ chế tạo silic xốp: anot là phiến silic có bề
mặt được tiếp xúc với dung dịch HF, catốt được làm bằng platin.

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý chế tạo silic xốp
Thông thường khi không có sự chênh lệch điện thế giữa anot và catot thì silic
không bị ăn mòn trong dung dịch HF. Nhưng dưới tác dụng của dòng điện các lỗ trống
được tạo ra giữa bề mặt của silic và chất điện phân và ion F- tác động lên liên kết Si-H,
sau đó tạo ra một liên kết Si – F và một ion H+. Theo cách này, có nhiều những liên kết


16

Si – F được tạo ra. Cuối cùng SiF4 sẽ được hình thành trên bề mặt và silic sẽ bị ăn
mòn. Các phản ứng này bao gồm:
Si + 2HF
 SiF2 + 2H+
(1.5)
SiF2 + 2HF
 SiF4 + H2
(1.6)
SiF4 + 2HF

H2SiF6
(1.7)
Hoặc cơ chế được mô tả như trong hình 1.8 như sau:

Hình 1.8. Cơ chế sự hoà tan của Si trong HF theo Lehmand và Gosele [1].
Sơ đồ đã cho thấy, trong quá trình hình thành các lỗ xốp thì Si bị hòa tan đồng

mật độ dòng. Nếu cho rằng độ dày lớp xốp phụ thuộc đơn nhất vào thời gian ăn mòn
(khi các điều kiện điện hóa khác không đổi) thì việc kiểm soát mật độ dòng điện hóa
theo thời gian ăn mòn sẽ dẫn đến việc kiểm soát được chiết suất của màng xốp theo
thời chiều sâu (profile chiết suất của màng xốp). Đó chính là cơ sở để tạo màng silic
xốp đa lớp bằng phương pháp điện hóa.
Silic xốp được đặc trưng bởi độ xốp, độ dày và đường kính lỗ rỗng. Các thông số
này phụ thuộc vào điều kiện anot hoá (anodization). Cụ thể là: nồng độ axit HF, mật
độ dòng, loại vật liệu silic, điện trở suất, thời gian anot hoá, sự chiếu sáng, nhiệt độ, độ
ẩm môi trường xung quanh và điều kiện làm khô. Đối với một mật độ dòng, độ xốp
giảm khi nồng độ HF tăng. Khi tăng nồng độ HF và mật độ dòng, độ xốp và độ dày sẽ
tăng. Xảy ra điều này bởi vì có sự bổ sung sự hoà tan hoá học của lớp silic xốp trong
dung dịch HF. Hơn nữa, độ dày của lớp silic xốp được xác định bởi thời gian anot hoá,
tức là thời gian mà mật độ dòng được sử dụng. Thời gian anot hóa càng dài, độ dày
các lớp silic xốp càng tăng. Như vậy, bằng cách thay đổi mật độ dòng tuần hoàn theo
chu kỳ (dạng xung vuông ba mức) trong quá trình ăn mòn, chúng tôi có thể tạo ra các
cấu trúc đa lớp có chiết suất và độ dày thay đổi tuần hoàn sắp xếp xen kẽ nhau, tức là
đã tạo ra tinh thể quang tử (Photonic crystal-PC) một chiều.
1.3.1.1. Kích thước và hình thái lỗ xốp
Các lỗ xốp được chia làm 3 loại theo kích thước lỗ của chúng [31]: micropores,
mesopores và macropores tương ứng với đường kính trung bình của lỗ là: 2 nm, 20-50
nm và > 50 nm.
Hình thái của lỗ rỗng được đặc trưng bởi các yếu tố như hình dạng (trơn, phân
nhánh, vát cạnh…), sự định hướng, liên kết giữa các lỗ... Đối với lỗ xốp silic
microporous, mesoporous có cấu trúc giống bọt biển dày đặc và phân nhánh lỗ xốp
ngẫu nhiên và không hiển thị một định hướng rõ ràng. Các xu hướng phân nhánh tăng
khi đường kính lỗ xốp giảm. Ngược lại, silic macroporous có thể có các lỗ riêng biệt
với thành nhẵn cùng với sự phân nhánh nhỏ hoặc với sự phân nhánh dạng cây.
Các lỗ rỗng phát triển ưu tiên theo hướng và hướng tới điện cực dương, nơi quá
trình ăn mòn điện hóa xảy ra. Lỗ rỗng và thành nhẵn có xu hướng định hướng theo
nguồn, trong khi lỗ rỗng phân nhánh dạng cây định hướng theo hướng.

- Các dung môi dùng để pha loãng HF: vì silic xốp là loại vật liệu kỵ nước nên
việc sử dụng ethanol làm chất pha loãng HF sẽ đảm bảo tính đồng nhất và khả năng
thấm ướt bề mặt tốt hơn so với nước khử ion hóa.
- Thời gian ăn mòn: thời gian ăn mòn dài dẫn đến các lớp dày hơn, nếu không có
thời gian dài sẽ xảy ra tính dị hướng đối với chiều sâu trong lớp do hoạt động hóa học
của chất điện phân.
- Sự chiếu sáng trong suốt quá trình ăn mòn: áp dụng cho đế silic loại n [29].


19

Độ xốp, độ dày, đường kính lỗ và cấu trúc vi mô của silic xốp phụ thuộc vào điều
kiện anot hóa, được giải thích ngắn gọn trong bảng 1.1, những hàng có dấu gạch đứt
là giá trị chưa xác định. Các điều kiện này bao gồm nồng độ HF, mật độ dòng,cấu hình
tấm silic và điện trở suất, thời gian anot hóa, thời gian chiếu sáng, nhiệt độ, độ ẩm môi
trường xung quanh và điều kiện làm khô.
Đối với một mật độ dòng ổn định, độ xốp giảm khi nồng độ dung dịch HF ăn
mòn tăng.
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của các thông số anot hóa đến sự hình thành silic xốp.Tăng các
thông số cột đầu tiên dẫn đến sự thay đổi các thành phần còn lại.
Độ xốp

Tốc độ ăn mòn

Dòng tới hạn

Nồng độ HF

Giảm


Tăng

Tấm pha tạp ( loại n)

Tăng

Tăng

--------

Hầu như không đổi

--------

Độ dày của lớp silic xốp được xác định bởi thời gian mà mật độ dòng được thiết
lập, đó là thời gian anot hóa. Để có một lớp dày hơn, thời gian anot hóa phải dài hơn.
Vì lý do này, sự thay đổi có chu kỳ của mật độ dòng trong suốt quá trình ăn mòn cho
phép tạo ra màng đa lớp với các độ dày quang học khác nhau.
1.3.2. Đặc điểm của silic xốp
1.3.2.1. Độ xốp (P)
Phương pháp đơn giản nhất để xác định độ xốp theo trọng lượng được thể hiện
m  m2
%P  1
trong công thức 1.8:
(1.8)
m1  m3
(Trong đó, m1 là khối lượng của silic trước khi bị anot hóa, m2 là khối lượng silic
ngay sau anot hóa, và m3 là khối lượng các lớp silic xốp sau khi bị hòa tan trong một
dung dịch của muối hydroxit).


𝜺
−𝜺
(𝟏 − 𝑷) 𝑺𝒊 𝑷𝑺𝒊 = 𝑷 𝒗𝒐𝒊𝒅 𝑷𝑺𝒊 = 𝟎 (Bruggeman)
(1.9)
𝜺𝑺𝒊 +𝟐𝜺𝑷𝑺𝒊

𝜺𝒗𝒐𝒊𝒅 +𝟐𝜺𝑷𝑺𝒊

Công thức 1.10 mà Maxwell-Garnett đưa ra phù hợp với hệ thống vật liệu có độ
xốp cao và các hạt hình cầu cô lập cách nhau với khoảng cách lớn. Do đó, nói chung
không thích hợp cho silic xốp.
(𝟏 − 𝑷)

𝜺𝑺𝒊 −𝜺𝒗𝒐𝒊𝒅
𝜺𝑺𝒊 +𝟐𝜺𝒗𝒐𝒊𝒅

=

𝜺𝑷𝑺𝒊 −𝜺𝒗𝒐𝒊𝒅
𝜺𝑷𝑺𝒊 +𝟐𝜺𝒗𝒐𝒊𝒅

(Maxwell-Garnett)

(1.10)

Công thức Looyenga (1.11) áp dụng cho các hợp chất xếp chặt (đặc) và thường
mang lại sự phù hợp tốt nhất cho các lớp silic xốp có độ xốp cao từ đó nó nghiên cứu
mạng liên kết cho tất cả các độ xốp.
𝟏/𝟑
𝜺𝑷𝑺𝒊

Hình 1.13. Giản đồ mối liên hệ giữa tốc độ ăn mòn với mật độ dòng điện của loại silic
P+ (0,01 cm ) với dung dịch axit HF 15% trong ethanol [13].
Tốc độ ăn mòn (rPSi) của các lớp silic xốp loại meso theo hướng của loại silic P+
(0,01 cm ) trong dung dịch HF 15 % và ethanol được minh họa trong hình 1.13. Đặc
trưng này được áp dụng cho tất cả các cấu trúc mesoporous được nghiên cứu trong
chuyên đề này. Sự xác định đầy đủ hơn tốc độ ăn mòn với những nồng độ HF khác
nhau được trình bày trong tài liệu [1].
1.4. Đặc tính của buồng vi cộng hưởng 1D
Sự hấp thụ các chất nghiên cứu trong các lỗ xốp làm thay đổi chiết suất của các
lớp xốp dẫn đến sự dịch chuyển phổ đặc trưng của các tinh thể. Từ đó, thông qua sự
dịch chuyển 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. Như vậy, quan sát phổ phản xạ hay phổ truyền
qua người ta có thể phát hiện sự liên kết các phân tử ở trong các lớp xốp bởi vì việc bắt
giữ các phần tử nghiên cứu trong các lỗ xốp làm thay đổi chiết suất của lớp xốp.
1.4.1. Các thông số liên quan
1.4.1.1. Chỉ số phẩm chất (Q-factor)
Chỉ số phẩm chất Q (Q factor) của buồng cộng hưởng được định nghĩa là tỷ số
giữa độ dài bước sóng tại hốc cộng hưởng và độ rộng phổ tại nửa cực đại của hố cộng
hưởng. Chỉ số này được dùng để đánh giá mức độ giam giữ ánh sáng trong buồng cộng
hưởng. Trong cảm biến, khi mà sự dịch phổ được quan sát thì sự tăng của Q sẽ làm
tăng khả năng phân giải của sự dịch phổ. Q tăng khi số chu kỳ trong gương Bragg tăng
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 nhận được.
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 kích thước
lớn vào trong cảm biến. Trong thực tế số chu kỳ của gương Bragg cũng không thể tăng


23




24

bước sóng trên một đơn vị khối lượng chất nghiên cứu. Có thể thấy từ hình 1.14, Δλ/L
giảm khi số chu kỳ trong gương Bragg tăng. Như vậy, trong thiết kế cảm biến số chu
kỳ trong gương Bragg sẽ giảm tới mức có thể sao cho có thể đạt được giá trị hợp lý
của chỉ số Q của buồng 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 và
của gương Bragg. Sự dịch vùng bước sóng dài của bước sóng cộng hưởng Δλ như là
một hàm của bước sóng cộng hưởng λ được thể hiện trên hình 1.15 theo các kết quả
thu được từ mô phỏng. Có thể nhận thấy rằng khi bước sóng di chuyển về bước sóng
dài độ dịch phổ Δλ tăng. Như vậy, nếu lượng chất nghiên cứu không bị hạn chế và
phần tử nghiên cứu dễ dàng thấm sâu vào linh kiện thì bước sóng cộng hưởng sẽ được
chọn lớn nhất tới mức có thể. Hình 1.15 cũng chỉ ra rằng Δλ/L không phụ thuộc bước
sóng cộng hưởng. Điều này có nghĩa là nếu lượng chất nghiên cứu bị hấp thụ ở bên
trong các lỗ xốp cố định thì các buồng cộng hưởng cho dù có bước sóng cộng hưởng
khác nhau đều có cùng một giá trị dịch phổ Δλ và cùng một độ nhạy.

Hình 1.15. Các hình vuông đặc: sự dịch vùng bước sóng dài của bước sóng cộng
hưởng như là hàm của bước sóng cộng hưởng. Các hình vuông rỗng: ∆λ/L như là hàm
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)
- 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
quang học của lớp sai hỏng. Sự dịch về vùng bước sóng dài của bước sóng cộng hưởng
này như là một hàm của độ dày lớp sai hỏng được thể hiện trên hình 1.16. Khi chiều
dày lớp sai hỏng tăng độ dịch về vùng bước sóng dài 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.