Điều khiển ánh sáng bằng tinh thể quang tử opal

Tinh thể quang tử là cấu trúc tuần hoàn của các vật liệu điện môi, có thể tạo ra vùng cấm quang học tác động và điều khiển ánh sáng. Với ưu điểm nổi bật về cấu trúc ba chiều và phương pháp chế tạo đơn giản, tinh thể quang tử nhân tạo opal được chế tạo bằng quy trình tự sắp xếp trên cơ sở các quả cầu silica.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển ánh sáng bằng tinh thể quang tử opalLê Đắc Tuyên và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ190(14): 97 - 102ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG BẰNG TINH THỂ QUANG TỬ OPALLê Đắc Tuyên1,*, Nguyễn Thị Hiền21Trường Đại học Mỏ - Địa chất,Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên2TÓM TẮTTinh thể quang tử là cấu trúc tuần hoàn của các vật liệu điện môi, có thể tạo ra vùng cấm quanghọc tác động và điều khiển ánh sáng. Với ưu điểm nổi bật về cấu trúc ba chiều và phương pháp chếtạo đơn giản, tinh thể quang tử nhân tạo opal được chế tạo bằng quy trình tự sắp xếp trên cơ sở cácquả cầu silica. Hình thái học của mẫu chế tạo được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử độ phân giảicao. Vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal được nghiên cứu và phân tích bằng phổ phản xạvà truyền qua. Chúng tôi có thể điều chỉnh vùng cấm quang của tinh thể quang tử opal bằng cáchthay đổi kích thước quả cầu hoặc góc tới của ánh sáng. Các kết quả nghiên cứu chứng tỏ vùng cấmquang của tinh thể quang tử opal có thể điều khiển được cường độ huỳnh quang của nguyên tố đấthiếm. Tinh thể quang tử opal kết hợp với kim loại tạo ra cấu trúc tuần hoàn của các đĩa kim loại cóthể hấp thụ ánh sáng.Từ khóa: Tinh thể quang tử opal; điều khiển ánh sáng; hấp thụ sóng điện từMỞ ĐẦU*Tinh thể quang tử (photonic crystals) là mộtvật liệu quang học mới trên cơ sở cấu trúctuần hoàn của chất điện môi [1,2]. Tinh thểquang tử tương tác với photon tương tự cáchmà chất bán dẫn tác động lên electron. Bởivậy, chúng ta có thể áp dụng rất nhiều tínhchất đã biết của electron cho photon. Photonnhanh hơn cũng như tổn hao năng lượng íthơn electron vì tương tác giữa chúng yếu hơn,nên một thiết bị như diode hay transistorquang học sẽ hoạt động nhanh và tốn ít nănglượng hơn diode hay transistor điện tử thôngthường. Điều này giải thích vì sao tinh thểquang tử được kỳ vọng rất lớn và được quantâm nghiên cứu cho các thiết bị quang điện tửvà quang tử [3,4].Do cấu trúc tuần hoàn của chiết suất, ánh sángbị phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách giữacác môi trường, nên tinh thể quang tử có thểtạo ra vùng cấm quang (photonic band gap).Tinh thể quang tử chặn các photon (ánh sáng)có năng lượng nằm trong vùng cấm quang vàcho phép các photon khác truyền qua. Sự tồntại của vùng cấm quang đã tạo ra nhiều hiệntượng quang học mới và thú vị, cũng nhưđược sử dụng để điều khiển ánh sáng [1-4].*Email: ledactuyen@humg.edu.vnỨng dụng nổi bật của tinh thể quang tử là sợiquang học dùng trong thông tin quang, mạchtổ hợp và tách sóng trong bộ xử lý tín hiệuquang học [5-7]. Tuy nhiên, hầu hết các ứngdụng chỉ sử dụng tinh thể quang tử một chiều(1D) và hai chiều (2D). Tinh thể quang tử bachiều (3D), có ưu điểm ở khả năng điều khiểnánh sáng theo cả ba chiều không gian, đangđược các nhà khoa học quan tâm nghiên cứucho các ứng dụng thực tế [6-8].Tinh thể quang tử nhân tạo opal được tạothành từ các quả cầu silica kích thước nanomét sắp xếp theo trật tự của mạng lập phươngtâm mặt (fcc) xếp chặt. Với ưu điểm nổi bậtvề cấu trúc ba chiều và phương pháp chế tạođơn giản, tinh thể quang tử opal là ví dụ điểnhình được sử dụng nghiên cứu tính chấtquang cũng như làm cơ sở cho việc nghiêncứu những tinh thể quang tử khác [8,9]. Hơnnữa, việc nghiên cứu chúng cho ta những hiểubiết cơ bản về sự tương tác giữa ánh sáng vàmôi trường rắn. Trong bài báo này, chúng tôitrình bày phương pháp chế tạo, tính chấtquang, vùng cấm quang và khả năng điềukhiển ánh sáng của tinh thể quang tử opal.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUQuả cầu silica với kích thước khác nhau đượcchế tạo bằng phương pháp hóa học tổng hợp97Lê Đắc Tuyên và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆđược phát triển bởi Stober [10]. Các quá trìnhthủy phân và ngưng tụ xảy ra liên tiếp khiTEOS (tetraethoxysilane - Si(OC2H5)4) đượchòa trộn trong môi trường của hỗn hợpNH4OH, H2O,và C2H5OH. Có thể tóm tắt quátrình này bằng các phương trình phản ứng hóahọc: Phản ứng thủy phân của TEOS với H2O,sau đó là quá trình ngưng tụ tạo SiO2.190(14): 97 - 102bình của quả cầu khoảng 424 nm với độ lệchchuẩn 12 nm (~3%). Các quả cầu với độ đồngnhất cao là điều kiện cần để có thể chế tạođược những tinh thể quang tử opal chất lượngcao. Hình 1(c) là giản đồ nhiễu xạ tia X củacác quả cầu silica. Đỉnh phổ nhiễu xạ tại 2 =22 cho thấy silica có dạng vô định hình.Si(OC2H5)4 + 4H2O  Si(OH)4 + 4C2H5OHSi(OH)4  SiO2 + 2H2OCác phản ứng xảy ra trong thời gian 4 giờ vớisự hỗ trợ của máy khuấy từ và nhiệt độ ổnđịnh tại 300C. Kết quả thu được là dung dịchhuyền phù màu trắng bạc có chứa các quả cầuSiO2. Các quả cầu đơn phân tán SiO2 đượctách ra từ dung dịch bằng máy li tâm và rửalại bằng H2O để chuẩn bị cho quá trình chếtạo tinh thể quang tử opal. Kích thước của quảcầu SiO2 có thể được điều khiển bằng nồngđộ hóa chất tham gia phản ứng. Các quả cầuEu3+/SiO2 cấu trúc lõi/vỏ cũng được chế tạotương tự. Quá trình ngưng tụ SiO2 tạo thànhvỏ bao bọc mầm Eu3+.Tinh thể quang tử nhân tạo opal được chế tạobằng quy trình tự sắp xếp các quả cầu SiO2thông qua phương pháp lắng đọng trọng lựcvới hỗ trợ của nhiệt độ. Với cấu trúc của quảcầu Eu3+/SiO2 lõi/vỏ được tiếp tục nung ở9000C trong 2 giờ nhằm tăng cường khả năngphát huỳnh quang của Eu3+.Hình thái học và cấu trúc của tinh thể quangtử opal được khảo sát bằng kính hiển vi điệntử độ phân giải cao. Vùng cấm quang của tinhthể được nghiên cứu thông qua phổ phản xạvà phổ truyền qua đo bằng quang phổ S2000(Ocean). Phổ huỳnh quang được đo bằng máyquang phổ MicroHR (Jobin Yvon).KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬNKính hiển vi điện tử quét (SEM) được sửdụng khảo sát hình thái học của mẫu chế tạo.Hình 1(a) trình bày ảnh SEM của quả cầuSiO2, các quả cầu SiO2 có độ đồng nhất caovà đơn phân tán. Sự phân bố kích thước hạtđược mô tả trên hình 1(b), kích thước trung98Hình 1. (a) Ảnh SEM của quả cầu nano SiO2, (b)Phân bố kích thước hạt, (c) Giản đồ nhiễu xạ tia Xcủa mẫu SiO2Hình 2(a) là ảnh SEM bề mặt của tinh thểquang tử opal sau ...