BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN THÚY VÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT
CỦA VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D LÀM
CẢM BIẾN QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN THÚY VÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT
CỦA VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D LÀM

Tôi chân thành cảm ơn tất cả các đồng nghiệp là đồng tác giả trong các
công trình khoa học đã công bố đã cho phép tôi sử dụng các công trình này
trong bản Luận án của tôi.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Bộ phận đào tạo sau đại học,
Viện Khoa học vật liệu và Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình
thực hiện Luận án.
Lời cám ơn tự đáy lòng xin dành cho những người thân của tôi!

I


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong Luận án được trích dẫn từ một số bài báo đã và sắp
được xuất bản của tôi và các đồng tác giả. Các kết quả trong luận án là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

NCS. Nguyễn Thúy Vân

II


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh


PWE

The plane wave expansion method

Phương pháp khai triển sóng
phẳng

TMM

Transfer Matrix Method

Phương pháp ma trận chuyển

FDTD

Finite Difference Time Domain

Miền thời gian sai phân hữu
hạn

LOD

Limit of detection

Giới hạn phát hiện

RIU

Refractive index unit


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... viii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI CỘNG HƯỞNG QUANG TỬ 1D VÀ VẬT
LIỆU SILIC XỐP ........................................................................................................6
1.1. Sự ra đời của tinh thể quang tử.......................................................................6
1.2. Khái niệm và phân loại tinh thể quang tử ......................................................8
1.2.1. Khái niệm ..................................................................................................8
1.2.2. Phân loại tinh thể quang tử .......................................................................9
1.2.3. Tính chất của tinh thể quang tử...............................................................13
1.3. Vi cộng hưởng quang tử 1D trên cơ sở silic xốp ...........................................18
1.3.1. Lịch sử của silic xốp .................................................................................18
1.3.2. Cơ sở cho quá trình hình thành silic xốp .................................................20
1.4. Silic xốp trong các ứng dụng cảm biến ..........................................................26
1.4.1. Cấu trúc cảm biến và nguyên lý hoạt động ..............................................27
1.4.2. Cảm biến hóa học .....................................................................................28
1.4.3. Cảm biến phân tử sinh học .......................................................................29
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1..........................................................................................32
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC CỦA VI CỘNG HƯỞNG
QUANG TỬ 1D TRÊN NỀN VẬT LIỆU SILIC XỐP ............................................33
2.1. Chiết suất của silic, không khí và silic xốp và mô hình Kronig - Penny .....33
2.1.1. Chiết suất của silic, không khí và silic xốp .............................................33
2.1.2. Mô hình Kronig – Penny .........................................................................35
2.2. Phương pháp ma trận chuyển (Transfer Matrix Method) ............................39
2.2.1. Công thức ma trận chuyển cho màng mỏng ............................................41
2.2.2. Công thức ma trận chuyển cho cấu trúc đa lớp ......................................44
2.2.3. Cấu trúc phần tư bước sóng ....................................................................46

3.3.1. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái của cấu trúc vật liệu xốp ............70
3.3.2. Nghiên cứu phương pháp ghép lăng kính để đo chiết suất và chiều dày
của vật liệu silic xốp ...........................................................................................72
3.3.3. Phương pháp đo phổ phản xạ của cấu trúc màng đa lớp silic xốp .........73
3.4. Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D ...........................................................75
3.4.1. Cấu trúc cặp lớp silic xốp .......................................................................75
3.4.2. Cấu trúc đa lớp silic xốp .........................................................................78
3.4.3. Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp .......................79

V


3.5. Thiết kế hệ thiết bị cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng
quang tử 1D làm bằng silic xốp .............................................................................84
3.5.1. Mục tiêu của thiết kế thiết bị cảm biến....................................................84
3.5.2. Sơ đồ khối của thiết bị cảm biến .............................................................85
3.5.3. Bản thiết kế hệ thiết bị cảm biến .............................................................87
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3..........................................................................................91
CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH DƯ LƯỢNG MỘT SỐ THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT
TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DỰA TRÊN CẤU TRÚC VI CỘNG HƯỞNG
QUANG TỬ 1D LÀM BẰNG SILIC XỐP..............................................................92
4.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng
quang tử 1D làm bằng silic xốp .............................................................................92
4.2. Cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D cho ứng dụng cảm biến .....................94
4.3. Khảo sát đo cảm biến với các dung môi hữu cơ ..........................................95
4.3.1. Các đường chuẩn thực nghiệm đối với các dung môi hữu cơ tinh khiết.95
4.3.2. Ứng dụng đo cảm biến đối với các dung môi hữu cơ trong xăng sinh học
............................................................................................................................98
4.4. Ứng dụng cảm biến quang đo các loại thuốc bảo vệ thực vật trong môi
trường nước .........................................................................................................101


Trang

Hình 1.1

Cấu trúc vùng cấm quang được tính dọc theo các đường đối xứng
trong vùng Brillouin của tinh thể quang tử 3D với mạng FCC bao
gồm quả cầu không khí trên nền vật liệu điện môi với chiết suất 3.5.
Tỉ số lấp đầy là 86% không khí và 14% vật liệu điện môi. Dọc theo
X-U-L và X-W-K, các đường chấm và đường vạch liền cho thấy các
dải chỉ kết hợp với ánh sáng phân cực s và p

7

Hình 1.2

Cấu trúc vùng của tinh thể quang tử với mạng tinh thể FCC đảo

7

Hình 1.3

Quan sát cánh một loài côn trùng theo hai hướng khác nhau chính
diện và góc nghiêng (a) - (c) trong không khí và (b) - (d) khi nhúng
vào ethanol lỏng. Sự thay đổi màu sắc của cánh côn trùng khi góc
nhìn được thay đổi: (e) vuông góc và (f) song song với các tĩnh mạch
cánh

8


Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16

Ví dụ về các kiểu mạng của tinh thể quang tử ba chiều: (a) lập
phương tâm mặt (FCC), (b) xếp chồng đống gỗ, (c) mạng xoắn ốc,
(d) mạng gần như kim cương
Các tinh thể quang tử tự nhiên: (a) sự phát ngũ sắc màu xanh và hình
ảnh SEM của cấu trúc 1D của cánh bướm Morpho. (b) Bộ lông nhiều
màu của con công và hình ảnh TEM mặt cắt ngang cấu trúc 2D của
vùng màu xanh của cánh. (c) Đá tự nhiên opal và hình ảnh SEM của
cấu trúc cầu silica. (d) cánh của con bướm Sasakia Charonda và hình
ảnh SEM cấu trúc 3D của vùng màu trắng. (e) Mô tả sơ đồ các cấu
trúc 1C, 2D và 3D PhC, với các màu khác nhau đại diện cho các hằng
số điện môi khác nhau, chu kỳ theo một, hai hoặc ba hướng
Quá trình truyền sóng điện từ qua PC 1D trong trường hợp bước sóng
nằm trong vùng cấm
Sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm quang vào độ tương phản chiết suất
đươc tính toán cho ba kiểu màng đa lớp khác nhau. Trong cả ba
trường hợp mỗi lớp đều có chiều dày là 0,5a. Hình (a): mỗi lớp đều
có cùng chiết suất ε=13, hình (b): chiết suất của các lớp ε lần lượt là
13 và 12; hình (c): chiết suất của các lớp ε lần lượt là 13 và 1
Sơ đồ của một buồng vi cộng hưởng quang tử 1D. Chiết suất của lớp
đệm là ns và bề dày là ds. Lớp đệm được đưa vào giữa hai DBR đối
xứng tương ứng với chiết suất của các lớp là nH, nL và bề dày dH, dL
Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp (a) và
trong trường hợp màng đa lớp (b)
Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, ni và di là chiết suất và bề

hai (cao hơn) đánh dấu dao động dòng điện (điện thế) ổn định với sự
hình thành một loại thứ hai của oxit anốt. Vùng màu xám là vùng
hữu ích để hình thành silic xốp
Quá trình hòa tan silic trong dung dịch axit HF. Các ion (F-) thay thế
các nguyên tử hydro liên kết với silic khi có sự tham gia của các lỗ
trống (H+). Khí hydro là sản phẩm phụ của phản ứng. Khi tất cả 4
liên kết của Si được thay thế thì các nguyên tử Si trở thành có thể hòa
tan
Ảnh SEM của các mẫu silic xốp trên các loại đế khác nhau với các
kích thước và hình thái học đạt được. (a) Silic loại p+ định hướng
(100) được ăn mòn trong HF-ethanol. (b) Silic loại n+ định hướng
(100) được ăn mòn trong dung dịch HF-nước. (c) Silic loại p- định
hướng (100) được ăn mòn trong HF và DMF

23

Hình 1.19

Các mode cảm biến phản xạ sử dụng silic xốp. (A) Tăng chiết suất
trung bình dẫn tới dịch đỏ của vân giao thoa (bước sóng dài hơn). (B)
Dịch xanh (bước sóng ngắn hơn) do sự giảm chiết suất trung bình.
(C) Hấp thụ hoặc liên kết của các chất cần phân tích với bề mặt silic
xốp hay đổi độ tương phản chiết suất và giảm cường độ ánh sáng

29

Hình 1.20

Nguyên lý của cảm biến quang tử silic xốp: (a) Ảnh SEM mặt cắt
ngang của cấu trúc gương Bragg silic xốp. Ảnh phóng to miêu tả silic

Hình 2.3

Sự thay đổi tuần hoàn của chiết suất theo dạng cấu trúc hình chữ nhật

36

Hình 2.4

Cấu trúc dải quang phổ trong ba trường hợp tương phản điện môi
khác nhau

39

Hình 2.5

Môi trường điện môi của một lớp màng mỏng

41

Hình 2.6

Môi trường điện môi cho cấu trúc đa lớp

44

Hình 1.17

Hình 1.18

IX

Hình 2.10

Sơ đồ minh họa cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D

50

Hình 2.11

Phổ phản xạ của vi cộng hưởng quang tử 1D với chu kỳ của 2 gương
Bragg N=4, chiết suất và độ dày của lớp khuyết tật cố định lần lượt là
1,3 và 250 nm. Tỷ lệ chiết suất nH/nL lần lượt là: (a) 1,8/1,3;(b)
2,1/1,3; (c) 2,3/1,3

51

Hình 2.12

Phổ phản xạ của vi cộng hưởng quang tử 1D khi tỷ lệ chiết suất nH/nL
của cặp lớp trong một chu kỳ thay đổi tại bước sóng trung tâm
λ0=650 nm

52

Hình 2.13

Phổ phản xạ của vi cộng hưởng quang tử 1D tại bước sóng trung tâm
λ=650 nm khi thay đổi số chu kỳ của các DBR

52



57

Hình 2.18

Đường cong rời rạc (1): Sự dịch đỏ của cộng hưởng là một hàm của
bước sóng cộng hưởng. Đường cong rời rạc (2) Δλ/L là một hàm của
của bước sóng cộng hưởng (trong mô phỏng Δnlỗ=0,03 và độ dày
quang học của lớp khuyết tật là λ/2)

57

Hình 2.19

Đường cong rời rạc (1): Sự dịch đỏ của cộng hưởng như một hàm
của độ dày lớp khuyết tật. Đường cong rời rạc (2) Δλ/L là một hàm

58

X


của của độ dày lớp khuyết tật (trong mô phỏng Δnlỗ=0,03 và bước
sóng trung tâm của gương Bragg tại 800 nm)

Hình 2.20

Mô phỏng sự dịch đỏ phổ của cấu trúc vi cộng hưởng như một hàm
của kích thước lỗ xốp. Mỗi đường cong biểu thị một độ dày khác
nhau (t) của lớp phủ với n=1,42. Độ xốp của các lớp sử dụng trong


66

Hình 3.5

Hình 3.6

(a) Sơ đồ minh họa cấu trúc của một cảm biến quang tử nano dựa
trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D thể hiện bởi lớp khuyết tật 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 vi hốc cộng hưởng cho thấy một bước sóng cộng
hưởng hẹp ở giữa hai đỉnh phản xạ cực đại
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

67

68

Hình 3.7

Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét

70

74

Hình 3.13

Cấu hình đo phổ phản xạ sử dụng USB 4000

75

Hình 3.14

Cấu trúc màng hai lớp trên đế silic

76

Hình 3.15

Ảnh SEM của cấu trúc bề mặt của lớp 1 (a) và lớp 2 (b)

76

Hình 3.16

Đường cong M-line của mẫu M01 có tỷ số mật độ dòng

77

XI


Hình 3.17


81

Hình 3.22

Phổ phản xạ ban đầu của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D

81

Hình 3.23

Phổ phản xạ của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D sau khi chia
cho cường độ phản xạ của mẫu nền

82

Hình 3.24

04 mẫu cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D

83

Hình 3.25

So sánh phổ phản xạ thực nghiệm (1) và mô phỏng (2) của cấu trúc
vi cộng hưởng 1D với bước sóng thiết kế λ0=644nm

84

Hình 3.26


Hình 3.31

Buồng cảm biến với phương pháp đo sử dụng cảm biến pha hơi

89

Hình 3.32

Buồng cảm biến với phương pháp đo sử dụng cảm biến pha lỏng

89

Hình 3.33

Hệ thiết bị cảm biến quang tử nano

89

Hình 3.34

Mặt trước của hệ thiết bị cảm biến quang tử nano

90

Hình 4.1

Sơ đồ nguyên lý đo phổ phản xạ của cảm biến quang Fabry-Perot

92

Hình 4.13
Hình 5.1

Hình 5.2

Hình 5.3

Hình 5.4
Hình 5.5

Hình 5.6

Hình 5.7
Hình 5.8

Các đặc trưng cơ bản của cảm biến đo dung dịch sử dụng hốc vi cộng
hưởng silic xốp thu được từ tính toán mô phỏng (C1-C4) và đường
thực nghiệm đo trên cảm biến (đường E). Đường thực nghiệm trùng
khớp với kết quả mô phỏng khi độ xốp của các lớp có độ tương phản
38
Phổ phản xạ của cấu trúc vi cộng hưởng 1D tại bước sóng cộng
hưởng 508 nm
Phổ phản xạ của cấu trúc vi cộng hưởng 1D trước và sau ngâm cảm
biến trong (a) methanol; (b) Xăng A92;(c) Xăng A92 + Methanol
15% và (d) Xăng E5
Đường đặc trưng dịch bước sóng của cảm biến quang tử đo nồng độ
methanol và ethanol khác nhau pha trong xăng A92
Phổ phản xạ của cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D trong không
khí (đường cong 1) và trong nước (đường cong 2). Hình ảnh mẫu
cảm biến quang dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D được

Sự phụ thuộc độ dịch chuyển bước sóng cộng hưởng (a) và độ nhạy
(b) của cảm biến dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm
bằng silic xốp vào nồng độ của Methanol
Sự phụ thuộc của sự thay đổi bước sóng vào nồng độ methanol trong
cồn 45% và 30% ở nhiệt độ cảm biến của 22oC khi nhiệt độ dung
XIII

98

99
99
100
103

104
105
107
108
112
117

119
120
122

124

125
128


132

Hình 5.13

Sự phụ thuộc độ dịch chuyển bước sóng cộng hưởng của cảm biến
vào nồng độ methanol được thêm vào cồn tinh khiết với hai nồng độ
CE=30% và CE=45% và độ dịch chuyển bước sóng cộng hưởng của
cảm biến ứng với hai nồng độ 30% và 40% của cồn công nghiệp
vecni

133

XIV


DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.1

Thông số ăn mòn của các lớp

76

Bảng 3.2

Thông số của các mẫu đã chế tạo

78

Độ dịch chuyển đỉnh bước sóng cộng hưởng đo được từ các nồng độ
khác nhau của atrazine trong nước trước và sau 6 tháng

106

Bảng 4.4

So sánh giới hạn phát hiện nồng độ atrazine trong nước sử dụng các
phương pháp khác nhau

108

Bảng 5.1

Một số tính chất lý – hóa của các dung môi hữu cơ được sử dụng
trong thí nghiệm đo cảm biến

116

Bảng 5.2

Một số đặc điểm vật lý của ethanol và aceton

117

Bảng 5.3

Một số tính chất vật lý của ethanol, acetone và methanol và sự so
sánh độ nhạy của ba phương pháp đo lỏng, áp suất hơi bão hòa và
VOC

(GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS) [1]–[4], sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis [5] để
phân tích định lượng các thành phần với nồng độ cực nhỏ. Các phương pháp này đã
đóng vai trò chủ đạo trong phân tích dư lượng các chất hữu cơ hòa tan với nồng độ
thấp trong quy trình kiểm định hoặc kiểm soát môi trường. Tuy nhiên, các phương
pháp này có một số nhược điểm là thời gian phân tích khá lâu, quy trình phân tích
phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích (cán bộ phân tích cần được đào tạo
kỹ), không thể thực hiện di động ngoài hiện trường, giá thành thiết bị rất cao.
1


Trong lĩnh vực cảm biến điện hóa [6][7], phương pháp hấp thụ miễn dịch
liên kết với enzyme - ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) đã được
nghiên cứu phát triển để ứng dụng trong xác định dư lượng các chất hữu cơ đặc
trưng dựa trên nguyên lý kháng nguyên – kháng thể. Kỹ thuật ELISA có độ nhạy
cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh, vì vậy đã có khá nhiều
mô hình thiết bị cảm biến sử dụng nguyên lý ELISA được đề xuất và nghiên cứu.
Phương pháp ELISA có nhược điểm cần khắc phục là độ chính xác thấp trong các
nền phức tạp, kém linh hoạt vì phải phụ thuộc vào hóa chất của nhà sản xuất. Do
vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới thuận tiện hơn là mục tiêu của
nhiều Phòng nghiên cứu cảm biến trên thế giới.
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 [8] cho phép nhận dạng nồng độ chất hòa tan cực
nhỏ. 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 [9],

của môi trường chuẩn (nền) cho cảm biến (chủ yếu là không khí hoặc nước sạch).
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 có 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. Chính vì
vậy, “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất của vi cộng hưởng quang tử
1D làm cảm biến quang” đã được lựa chọn làm đề tài nghiên cứu của luận án.
Mục đích của luận án
-

Nghiên cứu chế tạo cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D bằng phương pháp

ăn mòn điện hóa trên đế silic với vùng bước sóng hoạt động trong vùng khả kiến từ
200÷800 nm. Cấu trúc vi cộng hưởng 1D này có độ phản xạ cao, có độ bán rộng
khe hẹp và kích thước lỗ xốp đồng đều.
-

Xây dựng hệ đo cảm biến quang tử nano kết hợp đo đồng thời hai phương

pháp: phương pháp đo lỏng (liquid drop) và phương pháp hóa hơi các hợp chất hữu
cơ.
3


-

Khảo sát đo các loại dung môi hữu cơ và một số thuốc bảo vệ thực vật

(BVTV) trong môi trường nước với nồng độ thấp.
Đối tượng nghiên cứu

phỏng sử dụng phương pháp TMM. Các thông số ảnh hưởng tới độ nhạy của cảm
biến làm bằng vật liệu silic xốp cũng được trình bày chi tiết.
4


Chương 3 trình bày phương pháp ăn mòn điện hóa để chế tạo cấu trúc vi
cộng hưởng quang tử 1D. Các thông số quang học của cấu trúc được đo bằng kính
hiển vi điện tử quét SEM, máy phân tích phổ Varian Cary 5000 và USB 4000. Các
kết quả chế tạo vi cộng hưởng quang tử 1D được trình bày chi tiết. Hệ thiết bị cảm
biến quang tử dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng quang tử 1D làm bằng silic xốp được
thiết kế và xây dựng để có thể đo đồng thời hai phương pháp: phương pháp đo lỏng
(liquid drop) và phương pháp hóa hơi các hợp chất hữu cơ.
Chương 4 trình bày phương pháp đo lỏng sử dụng cảm biến quang tử nano
làm bằng silic xốp để đo nồng độ của một số dung môi hữu cơ và thuốc BVTV
trong môi trường nước.
Chương 5 trình bày phương pháp hóa hơi các hợp chất hữu cơ để xác định
thành phần các dung môi hữu cơ với nồng độ cực thấp. Phương pháp này kết hợp
giữa điều khiển nhiệt độ của bình chứa dung dịch và tốc độ dòng khí thổi qua dung
dịch để xác định nồng độ dung môi có trong dung dịch do mỗi dung môi có áp suất
hơi bão hòa riêng tại các điều kiện nhiệt độ và dòng khí thổi. Phương pháp đã nâng
cao được khả năng chọn lọc của cảm biến và độ nhạy của cảm biến.
Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh
mục các tài liệu tham khảo đã được liệt kê.
Luận án được thực hiện chủ yếu tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Luận án được hỗ trợ kinh phí từ ba đề tài: Đề tài
Phòng thí nghiệm trọng điểm mã số: CSTĐ03.14 và Đề tài VAST mã số:
VAST03.06/15-16 do chính tác giả làm chủ nhiệm, Đề tài Nafosted mã số: 103.032015.23 do PGS.TS Bùi Huy làm chủ nhiệm.

5


môi với chiết suất cao đặt trong không khí. Ví dụ về cấu trúc vùng từ tính toán lý
thuyết bằng phương pháp khai triển sóng phẳng (The plane wave expansion method
– PWE) được trình bày trong hình 1.1.
6


Hình 1.1. Cấu trúc vùng cấm quang được tính dọc theo các đường đối xứng trong
vùng Brillouin của tinh thể quang tử 3D với mạng FCC bao gồm quả cầu không khí trên
nền vật liệu điện môi với chiết suất 3,5. Tỉ số lấp đầy là 86% không khí và 14% vật liệu
điện môi. Dọc theo X-U-L và X-W-K, các đường nét chấm và đường nét liền cho thấy các
dải chỉ kết hợp với ánh sáng phân cực s và p [20].

Vào năm 1992, H. S. Sozuer và J. W. Haus [21] đã tính toán cấu trúc vùng
của PCs với cấu trúc opal đảo, kết quả được trình bày trong hình 1.2. Thuật ngữ
opal đảo có nghĩa là thay vì các hạt cầu điện môi đặt trong không khí, mạng fcc đảo
sẽ bao gồm các lỗ trống hình cầu ngăn cách bởi môi trường chiết suất cao. Kết quả
cho thấy cấu trúc opal đảo có một vùng cấm quang hoàn toàn giữa vùng thứ 8 và
vùng thứ 9. Năm 1998, opal đảo nhân tạo đã chế tạo được bằng thực nghiệm [22],
các đường kính của các hạt cầu không khí trong cấu trúc cỡ khoảng 1 μm và khoảng
cách giữa các hạt cầu là rất nhỏ nên các hạt cầu không khí gần như chạm vào nhau.
Chiết suất của vật liệu tạo nên tinh thể là 2,8 là chiết suất của các hạt cầu TiO2 quá
nhỏ để tạo thành vùng cấm quang hoàn toàn. Tuy nhiên, sau này khi sử dụng silica
thì có thể xuất hiện vùng cấm quang hoàn toàn ở một vài thông số hình học.

Hình 1.2. Cấu trúc vùng của tinh thể quang tử với mạng tinh thể FCC đảo [21]
7


Năm 2000, tinh thể quang tử 3D đầu tiên có vùng cấm quang hoàn toàn trong
vùng hồng ngoại đã được chế tạo [23]. Tinh thể quang tử này bao gồm các hạt cầu