Nghiên cứu tính chất quang của màng silica titania alumina pha tạp Er3+ ứng dụng trong dẫn sóng phẳng

Hình thái bề mặt và tính chất vô định hình của màng thuỷ tinh đa thành phần được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ nhiễu xạ tia X. Các đặc trưng liên kết trong màng SiO2:TiO2 pha tạp được phân tích bởi phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR). Ảnh hưởng của nồng độ ion Er3+ tới cường độ huỳnh quang của màng được khảo sát trong vùng bước sóng 1.530 nm và vùng nhìn thấy, tại nồng độ Er3+ là 0,5% mol thì cường độ huỳnh quang đạt giá trị cực đại.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu tính chất quang của màng silica titania alumina pha tạp Er3+ ứng dụng trong dẫn sóng phẳng Lương Thị Kim Phượng, Lê Thị Giang 104 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÀNG SILICA-TITANIA-ALUMINA PHA TẠP Er3+ ỨNG DỤNG TRONG DẪN SÓNG PHẲNG A STUDY ON OPTICAL PROPERTIES OF SILICA-TITANIA-ALUMINA DOPED WITH Er3+ ION FOR PLANAR WAVEGUIDE APPLICATION Lương Thị Kim Phượng, Lê Thị Giang Trường Đại học Hồng Đức; luongthikimphuong@hdu.edu.vn Tóm tắt - Màng sol-gel 80SiO2:20TiO2:5% mol Al3+ pha tạp ion và Er3+ được chế tạo bằng phương pháp quay phủ trên đế silic với nồng độ Er3+ thay đổi từ 0,1 đến 1% mol. Màng có độ dày từ 0,5 m đến 3 m và được xử lý nhiệt ở nhiệt độ 900°C trong thời gian từ 1 đến 6 giờ. Hình thái bề mặt và tính chất vô định hình của màng thuỷ tinh đa thành phần được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ nhiễu xạ tia X. Các đặc trưng liên kết trong màng SiO2:TiO2 pha tạp được phân tích bởi phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR). Ảnh hưởng của nồng độ ion Er3+ tới cường độ huỳnh quang của màng được khảo sát trong vùng bước sóng 1.530 nm và vùng nhìn thấy, tại nồng độ Er3+ là 0,5% mol thì cường độ huỳnh quang đạt giá trị cực đại. Abstract - Sol-gel films of 80SiO2:20TiO2:5% mol Al3+ doped with Er3+ ions are prepared by spin coating route with a variety of the Er3+ concentration from 0.1 to 1% mol. The film thickness increases from 0.5 m to 3 m and glass film is annealed at 900°C for 1 - 6 hours. Surface morphology and amorphous property of multi-component glass are investigated by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction pattern. Linking features in doping SiO2:TiO2 film are analyzed using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The effect of Er3+ concentration on photoluminescence intensity is also studied at the wavelength range of about 1,530 nm and at visible area. Photoluminescence intensity obtains the highest value at 0.5% mol of Er3+ concentration. Từ khóa - sol-gel; ion Er3+; màng mỏng; huỳnh quang; thuỷ tinh đa thành phần. Key words - sol-gel; Er3+ ion; thin film; photoluminescence; multicomponent glass. 1. Giới thiệu Ngày nay, với sự bùng nổ của công nghệ thông tin thì nhu cầu cập nhật và xử lý thông tin là một trong những nhu cầu quan trọng của con người. Cùng với sự phát triển này, thị trường về các thiết bị quang học cũng phát triển mạnh mẽ, trong đó sợi quang đã trở thành một sự lựa chọn cho việc truyền dẫn thông tin giữa các điểm nối. Sợi thủy tinh pha tạp ion Er3+ đã được chuyển từ nghiên cứu sang công nghiệp trong thời gian rất ngắn và nhanh chóng mở ra ứng dụng trong các mạng viễn thông với khoảng cách lớn. Nguyên tố đất hiếm Er được chọn để pha tạp vào mạng nền thuỷ tinh vì Er là nguyên tố có khả năng phát quang ở vùng bước sóng 1.530 nm, trùng với vùng bước sóng của cửa sổ quang học thứ ba cho tổn hao quang thấp nhất [6, tr. 10-11]. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn còn một số vấn đề trong việc tích hợp quang học trong một thiết bị quang, nên một số nhà khoa học vẫn đang cố gắng làm ra các bộ tích hợp quang và dẫn sóng với kích thước cỡ một vài cm. Một trong những yêu cầu khác nhau cơ bản về nồng độ ion Er3+ trong sợi quang và trong những kênh dẫn của các bộ khuếch đại dẫn sóng là với sợi quang thì khoảng cách truyền dẫn sóng thường từ vài mét tới vài chục mét hoặc lớn hơn, do vậy có thể pha tạp ion Er3+ với nồng độ thấp. Trong trường hợp ngược lại, các kênh dẫn trong bộ dẫn sóng phẳng có pha tạp Er3+ thì quãng đường truyền dẫn chỉ ngắn vài cm nên một yêu cầu quan trọng là nó phải có hệ số khuếch đại lớn hơn so với hệ số khuếch đại trong sợi quang, do vậy nồng độ Er3+ trong đó đòi hỏi phải cao hơn. Khi pha tạp ở nồng độ cao, các ion Er3+ có xu hướng tạo đám nên làm tăng khả năng tái hợp không bức xạ, do các ion Er3+ bị kích thích truyền năng lượng cho các ion ở lân cận. Từ đó thông số quan trọng cho việc lựa chọn vật liệu là khả năng cô lập các ion Er3+ với các ion khác càng cao càng tốt. Vật liệu thủy tinh silica nhận được nhiều sự quan tâm bởi những ứng dụng của nó trong sợi quang, trong mạch tích hợp quang học và dẫn sóng phẳng. Tuy nhiên, SiO2 có liên kết cộng hóa trị bền vững nên không phù hợp cho việc pha tạp Er3+ ở nồng độ cao. Vấn đề này có thể được giảm bớt khi đồng pha tạp nhôm vào mạng nền của SiO2. Các ion Al3+ làm đứt gãy các liên kết Si-O-Si tạo ra các nhóm Al-O, các nhóm này có thể làm phân tán các nhóm Er-OEr thông qua việc hình thành các liên kết Si-O-Al-O-Er [2]. Vật liệu SiO2-TiO2 được biết đến như một hệ thủy tinh có nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt là trong dẫn sóng, bởi tính ổn định và khả năng thay đổi chiết suất của chúng thông qua việc điều khiển tỷ lệ SiO2/TiO2. Gần đây, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, những hệ vật liệu chế tạo theo tỷ lệ SiO2:TiO2 là 80:20 có chiết suất khoảng 1,56 và chưa có sự phân pha giữa SiO2 và TiO2 [4, 10]. Để phát huy khả năng bù suy hao của ion Er3+ pha tạp trong vật liệu thuỷ tinh, đồng thời tăng khả năng giam giữ ánh sáng của màng dẫn sóng, nhóm ...