Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang Trên cơ sở cấu trúc quang tử 1d.doc

Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHÙNG THỊ HÀ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG
TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
Thái Nguyên - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHÙNG THỊ HÀ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG
TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D
Chuyên ngành : Vật lý chất rắn
Mã số :60440104
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Thùy Chi
Thái Nguyên - 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn tốt nghiệp này là kết quả trong
công trình nghiên cứu của tôi dưới sự giảng dạy và hướng dẫn của TS. Đỗ Thùy
Chi, PGS. TS Bùi Huy và Ths. Phạm Thanh Bình. Tất cả các số liệu được công bố
là hoàn toàn trung thực và do chính tôi thực hiện. Các tài liệu tham khảo khác đều
có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối luận
văn.
Thái Nguyên, ngày 27 tháng 10 năm 2017.
Học viên
Phùng Thị Hà
Xác nhận Xác nhận
của trưởng khoa chuyên môn của giảng viên hướng dẫn khoa học
TS. Cao Tiến Khoa TS. Đỗ Thùy Chi
i

LỜI CẢM ƠN
Tiếp tục phát triển từ các kết quả nghiên cứu đã được công bố về cảm biến
Sinh - Hóa, đồng thời cũng nhằm nâng cao trình độ chuyên môn và bước đầu làm
quen với thực tiễn, được sự đồng ý của Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Thái
Nguyên, Khoa Vật lý, em đã tiến hành thực hiện luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu chế
tạo cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D”.
Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ quý
báu của các thầy cô, anh chị, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS. Đỗ Thùy Chi,
PGS.TS Bùi Huy và Ths Phạm Thanh Bình tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi,
Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Nhân dịp hoàn thành luận văn, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Đỗ
Thùy Chi cùng toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý, các thầy cô và anh chị
đang công tác tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất giúp em
thực hiện các thực nghiệm, chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện và hoàn
thành.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng, song do thời gian và năng lực còn hạn chế
nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Qua đây em rất mong
nhận được sự đóng góp quý báu của các thầy, cô giáo và các anh chị cùng các bạn
để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 27 tháng 10 năm 2017.
Học viên
Phùng Thị Hà
ii

MỤC LỤC
Trang
TRANG BÌA PHỤ
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................................................ii
MỤC LỤC.................................................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................................................vi
MỞ ĐẦU..................................................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................................................1
2. Mục tiêu của luận văn.........................................................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................................................2
4. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................................................3
5. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................................................3
6. Ý nghĩa của luận văn...........................................................................................................................4
7. Cấu trúc của luận văn .........................................................................................................................4
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT
CHIỀU (1D) ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SINH - HÓA................................... 5
1.1. Giới thiệu chung về cấu trúc tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D)........................5
1.2. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến
sinh - hóa.............................................................................................................................................6
1.2.1. Phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D trên nền Silic xốp ................................ 7
1.2.2. Ứng dụng của cấu trúc quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp .......................................... 8
1.3. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang
(FBG) ứng dụng trong cảm biến sinh hóa.........................................................................10
1.3.1. Cách tử Bragg trong sợi quang............................................................................................10
1.3.2. Các phương pháp chế tạo FBG............................................................................................13
1.3.3. Ứng dụng của cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong
sợi quang (FBG) ........................................................................................................................14
iii

1.4. Tính cấp thiết của việc xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước............19
Chương 2: MỘT SỐ PHÉP ĐO THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG CHO CẢM
BIẾN SINH - HÓA DỰA TRÊN CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D ...............................21
2.1. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể quang
tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến hóa- sinh...............................21
2.1.1. Các phép đo phổ phản xạ bằng máy CARRY 5000 (UV-VIS-NIR
Spectrophotometer Cary 5000) ...........................................................................................21
2.1.2. Hệ thiết bị cảm biến quang tử nano...................................................................................23
2.2. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể quang
tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng trong cảm biến
hóa - sinh. ........................................................................................................................................25
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái...............................................................................26
2.2.2. Đo hệ phản xạ của FBG thông qua phổ phản xạ..........................................................28
2.2.3. Đo hệ số phản xạ của cách tử thông qua phổ truyền qua .........................................31
Chương 3: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HÓA TRÊN..........32
TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP VÀ
CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI QUANG.........................................................................32
3.1. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa trên tinh thể quang tử một chiều
(1D) trên cơ sở Silic xốp...........................................................................................................32
3.1.1. Nguyên lý, quy trình chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano ..........................32
3.1.2. Thiết kế chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng
vi cộng hưởng 1D......................................................................................................................35
3.1.3. Các kết quả chế tạo cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng vi
cộng hưởng một chiều.............................................................................................................37
3.2. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa tinh thể quang tử một chiều (1D)
trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang..........................................................................40
3.2.1. Quy trình chế tạo cách tử Bragg trong sợi quang........................................................40
3.2.2. Quy trình chế tạo Etched-Fiber Bragg Grating (e-FBG)..........................................41
iv

Chương 4: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HÓA TRÊN CẤU
TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) VÀO XÁC ĐỊNH
NỒNG ĐỘ NITRATE TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC.............................................48
4.1. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh-hóa trên cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên
cơ sở Silic xốp vào xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước.................48
4.1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang tử nano dựa trên cấu trúc buồng
vi cộng hưởng 1D làm bằng Silic xốp..............................................................................48
4.1.2. Kết quả đo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D làm
bằng Silic xốp sử dụng phương pháp cảm biến pha lỏng........................................49
4.2. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh-hóa trên cấu trúc tinh thể quang tử một
chiều 1D trên cách tử Bragg trong sợi quang vào xác định nồng độ Nitrate
trong môi trường nước...............................................................................................................53
4.2.1. Thiết kế, xây dựng cấu hình đo của cảm biến e-FBG................................................53
4.2.2. Khảo sát các cấu hình đo của cảm biến tích hợp phần tử cảm biến e-FBG
trong cấu hình laser vòng và laser sợi quang pha tạp Erbium...............................57
4.2.3. Thực nghiệm xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước ...........................61
KẾT LUẬN .............................................................................................................................................64
ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................................66
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN............68
v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Diễn giải
PC Photonic crystal
PCs Photonic crystals
1D One-dimension
SEM Scanning Electron Microsope
FE-SEM Field Emision Scanning Electron Microsope
DBR Distributed Bragg Reflector
TEM Transmission Electron Microscope
FBG Fiber Bragg Grating
e- FBG Etched-Fiber Bragg Grating
OSA Optical Sepectrum Analyzer
EDFA Erbium Drop Fiber Amplifier
EDF Erbium - Doper Fiber
WDM Wavelength Division Multiplexing
PPM Parts Per Million
iv

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1 Các thông số hoạt động module laser SDLO 2564-165-GC...................................... 30
Bảng 3.1 Một số điều kiện ăn mòn để chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng
vi cộng hưởng một chiều............................................................................................................. 36
Bảng 4.1 Sự thay đổi bước sóng cộng hưởng trong phổ phản xạ với các nồng độ Nitrate
khác nhau......................................................................................................................................... 51
v

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1 Mô tả cấu trúc hình học các PC một chiều ......................................................................5
Hình 1.2 Hình ảnh mô phỏng sự hoạt động của cảm biến làm bằng Silic xốp. ........................8
Hình 1.3 Cấu tạo cách tử Bragg và phân bố chiết suất của nó với n1 là chiết suất vỏ, n2
là chiết suất lõi cách tử ............................................................................................................... 11
Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg.......................................................................... 12
Hình 1.5 Dạng phổ của tín hiệu vào (a), sau khi đi qua (b) và phản xạ (c) của sợi cách
tử Bragg . ......................................................................................................................................... 12
Hình 1.6 Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang ................................................................................... 13
Hình 1.7 Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG.............................................................. 13
Hình 1.8 Trường evanescent trong mặt tiếp xúc giữa lõi-vỏ sợi quang ................................... 17
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ quang học máy quang phổ UV/VIS/NIA Carry 5000. .......... 21
Hình 2.2 UV-VIS-NIR Spectrophotometer (Carry 5000) ............................................................ 23
Hình 2.3 Sơ đồ khối nguồn phát sáng. ............................................................................................... 24
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của khối máy đo phổ quang. ............................................................... 24
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của khối chứa cảm biến........................................................................ 25
Hình 2.6 Hệ thiết bị cảm biến quang tử và mặt trước của hệ thiết bị. ...................................... 25
Hình 2.7 Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét: (1) Súng điện tử, (2) Thấu kính điện
từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phát quét, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đèn hình. ...... 27
Hình 2.8 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ. ...................................... 28
Hình 2.9 Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử................................................................................ 28
Hình 2.10 Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384. ..................................................... 29
Hình 2.11 Cấu tạo của một bộ khuếch đại quang (EDFA). ......................................................... 30
Hình 2.12 Nguồn bơm laser tạo bước sóng 980 nm. ..................................................................... 30
Hình 2.13 Phổ dải rộng của ASE khi chưa khắc cách tử.............................................................. 31
Hình 2.14 Mô hình đo truyền qua của FBG ..................................................................................... 31
Hình 2.15 Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua. ......................................... 31
Hình 3.1 Hệ lò được dùng để ủ tiếp xúc cho phiến Silic bốc bay nhôm.................................. 33
Hình 3.2 Hệ thống ăn mòn điện hóa................................................................................................... 34
Hình 3.3 Sơ đồ hệ điện hóa AUTOLAB. PGSTAT 30 dùng để chế tạo PC 1D.................... 34
Hình 3.4 Lược đồ chế tạo màng đa lớp.............................................................................................. 35
vi

Hình 3.5 Phổ phản xạ thực nghiệm của một gương phản xạ Bragg dựa trên PC 1D ........... 38
Hình 3.6. Phổ phản xạ của đèn Halogen............................................................................................ 39
Hình 3.7 Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng dựa trên tinh thể một chiều. Bước sóng
trung tâm của buồng vi cộng hưởng ở 665 nm..................................................................... 39
Hình 3.8 Toàn bộ hệ thống chế tạo FBG........................................................................................... 41
Hình 3.9 Phổ phản xạ của cách tử FBG............................................................................................. 42
Hình 3.10 Phổ phản xạ của cách tử e-FBG tại các thời điểm ăn mòn khác nhau.................. 43
Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thiết bị thí nghiệm chế tạo phần tử cảm biến sinh hóa e-FBG
bằng phương pháp ăn mòn hóa học......................................................................................... 44
Hình 3.12 Biểu diễn đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng phản xạ của phần tử
cảm biến e-FBG thay đổi theo thời gian ăn mòn................................................................. 45
Hình 3.13 Ảnh SEM của phần tử cảm biến e-FBG sau khi ăn mòn thô và ăn mòn tinh..... 47
Hình 3.14 Phổ phản xạ của phần tử cảm biến FBG trước và sau khi chế tạo bằng
phương pháp ăn mòn hóa học.................................................................................................... 47
Hình 4.1 Sự thay đổi bước sóng cộng hưởng (Δλ) của cảm biến quang trước và sau khi
tiếp xúc với chất cần phân tích.................................................................................................. 48
Hình 4.2 Phổ phản xạ của buồng vi cộng hưởng đo ngay sau khi chế tạo (đường 1) và
sau khi oxy-hóa mẫu trong ozone (đường 2). ....................................................................... 49
Hình 4.3 Sơ đồ khối của hệ đo sự dịch chuyển bước sóng của cảm biến quang................... 50
Hình 4.4 Sự phụ thuộc của độ dịch chuyển bước sóng vào nồng độ Nitrate trong nước. .. 52
Hình 4.5 Phổ phản xạ của cảm biến quang trước (đường số 1) và sau khi tiếp xúc với
chất cần phân tích (đường số 2)(hình a) khi tiếp xúc với dung dịch Nitrate ở các
nồng độ khác nhau: 100ppm (1), 300ppm (2), 1000ppm (3) (hình b)........................... 52
Hình 4.6 Sơ đồ khối của thiết bị cảm biến cách tử ăn mòn e-FBG được tích hợp trong
cấu hình laser vòng....................................................................................................................... 55
Hình 4.7 Sơ đồ khối của thiết bị cảm biến cách tử ăn mòn e-FBG được tích hợp vào
cấu hình laser sợi........................................................................................................................... 57
Hình 4.8 Đường đặc trưng bước sóng của mode laser được chọn lọc bằng cách tử tham
chiếu FBG trong cấu hình laser cộng hưởng vòng theo nhiệt độ.................................... 58
Hình 4.9 Đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng của mode laser được chọn lọc
bằng cách tử cảm biến e-FBG trong cấu hình laser sợi cộng hưởng vòng theo
chiết suất đã được biết trước của môi trường chất lỏng..................................................... 59
vii

Hình 4.10 Đường đặc trưng sự thay đổi cường độ của mode laser được chọn lọc do
cách tử cảm biến e-FBG trong cấu hình laser cộng hưởng vòng khi mode laser
được chọn lọc bởi cách tử tham chiếu FBG quét qua phổ phản xạ của cách tử cảm
biến e-FBG trong môi trường chất lỏng Methanol 99,5% và Acetone 99,5%............ 60
Hình 4.11 Phổ tín hiệu quang của cảm biến e-FBG với cấu hình đo phản xạ thông
thường (a) và cấu hình đo laser sợi được đề xuất (b), được thực hiện trong môi
trường nước lọc tinh khiết và dung dịch có nồng độ Nitrate 15 ppm và 80 ppm....... 61
Hình 4.12 Phổ tín hiệu của cảm biến khi thực hiện đo với các mẫu dung dịch có nồng
độ Nitrate khác nhau. ................................................................................................................... 62
Hình 4.13 Đường đặc trưng sự dịch chuyển bước sóng tín hiệu cảm biến e-FBG theo
nồng độ của dung dịch Nitrate có nồng độ khác nhau. ...................................................... 63
viii

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của kinh tế là sự thay đổi sâu
sắc, toàn diện của hầu khắp các lĩnh vực của đời sống xã hội. Bên cạnh đó là sự kéo
theo nhiều hệ lụy khác nhau như: cạn kiệt dần nguồn tài nguyên sẵn có, ô nhiễm
môi trường, gia tăng nhanh các loại chất độc hại,…Có thể thấy rõ các tác động này
trên nhiều phương diện của đời sống con người, đặc biệt là trong vấn đề vệ sinh và
an toàn thực phẩm. Dư lượng của các chất có trong phân bón, thuốc bảo vệ thực vật,
đặc biệt là các chất khó phân hủy, còn tồn đọng, tích tụ trong các loại thực phẩm sẽ
gây nhiều nguy hại đến sức khỏe con người như: thay đổi hoocmon trong cơ thể,
phá hủy mô, cơ quan, gây ung thư, vô sinh,…Chính vì vậy, việc kiểm định chất
lượng cũng như dư lượng của các chất gây nguy hại ở dưới mức được cho phép,
hiện đã và đang là thách thức lớn đối với các nhà khoa học.
Nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng cho thấy hiệu quả tích cực
trong việc xác định dư lượng chất độc hại trong các sản phẩm nông sản như phương
pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối
phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS), sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis, phổ
huỳnh quang tia X, phổ Raman,…Tuy nhiên, các phương pháp này có đặc điểm là
thời gian phân tích lâu, phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích, không thể
thực hiện được ngoài thực địa. Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới
thuận tiện hơn là mục tiêu của nhiều nghiên cứu trên thế giới.
Nổi bật nhất trong số các phương pháp đã và đang rất được quan tâm là:
phương pháp dựa trên cấu trúc của buồng vi cộng hưởng một chiều làm bằng vật
liệu Silic xốp và phương pháp dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn được tích hợp
trong cấu hình laser sợi để chế tạo cảm biến quang. Điểm chung của cả hai loại này
là đều dựa vào hiệu ứng Bragg để xác định sự thay đổi chỉ số chiết suất của dung
dịch, từ đó xác định nồng độ các chất có trong môi trường.
Phương pháp thứ nhất: cảm biến 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 nên rất thích
hợp cho các cảm biến sinh-hóa. Bên cạnh đó, nó có kích thước nhỏ gọn, có độ nhạy
1

cao và không cần kết nối điện giúp hạn chế gây ra cháy nổ do hoạt động dựa trên
nguồn ánh sáng đưa vào.
Phương pháp thứ hai: cảm biến quang sợi dựa trên linh kiện cách tử Bragg
trong sợi quang (Fiber Bragg Gratting - FBG) đang được đánh giá rất cao nhờ các
đặc tính của FBG như khả năng tách bước sóng với độ chính xác cao, không chịu
ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường ngoài hay tần số radio, dễ tích hợp,...nên ngoài
các ưu điểm vốn có của một cảm biến quang sợi thông thường, cảm biến sử dụng
FBG còn có khả năng lọc mode cao, thời gian hồi đáp nhanh, băng thông rộng, ổn
định trong quá trình sử dụng với độ chính xác cao,... Đặc biệt cảm biến sử dụng
cách tử Bragg sợi quang được ăn mòn lớp vỏ có độ nhạy rất cao về sự thay đổi nhỏ
của chiết suất hiệu dụng có thể xác định được sự thay đổi chiết suất đến 7,2.10-6
trong môi trường lỏng. Để tăng cường tính chọn lọc thì thường phủ lên vùng tích
cực của cảm biến một màng nhạy có khả năng hấp thụ hoặc liên kết một cách có
chọn lọc với phân tử của chất cần phân tích.
Trên cơ sở đó, tiếp tục phát triển các kết quả từ các công trình khoa học của
nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã công bố về lĩnh vực nghiên cứu cảm biến
sinh – hóa dựa trên phần tử cảm biến như để xác định nồng độ Ammonia, CO2,
hydrogen trong khí, độ ẩm, độ pH, các phân tử ADN, proteins…cũng như trang
thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo
cảm biến quang trên cơ sở cấu trúc quang tử 1D” làm nội dung nghiên cứu trong
luận văn của mình.
2. Mục tiêu của luận văn
- Nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng
trên màng đa lớp Silic xốp để xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước.
- Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn
(Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi để xác định nồng độ Nitrate
trong môi trường nước.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về mặt thời gian, kinh phí nên luận văn giới hạn:
- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tinh thể quang tử
một chiều (1D) trên cơ sở buồng vi cộng hưởng trên màng đa lớp Silic xốp và cách
tử Bragg ăn mòn trên sợi quang ứng dụng trong chế tạo cảm biến quang.
2

- Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu trên lý
thuyết, sử dụng các chương trình mô phỏng và tiến hành thực nghiệm.
- Thời gian: Luận văn tiến hành từ tháng 11/2015 đến tháng 6/2017.
4. Nội dung nghiên cứu
a. Nghiên cứu, chế tạo cảm biến quang dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng.
- Xây dựng mô hình, quy trình chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa trên màng
đa lớp silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa.
- Sử dụng buồng vi cộng hưởng làm cảm biến quang phát hiện, xác định
nồng độ Nitrate trong môi trường nước.
b. Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn
(Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình laser sợi.
- Xây dựng mô hình và chế tạo cách tử Bragg trong sợi nhậy quang sử dụng trong
nghiên cứu phát triển cảm biến quang dựa trên cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG).
- Thiết kế, xây dựng cấu hình laser sợi, laser cộng hưởng vòng có cách tử
Bragg ăn mòn (Etched-FBG) để nâng cao độ nhạy của cảm biến quang và ứng dụng
trong phát hiện Nitrate trong môi trường nước.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp, nghiên cứu tài liệu và các mô hình lý thuyết.
- Thiết kế quy trình, mô hình thí nghiệm chế tạo buồng vi cộng hưởng dựa
trên màng đa lớp Silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa trong nghiên cứu
làm cảm biến quang. Đồng thời, xây dựng mô hình, chế tạo các cách tử Bragg trong
sợi nhạy quang sử dụng trong nghiên cứu phát triển cảm biến quang dựa trên cách
tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) và thiết kế, xây dựng cấu hình laser sợi, laser cộng
hưởng vòng có cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) để nâng cao độ nhạy của cảm
biến quang.
- Thực nghiệm các thí nghiệm phát hiện, xác định nồng độ Nitrate trong môi
trường nước sử dụng cảm biến quang làm từ buồng vi cộng hưởng trên màng đa lớp
Silic xốp và cảm biến quang dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG)
được tích hợp trong cấu hình laser sợi.
- Phân tích, đánh giá các dữ liệu thực nghiệm.
3

6. Ý nghĩa của luận văn
Luận văn được tiến hành với mục đích mang lại cái nhìn tổng quan về một số
loại cảm biến quang điển hình như cảm biến dựa trên buồng vi cộng hưởng chế tạo
từ màng đa lớp Silic xốp bằng phương pháp ăn mòn điện hóa, cảm biến sợi quang
dựa trên đầu dò cách tử Bragg ăn mòn (Etched-FBG) được tích hợp trong cấu hình
laser sợi. Luận văn cung cấp những hiểu biết cơ bản về thiết bị, quy trình chế tạo,
ăn mòn và xây dựng, thiết kế các cấu hình có liên quan, đồng thời tiến hành khảo
sát, đánh giá các kết quả thu được, các thông số kỹ thuật, các yếu tố có ảnh hưởng
đến độ nhạy của cảm biến và giới thiệu một số ứng dụng của cảm biến quang trên
thế giới và trong nước trong giai đoạn hiện nay. Tiếp tục kế thừa và phát triển từ các
kết quả đã được công bố trong nhiều công trình nghiên cứu, từ đó luận văn đề xuất
các hướng nghiên cứu tiếp theo trong thời gian tới như: tiến hành bọc các chất nhận
biết, đánh dấu sinh học bên ngoài phần cách tử đã được ăn mòn để tăng độ bền cơ
học mà không ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến, thiết kế, xây dựng các mô hình
buồng vi cộng hưởng mới để mở rộng dải đo và vùng giới hạn các chất đo được,…
7. Cấu trúc của luận văn
Nội dung của luận văn được kết cấu thành 4 chương chính như sau:
Chương 1. Tổng quan về cấu trúc tinh thể quang tử một chiều (1D) ứng
dụng trong lĩnh vực sinh - hóa
Chương 2. Một số phép đo thực nghiệm sử dụng cho cảm biến hóa - sinh
dựa trên cấu trúc quang tử 1D
Chương 3. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa trên tinh thể quang tử
một chiều (1D) trên cơ sở Silic xốp và cách tử Bragg trong sợi quang
Chương 4. Kết quả ứng dụng cảm biến sinh hóa trên cấu trúc tinh thể quang
tử một chiều (1D) vào xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước
4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D)
ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SINH - HÓA
Cấu trúc quang tử 1D là loại đơn giản nhất về cấu trúc không gian tuần hoàn
của các vật liệu điện môi có chiết suất khác nhau. Với những ưu điểm riêng như dễ
dàng chế tạo, có thể sử dụng để nghiên cứu một số khía cạnh của tinh thể quang tử
nhiều chiều hơn nên cấu trúc quang tử 1D đã và đang là đối tượng nghiên cứu được
các nhà khoa học quan tâm. Cấu trúc quang tử 1D không chỉ được tìm hiểu, phát
triển trên các loại vật liệu khác nhau mà còn có thể dẫn đến nhiều ứng dụng đầy
tiềm năng, đặc biệt là trong những ứng dụng, các linh kiện mà sự lan truyền hay bức
xạ của ánh sáng qua chúng không yêu cầu phải cấm về mọi hướng.
Trong chương này, chúng tôi trình bày khái lược về cấu trúc quang tử 1D nói
chung và tập trung vào cấu trúc quang tử 1D trên 2 loại vật liệu điển hình là sillic xốp
và sợi quang, đồng thời cũng giới thiệu những ứng dụng điển hình của từng loại.
1.1. Giới thiệu chung về cấu trúc tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D)
Tinh thể quang tử (PC) một chiều (1D) là loại đơn giản nhất của tinh thể
quang tử, có cấu trúc không gian tuần hoàn của các lớp vật liệu với hằng số điện
môi khác nhau, sắp xếp luân phiên nhau, có chiết suất thay đổi tuần hoàn trên một
hướng duy nhất, đồng nhất theo hai hướng còn lại và có thể so sánh được với bước
sóng trong vùng hoạt động của nó. Trong trường hợp đơn giản nhất, chỉ cần sử
dụng hai lớp vật liệu với hằng số điện môi khác nhau (hình 1.1).
Hình 1.1 Mô tả cấu trúc hình học các PC một chiều [1].
Thuật ngữ “một chiều” được sử dụng bởi vì giá trị của hàm điện môi εz chỉ
tuần hoàn theo trục z. Cấu trúc này gồm các lớp vật liệu có chiết suất khác nhau có
5

giá trị không đổi nằm xen kẽ nhau (màu xanh lá và xanh da trời) với chu kỳ không
gian là a. Mỗi lớp là đồng nhất và mở rộng vô hạn theo trục x và y, sự tuần hoàn
theo trục z cũng được mở rộng ra vô hạn [1].
Cấu trúc tuần hoàn về chiết suất theo 1 chiều duy nhất tạo ra cho các PCs 1D
những tính chất đặc biệt và có tiềm năng cao trong các ứng dụng điển hình, đã và
đang được sử dụng rộng rãi như: kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng với độ chính xác
cỡ bước sóng, chế tạo và nghiên cứu các tính chất quang của buồng vi cộng hưởng
laser phát bề mặt theo chiều thẳng đứng hay như việc tạo ra tinh thể quang tử 1D
được sử dụng như những DBR quang học, ống dẫn sóng, cảm biến sinh học…Với
một dải tần số nhất định thì những tinh thể này cũng cho thấy khả năng phản xạ với
hiệu quả cao và được dùng làm gương cách điện trong laser hoặc các kính lọc dải,
tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độ phản chiếu thấp hay
cao tuỳ ý, hay trong sơn đổi màu và in ấn bảo mật,…
1.2. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm
biến sinh - hóa
Vật liệu quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp có cấu trúc gồm các lớp Silic xốp
có chiết suất khác nhau, sắp xếp luân phiên, xen kẽ nhau trên phiến Silic. Khi các
lớp này được sắp xếp luân phiên, xen kẽ nhau một cách đều đặn sẽ tạo thành gương
phản xạ Bragg trên nền Silic xốp.
Trong tinh thể photonic, khi xuất hiện một biến động về cấu trúc (gọi là
khuyết tật trong cấu trúc tuần hoàn) sẽ dẫn đến sự xuất hiện các mức năng lượng
được phép trong vùng cấm quang hay xuất hiện những bước sóng được phép truyền
qua trong vùng các tần số bị cấm ở điều kiện bình thường, tương tự như trường hợp
khi thay đổi loại nguyên tử trong mạng tinh thể đối với các chất bán dẫn. Các
khuyết tật này đã được nghiên cứu để có thể đưa vào trong tinh thể PCs dưới nhiều
cách thức và số lượng khác nhau nhưng đơn giản nhất là cách tạo ra một khuyết tật
duy nhất trong cấu trúc tuần hoàn này. Điển hình như làm một lớp lỗ xốp khuyết tật
có độ dày khác biệt so với các lớp còn lại, khi đó xuất hiện một buồng vi cộng
hưởng được tạo thành xen giữa 2 gương phản xạ Bragg.
6

Các lớp Silic xốp có chiết suất khác nhau, sắp xếp xen kẽ nhau thực chất là
các lớp Silic có chứa nhiều mạng lưới các lỗ không khí nhỏ bên trong, được hình
thành khi chúng bị hòa tan không hoàn toàn. Hệ thống mạng lưới các lỗ không khí
này cho phép các chất lỏng, tế bào, phân tử,…dễ dàng thâm nhập vào sâu bên trong
và làm thay đổi chiết suất của các lỗ xốp, dẫn tới thay đổi của chiết suất hiệu dụng
đối với toàn khối Silic. Nói cách khác thì tính chất quang của nó cũng biến đổi theo
và giúp Silic xốp trở thành một loại vật liệu có khả năng kiểm soát và truyền thông
tin quang trên cơ sở tạo ra cấu trúc PC từ Silic. Ngoài ra, chiều dày của các lớp lỗ
xốp cũng như kích thước các lỗ xốp này có thể được thay đổi linh hoạt thông qua
việc điều khiển các thông số như: mật độ dòng điện, nồng độ chất ăn mòn HF, thời
gian ăn mòn,…Đây chính là cơ sở để tạo ra cấu trúc PC với sự tuần hoàn của các
lớp vật liệu có chiết suất khác nhau, sắp xếp luân phiên nhau.
Các cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên nền Silic xốp đã được sử dụng để chế
tạo gương phản xạ Braag (DBR - Distributed Bragg Reflector), buồng vi cộng
hưởng 1D (Microcavity),…Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị này đã
được trình bày rất cụ thể trong tài liệu tham khảo [1].
1.2.1. Phương pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D trên nền Silic xốp
Để chế tạo các tinh thể photonic có thể sử dụng một số phương pháp cơ bản
điển hình như: phương pháp lithography, phương pháp tự tập hợp đơn thể đồng
trùng hợp (block-copolymer self-assembly), khắc toàn ảnh (holographic
lithography), sự lắng đọng góc xiên (glancing angle deposition), phương pháp khắc
rãnh bằng chùm ion hội tụ (focused-ion-beam milling) và kéo tự động nano
(nanorobotic manipulation),...Các tinh thể chế tạo theo các phương pháp này cho
thấy cấu trúc có tính trật tự cao, kiểu mạng tinh thể và các khuyết tật đưa vào có thể
được kiểm soát và điều kiển một cách linh hoạt, nhưng đòi hỏi kỹ thuật, độ chính
xác rất cao, quy trình gồm nhiều bước phức tạp và phải sử dụng các thiết bị đắt tiền.
Hiện nay, phương pháp chế tạo tinh thể photonic 1D dựa trên màng Silic xốp
đa lớp chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa đang rất được quan tâm do có
quy trình chế tạo không quá phức tạp, không yêu cầu các thiết bị đắt tiền, giá thành
7

tương đối rẻ. Mặt khác, phương pháp này cho phép điều khiển tương đối chính xác
chiết suất và độ dày các lớp cũng như dễ dàng tạo ra các khuyết tật để tạo thành các
buồng vi cộng hưởng (microcavity), từ đó giúp tạo ra được PCs có cực đại phản xạ
ở bước sóng mong muốn và xa hơn là chế tạo các linh kiện quang tử. Các tinh thể
photonic 1D chế tạo bằng phương pháp này cũng cho thấy độ phản xạ rất cao
(thường trên 70%) nên chúng tôi quan tâm vào tìm hiểu, chế tạo các tinh thể
photonic 1D bằng phương pháp ăn mòn điện hóa Silic. Quá trình ăn mòn điện hoá
phiến Silic xốp và quá trình hình thành Silic xốp được trình bày chi tiết trong tài
liệu tham khảo [1].
1.2.2. Ứng dụng của cấu trúc quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp
1.2.2.1. Cảm biến sinh hóa
Cảm biến dựa trên cấu trúc buồng vi cộng hưởng làm bằng Silic xốp được
hình thành dựa trên sự thay đổi chiết suất phản xạ của Silic xốp khi các chất cần
phân tích thâm nhập vào bên trong hệ thống các lỗ xốp. Bản chất là sự chiếm chỗ và
thay thế không khí bên trong các lỗ xốp của các phần tử của chất cần phân tích dẫn
đến thay đổi chiết suất hiệu dụng của toàn khối Silic so với trạng thái ban đầu (khi
chưa cho tiếp với chất cần phân tích).
Hình 1.2 Hình ảnh mô phỏng sự hoạt động của cảm biến làm bằng Silic xốp[3].
Những cảm biến quang dựa trên buồng vi cộng hưởng làm bằng Silic xốp đa
lớp cho độ nhạy tốt hơn khi được chế tạo với một khe cộng hưởng hẹp ở giữa. Hiện
nay nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới cũng đang rất quan tâm nghiên cứu và áp
dụng phương pháp này.
8

Trong cảm biến pha lỏng dựa trên buồng vi cộng hưởng, ở trạng thái ban đầu
khi chưa tiếp xúc với các chất cần phân tích, hệ thống các lỗ xốp của cảm biến chứa
đầy không khí. Cấu trúc của Silic xốp được đơn giản hóa giống như một vật liệu
hỗn hợp của Silic và không khí. Vật liệu này là một môi trường không đồng nhất
gồm các lớp Silic xốp có chiết suất khác nhau, do tính chất định xứ và bề dày của
mỗi lớp có thể so sánh với bước sóng ánh sáng nên có thể coi vật liệu này như một
môi trường đồng nhất với một giá trị chiết suất gọi là chiết suất hiệu dụng.
Khi cảm biến được tiếp xúc với các chất lỏng cần phân tích thì xảy ra hiện
tượng hấp thụ các phần tử chất lỏng vào bên trong các lỗ xốp. Các phần tử này sẽ
chiếm chỗ và thay thế không khí bên trong các lỗ xốp dẫn đến thay đổi chiết suất
hiệu dụng của toàn khối Silic xốp hay nói cách khác là dẫn đến sự thay đổi phổ
phản xạ của cảm biến. Thông qua việc so sánh độ dịch bước sóng (Δλ) của phổ
phản xạ trước và sau khi tiếp xúc với chất cần phân tích của cảm biến ta có thể nhận
biết được từng chất khác nhau.
Chiết suất của Silic xốp (np.Si) cũng như mối quan hệ giữa chiết suất của Silic
xốp và độ xốp có thể tính toán được từ công thức Bruggerman[1].
(1 P)
n2  n 2
 P
n2  n2
 0
Si p . Si air p . Si
(1.1)
n 2
 2n 2 n 2
 n2
Si p . Si air p . Si
Trong đó: nSi là chiết suất của Silic, np.Si là chiết suất của Silic xốp, nair là
chiết suất của chất lấp đầy các lỗ xốp, P là độ xốp.
Độ dày của lớp chiết suất thấp (dL) và độ dày của lớp chiết suất cao (dH).có
thể tính được dựa vào công thức Bruggerman và công thức phản xạ Bragg:
nLdL=nHdH = (1.2)
Trong đó: nL là chiết suất của lớp chiết suất thấp, dL là độ dày của lớp chiết
suất thấp, nH là chiết suất của lớp chiết suất cao, dH là độ dày của lớp chiết suất cao.
Nếu gọi Δλ là khoảng dịch phổ theo bước sóng và Δn là sự thay đổi chiết
suất của môi trường thì tỷ số Δλ/Δn được định nghĩa là độ nhạy của một cảm biến
buồng cộng hưởng, cho biết sự thay đổi chiết suất cực tiểu mà thiết bị có thể đạt
được với độ dịch bước sóng nhất định. Độ nhạy của cảm biến dựa trên buồng vi
9

cộng hưởng chịu ảnh hưởng của nhiều tác nhân như: gương phản xạ Bragg, bước
sóng cộng hưởng, việc chức hóa bề mặt lên độ nhạy, độ dày lớp sai hỏng, cấu trúc
nano,…
1.2.2.2. Ống dẫn sóng
Kể từ lần đầu được công bố trong những năm 90 cho đến nay, đã có rất nhiều
công trình nghiên cứu được tiến hành về việc sử dụng Silic xốp như một ống dẫn sóng
quang cỡ trung bình [7,11,13] và phát triển các đặc tính cơ bản của chúng như các
mode, các mất mát quang cũng như tìm kiếm những ứng dụng mới của vật liệu này.
Trong khi ống dẫn sóng thông thường dựa trên nguyên hiện tượng phản xạ
toàn phần thì cơ chế dẫn sóng của ống dẫn sóng dựa trên màng Silic xốp đa lớp lại
hoàn toàn khác: các chất lỏng, phân tử thâm nhập vào bên trong các lỗ xốp làm thay
đổi chiết suất hiệu dụng của toàn khối, từ đó làm dịch chuyển pha và thay đổi
cường độ ánh sáng dẫn. Điều này giúp giam giữ, điều khiển, dẫn truyền quang một
cách chọn lọc và cho phép sử dụng các ống dẫn sóng Silic xốp như những cảm biến.
1.2.2.3. Những ứng dụng khác
Trong thực tế, vật liệu quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp còn được sử dụng để
chế tạo các thiết bị quang điện như: điốt phát quang, laser phun,..hay được dùng
như những các DBR quang học, cảm biến phân cực ánh sáng, là thành phần của
laser [9] nhờ có cấu trúc khác biệt mà buồng vi cộng hưởng có khả năng nâng cao
công suất phát xạ quang của Silic xốp nên tạo thuận lợi cho các nghiên cứu về
quang huỳnh quang, điện huỳnh quang. Ngoài ra vật liệu này cũng được nghiên cứu
như một lớp phủ chống phản xạ trong các pin mặt trời.
1.3. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang
(FBG) ứng dụng trong cảm biến sinh hóa
1.3.1. Cách tử Bragg trong sợi quang
Sự phát minh ra cách tử Bragg đánh dấu bước phát triển lớn trong lĩnh vực
thông tin quang với những ưu điểm nổi trội và các ứng dụng điển hình của chúng
như: bộ tách/ghép quang, bù tán sắc tích luỹ trong các hệ thống và nhất là trong lĩnh
vực cảm biến.
10

Hình 1.3 Cấu tạo cách tử Bragg và phân bố chiết suất của nó với n1 là
chiết suất vỏ, n2 là chiết suất lõi cách tử [2].
FBG là sợi quang đơn mode có chỉ số chiết suất của lõi sợi thay đổi một cách
tuần hoàn dọc theo chiều dài của sợi như hình 1.3 và thông thường chỉ dài vài cm.
1.3.1.1. Điều kiện bước sóng Bragg
Cách tử Bragg trong sợi quang (FBG: Fiber Bragg Grating) là một bộ lọc
phổ hẹp dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg.
Từ điều kiện phản xạ Bragg kết hợp với định luật bảo năng lượng và định
luật bảo toàn xung lượng (được trình bày chi tiết trong tài liệu tham khảo [2]) ta thu
được điều kiện bước sóng Bragg có dạng:
B 2neff (1.3)
Với neff là chỉ số khúc xạ hiệu dụng của môi trường tại bước sóng Bragg bị
phản xạB , là chu kỳ cách tử (từ 223nm đến 535nm).
1.3.1.2. Nguyên lý hoạt động
Nếu sóng tới và sóng tán xạ chuyển dịch theo hướng ngược lại với hằng số
truyền dẫn khác nhau cùng thoả mãn điều kiện cân bằng pha Bragg thì tại cùng
bước sóng, năng lượng từ sóng này được ghép sang với sóng kia.
Gọi neff là chỉ số khúc xạ hiệu dụng của sợi quang (vật làm cách tử Bragg),
 là chu kỳ cách tử, λ0 là bước sóng của sóng đến thì sóng được phản xạ nếu thỏa
mãn điều kiện:
0 2neff (1.4)
Khi đó bước sóng đến được gọi là bước sóng Bragg. Nếu bước sóng của
sóng đến khác với bước sóng Bragg thì hiệu suất phản xạ giảm rõ rệt, chúng được
11

truyền qua mà không bị tổn hao hoặc tổn hao rất ít, trong khi các bước sóng được
truyền vào trùng với bước sóng Bragg lại được phản xạ gần như hoàn toàn.
Hình 1.4 cho thấy sự thay đổi tuần hoàn về chiết suất của FBG và sự phản xạ
của sóng đến qua mỗi chu kì cách tử được cộng pha khi thoả mãn điều kiện Bragg.
Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg [14].
1.3.1.3. Dạng phổ phản xạ của cách tử Bragg
Khi tín hiệu được truyền vào FBG thì chỉ có các sóng tới thỏa mãn điều kiện
bước sóng Bragg bị phản xạ lại gần như hoàn toàn trong khi các bước sóng khác
được truyền qua mà không bị tổn hao, điều này có thể được thấy rõ qua hình 1.5.
Hình 1.5 Dạng phổ của tín hiệu vào (a), sau khi đi qua (b) và phản xạ (c)
của sợi cách tử Bragg [2].
Hình 1.5.a là hình phổ được truyền trong sợi quang, hình 1.5.b là phổ tín
hiệu được truyền qua đã bị mất một đoạn tín hiệu, đoạn này chính là tín hiệu đã
được phản xạ. Hình 1.5.c là phổ tín hiệu phản xạ trở lại sợi, phổ này bằng phổ tín
hiệu mất đi của phổ truyền qua. Cường độ của tín hiệu được phản xạ khi qua cách
tử phụ thuộc vào chiều dài cách tử, độ chính xác của cách tử.
12

1.3.2. Các phương pháp chế tạo FBG
Nguyên lý chế tạo FBG: cấu trúc và chiết suất của lõi sợi sẽ bị thay đổi khi
được chiếu chùm tử ngoại có năng lượng đủ lớn. Sự thay đổi này là tuần hoàn dọc
theo chiều dài sợi do có sự giao thoa của hai chùm tia UV được biểu diễn như hình
1.7, trong đó sự thay đổi tuần hoàn về chiết suất được chú trọng nghiên cứu.
Để tăng độ nhạy sáng cho sợi quang, người ta thường pha thêm các vật liệu
nhạy quang như Erbium (Er), Gecmani (Ge),…điển hình như GeO2 vào lõi SiO2 của
sợi quang với tỷ lệ từ 14% đến 20% (nếu pha tạp ở nồng độ thấp hơn sẽ không thể
thu được FBG [13]) và sử dụng ánh sáng chiếu là chùm UV có bước sóng 248nm.
Hình 1.6 Cấu trúc GeO2 trong lõi sợi quang [2].
Hình 1.7 Sự giao thoa của hai chùm tia UV để tạo FBG [2].
Cấu trúc của GeO2 tại một vị trí nào đó trên sợi sẽ bị phá vỡ khi được chiếu
chùm UV, khi đó liên kết giữa Gemani và Oxi bị bẻ gãy, có sự thay đổi về các lực
tác dụng lên nguyên tử Oxi khiến chúng bị trượt đi và có sự thay đổi vị trí so với
ban đầu. Vì vậy chiết suất của sợi tại vị trí đó bị thay đổi trong khi các khi vực lân
cận không bị chiếu tia UV thì chiết suất vẫn giữ nguyên. Đây là cơ sở để có thể tạo
được chiết suất khác nhau ở từng đoạn trong lõi sợi hay tạo được cấu trúc của FBG:
13

nơi có cường độ UV lớn thì chiết suất tăng, nơi có cường độ UV thấp hay không bị
chiếu UV thì giữ nguyên chiết suất.
Các bước để chế tạo cách tử:
- Bước 1: Loại bỏ lớp bọc (cladding) của sợi quang bằng phương pháp cơ
học, sử dụng dụng cụ gọt sợi quang trong phòng sạch, làm sạch sợi sau khi gọt bằng
giấy lau chuyên dụng và thực hiện chiếu chùm tia UV lên sợi.
- Bước 2: Tạo cách tử trên sợi: đặt sợi chính xác vào vị trí giao thoa của hai
chùm tia UV có bước sóng 248 nm.
Có rất nhiều phương pháp chế tạo cách tử điển hình như: phương pháp chế
tạo sử dụng bộ chia chùm tia, phương pháp chế tạo qua Phase Mask, phương pháp
chế tạo bằng hệ giao thoa kế,…được trình bày chi tiết trong tài liệu tham khảo [2].
1.3.3. Ứng dụng của cấu trúc tinh thể quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg
trong sợi quang (FBG)
1.3.3.1. Ứng dụng trong thông tin quang
Các đặc điểm về độ nhạy quang và khả năng tương thích vốn có của sợi quang
đã cho phép chế tạo rất nhiều loại FBG khác nhau. Hiện nay, các FBG có rất nhiều ứng
dụng trong các hệ thống cảm biến và truyền dẫn quang. Một trong những ví dụ điển
hình có thể kể tới về ứng dụng của loại thiết bị này là DBR chọn bước sóng rất hẹp
dùng cho mạch khuếch đại quang EDFA (Erbium - Doped Fiber Amplifier). Hầu hết
các cách tử FBG hiện nay được chú trọng tập trung phát triển các ứng dụng trong hệ
thống thông tin quang như là bộ lọc, bù tán sắc, bộ lọc khuếch đại quang học,…liên
quan đến truyền dẫn quang như chuyển mạch quang, xử lý tín hiệu quang,...
a) FBG được sử dụng trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng
Ban đầu, từ nguồn phổ rộng người ta tách ra từng các bước sóng cần thiết
bằng cách sử dụng các FBG tương ứng, các sóng này phản xạ qua Coupler và đi tới
đầu thu. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ta có thể lựa chọn một hay nhiều bước
sóng phản xạ. Với độ rộng phổ khoảng 0,2 nm các bước sóng phản xạ có độ đơn sắc
cao và dễ dàng ghép kênh vào đường truyền sợi quang.
b) FBG được sử dụng trong để bù tán sắc trong mạng thông tin quang
14

Tán sắc sợi quang đơn mode ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng của mạng
thông tin quang tốc độ cao sử dụng ánh sáng vùng cửa sổ bước sóng 1550 nm. Nó
làm tăng tỉ lệ lỗi byte, giới hạn tốc độ hoặc khoảng cách truyền của mạng.
1.3.3.2. Ứng dụng trong cảm biến quang sợi
FBG sở hữu nhiều ưu điểm nổi trội như: khả năng tách bước sóng với độ
chính xác cao (± 0,05 nm là dễ dàng đạt được), có thể được chế tạo với sự mất mát
vô cùng thấp (tại bước sóng 1550 nm có suy hao thấp nhất 0,2 dB), ổn định trong
quá trình sử dụng và có hiệu suất cao (phản xạ gần như 100% ánh sáng tới), kích
thước nhỏ gọn, dễ sử dụng/ gỡ bỏ khi cần thiết và không chịu ảnh hưởng của nhiễu
điện từ trường nên FBG được ứng dụng rất nhiều trong nghiên cứu, chế tạo các
dạng cảm biến khác nhau, đặc biệt là trong mạng thông tin ở những nơi có điện từ
trường mạnh như tại các nhà máy điện.
a. Nguyên tắc cấu tạo của cảm biến sợi quang
Cấu trúc chung của một hệ thống cảm biến sợi quang học bao gồm:
+ Một nguồn quang (optical source): laser, LED, laser diode,...
+ Đầu dò quang (Detector optic) và thiết bị điện tử xử lý (electronic
processing) như máy dao động kí, máy phân tích phổ quang học.
+ Cảm biến hoặc phần tử điều biến (sensor or modolator element): gồm bộ
chuyển đổi (transducer) và vùng đo (measurand) là bộ phận có nhiệm vụ chuyển đổi
tín hiệu thu vào.
+ Sợi quang (optic fiber)
b. Độ nhạy của cảm biến quang tử 1D trên sợi quang
Độ nhạy của cảm biến loại này phụ thuộc vào sự thay đổi của chiết suất neff
cho chế độ ống dẫn sóng, nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi chiết suất của
dung dịch. Sự thay đổi của chiết suất có thể bắt nguồn từ lý thuyết nhiễu loạn cho
khu vực đặc trưng của sợi quang [20]. Hệ số truyền nhiễu loạn của chế độ truyền
sóng cơ bản được xác định bằng:
Β = β0 + kηp( n0 – neff) (1.5)
15

Vị trí có β0 = (2π/λ)neff hằng số lan truyền của chế độ ống dẫn sóng của sợi
quang không xáo trộn với k=2π/λ, nơi mà λ nhận giá trị tự do trong khoảng bước
sóng. Chiết suất của môi trưởng bên ngoài lớp vỏ được đặt là n0 và chiết suất lớp vỏ
bọc sợi là neff. Hệ số np là tỷ số giữa tổng năng lượng của chế độ không xáo trộn với
toàn bộ khu vực được lựa chọn Ap của sự nhiễu loạn và được xác định:
n 
 A
p 2
dA
(1.6)
p A

2
dA
Sự thay đổi của chiết suất sẽ lớn hơn giá trị np, khi đó hệ số chịu ảnh hưởng
của độ nhạy của cảm biến chiết suất được áp dụng cho sự giám sát sự thay đổi của
chỉ số hiệu dụng của chế độ ống dẫn sóng.
Độ nhạy áp dụng cho dung dịch với chỉ số chiết suất trong khoảng giá trị gần
với chiết suất của lớp vỏ sợi quang. Nếu sự khác biệt về chỉ số chiết suất giữa lớp
vỏ và dung dịch cần xác định trở nên lớn hơn thì chế độ truyền dẫn sẽ bị hạn chế
với lớp lõi và np sẽ giảm, cũng như độ nhạy của cảm biến cũng sẽ giảm [14].
Cách tử Bragg trong sợi quang dựa trên độ nhạy về chiết suất và chu kì cách
tử, hiện nay đã được nghiên cứu và áp dụng làm cảm biến nhiệt độ, cảm biến dung
dịch và cảm biến sức căng.
c. Một số loại cảm biến quang tử 1D trên sợi
quang - Cảm biến FBG nhạy với sức căng
Với: N là số chu kì của cách tử Bragg, là phần trăm dãn nở dài, pe hằng số
đàn hồi quang hiệu dụng thì sự cảm biến FBG do sức căng của sự kéo dãn sợi [14]:

n
eff  B  1
n
eff 1 
B

  n
eff

L =>  
.  . 
L (1.7)
 2
  

L B L 
 L 
n
eff L
 1
n
eff 1  1 
L
1
Ta được: B
1 pe  khi đặt: .  pe với .  .
N
 (1.8)
B
n
eff L  L  L L
- Cảm biến FBG nhạy với nhiệt độ
Đặt 1 .
n
eff
là hệ số nhiệt quang và 
1.  là hệ số giãn nở nhiệt thì từ
n
eff T  T

n
eff  B  1
n
eff 1 
phương trình:B

  n
eff

T =>  
 .  . T (1.9)
 2
  

T B T 
 T 
n
eff T
16

thì cảm biến FBG nhạy với nhiệt độ [5] được cho bởi phương trình:
B T (1.10)
B
Sự thay đổi nhiệt độ có thể dịch bước sóng Bragg 45 nm tính toán được là
khoảng 3446 K đối với sợi quang Silic có hệ số giãn nở nhiệt và hệ số nhiệt quang
giống nhau. Tuy nhiên ở nhiệt độ 500K thì lớp vỏ sợi quang đã bị hỏng và làm giảm
hiệu suất phản xạ hoặc phá hủy sợi quang nên không thể thực hiện được sự thay đổi
nhiệt độ này.
- Cảm biến FBG đo nồng độ dung môi dựa vào sự thay đổi chiết suất
Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang tử 1D trên sợi quang dựa trên sự
phụ thuộc vào buồng cộng hưởng Bragg theo chiết suất hiệu dụng và bề mặt ăn
mòn. Đối với sợi quang tiêu chuẩn, chiết suất hiệu dụng không chịu ảnh hưởng của
các yếu tố bên ngoài. Do đó không nhạy với chiết suất của môi trường xung quanh
(SRI). Quá trình truyền sáng theo nguyên lý phản xạ toàn phần trong sợi quang với
cấu trúc của sợi quang có lớp vỏ và lớp lõi, trong đó lớp vỏ có môi trường chiết suất
nhỏ hơn môi trường chiết suất của lớp lõi, làm nảy sinh ra trường Evanescent giữa
mặt tiếp xúc vỏ-lõi sợi quang được biểu thị trên hình 1.8 với độ đâm xuyên của
trường này ra lớp vỏ là dp được xác định theo (1.11):
d p

0 1 (1.11)
2
n
core
.sin
2
(
i
)
 n
clad
Chiết suất vỏ
Trường Evanescent dp
Ánh sáng tới Ánh sáng phản xạ
Biến thiên
Chiết suất lõi
cường độ điện trường
Hình 1.8 Trường evanescent trong mặt tiếp xúc giữa lõi-vỏ sợi quang[16].
Ăn mòn sợi quang tại vị trí cách tử Bragg khiến cho trường Evanescent của
chế độ ống dẫn sóng tương tác với môi trường được nhúng chìm sợi quang. Khi
cách tử được nhúng chìm trong một chất lỏng nào đó, bước sóng phản ứng thu được
của cách tử Bragg chịu ảnh hưởng của chiết suất dung dịch cần xác định.
17

Bước sóng phản ứng của cảm biến được xác định từ công thức:
λB=2neffΛ (1.12)
Trong đó: Λ là chu kì cách tử, λB là bước sóng phản xạ Bragg, neff là chiết
suất hiệu dụng của sợi.
Tính vật lý của hiện tượng này được giải thích bằng việc áp dụng các
phương trình Maxwell lên mặt tiếp xúc giữa hai lớp điện môi. Mô hình hóa sự biến
đổi bước sóng cách tử trong quá trình ăn mòn lớp vỏ của FBG chính là quá trình
biến đổi của trường Evanescent gây ra sự biến đổi chiết suất hiệu dụng của FBG khi
ăn mòn lớp vỏ sợi. Việc mô hình hóa này, sẽ giúp phần chế tạo thành công các phần
tử cảm biến FBG có độ nhạy tối ưu trong lĩnh vực Hóa-Sinh [8].
Sau khi FBG được loại bỏ lớp vỏ và chỉ còn lõi sợi chứa cách tử, chiết suất
lõi không đổi, nhưng lúc này chiết suất hiệu dụng ( ne ff ) bị ảnh hưởng bới chiết suất
môi trường xung quanh ( nambrient ) do bán kính sợi bị suy giảm. Có thể tính được ne ff
từ nambrient . Khi ta đưa FBG vào một dung dịch, pha hơi hay pha khí bất kì ta có
công thức [12]:
nambrientk n1
2
1 kn2
2
1 / 2
(1.13)
Với chất tan chiết suất n1 , dung môi chiết suất n2 , k là tỉ số mol chất tan
trên dung dịch (khí) - k tỉ lệ căn bậc 2 của nambrient .
Nghĩa là sau khi loại bỏ lớp vỏ của FBG lúc này sợi rất nhạy với môi trường
xung quanh. Ta đưa FBG đó vào các môi trường có chiết suất khác nhau ta sẽ thu
được sự dịch chuyển của đỉnh phổ - bước sóng phản xạ Bragg. Từ hai công thức
trên, sự dịch chuyển của bước sóng phản xạ cách tử Bragg tỉ lệ thuận và tuyến tính
với chiết suất môi trường xung quanh sợi [12]. Từ đó ta xác định được sự hiện diện
của chất đó trong khí hay dung dịch.
Bên cạnh đó chiết suất xung quanh thay đổi khi hệ số k thay đổi, k có thể
thay đổi được khi ta thay đổi số mol chất dựa trên các công thức:
- Tính mol theo khối lượng: n= m/M với m là khối lượng chất, M là khối
lượng mol chất.
18

- Tính mol theo thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn: n = V/22,4= pV/RT với V
là thể tích khí, p là áp suất khí, R là hằng số chất khí, T nhiệt độ Kelvin.
- Tính nồng độ dung dịch: theo nồng độ mol bằng mol trên thể tích dung dịch
(Cm = n/V) hay theo nồng độ phần trăm bằng khối lượng chất tan trên khối lượng
dung dịch C%=mct / mdd.100% . Từ đây ta thấy có thể thay đổi chiết suất môi
trường xung quanh bằng việc thay đổi số mol hay thay đổi nồng độ chất theo tỉ lệ
khối lượng.
Như vậy, để tạo cảm biến dựa trên chiết suất của FBG ta bóc lớp vỏ khiến
FBG nhạy với sự thay đổi chiết suất môi trường xung quanh sợi. Việc mất lớp vỏ
dẫn đến chiết suất hiệu dụng của lõi bị ảnh hưởng đáng kể bởi chiết suất môi trường
xung quanh ở bên ngoài. Kết quả là sự thay đổi bước sóng phản xạ của FBG gây ra
bởi sự thay đổi môi trường xung quanh nó hoặc bởi sự thay đổi nồng độ dung môi
xung quanh nó. Mà sự dịch chuyển của bước sóng phản xạ cách tử Bragg tỉ lệ tuyến
tính với chiết suất môi trường xung quanh FBG. Từ đó ta xác định được sự hiện
diện của chất hay xác định được nồng độ của nó trong dung dịch.
1.4. Tính cấp thiết của việc xác định nồng độ Nitrate trong môi trường nước
Trong chương này chúng tôi đã bàn luận đến cấu trúc quang tử 1D trên cơ sở Silic
xốp và cách tử Bragg trong sợi quang, đồng thời cũng giới thiệu một số ứng dụng quan
trọng mà tiêu biểu là chế tạo cảm biến sinh - hóa. Các cảm biến này giúp phát hiện và
xác định chính xác nồng độ của các chất hóa học/ chất gây hại (đặc biệt là ở cỡ ppm/
ppb) xuất hiện trong các môi trường, tạo cơ sở để đánh giá, xây dựng các biện pháp hạn
chế tác động của môi trường đó tới sức khỏe con người đặc biệt là khi nồng độ các chất
hóa học được xác định là vượt ngưỡng giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn của Tổ chức
Y tế thế giới (WHO). Ví dụ điển hình là việc xác định nồng độ Nitrate trong môi
trường nước trong giai đoạn hiện nay khi mà việc phát triển nguồn cung cấp nước uống
một cách thường xuyên là một nhiệm vụ khá khó khăn. Các nhóm nitrogen (nitrates
NO3) là nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước trên bề mặt và
không khí. Nitrate là hợp chất vô cơ và chất dẫn xuất của nó là nitrite hiện diện trong
nguồn nước, các loại rau, củ, quả và dưới dạng hóa chất bảo quản thực phẩm. Các
nhóm nitrogen trong nước có thể tồn tại dưới nhiều dạng hóa học khác nhau như
nitrites, nitrates, amonia,...Nitrate không trực
19

tiếp gây độc cho người nhưng trong điều kiện tự nhiên nitrate bị vi khuẩn trong môi
trường tác động, khi đó các nhóm nitrogen kết hợp với oxy trong môi trường thì
chúng tồn tại dưới các dạng chính là nitrites và nitrates. Phản ứng tiếp theo của
nitrit với amin thứ cấp hoặc bậc ba trong cơ thể có thể dẫn đến sự hình thành N-
nitrosamines gây ung thư. Hơn nữa, chất nitrite oxit sắt đẩy nhanh quá trình hình
thành methmoglobin trong các tế bào hồng cầu, cản trở quá trình vận chuyển oxi
của hemoglobin, gây ra hội chứng thiếu oxy ở các mô, cơ quan, với triệu chứng da
xanh tím, khó thở, co giật, thậm chí tử vong. Ở người trưởng thành do có men khử
nitrate nên có thể kích hoạt quá trình phân giải nitrate - nitrite; ngược lại ở trẻ em do
hệ thống tiêu hóa có độ pH cao nên chưa hình thành men khử này. Chính vì vậy trẻ
em dưới 12 tháng tuổi, đặc biệt dưới 6 tháng tuổi, nếu dùng nguồn nước hoặc rau
quả nghiền có hàm lượng nitrate cao dễ bị ngộ độc.
Nhiều phương pháp khác nhau như: hóa học, điện hóa và quang phổ được
nghiên cứu sử dụng để xác định nồng độ Nitrate. Trong luận văn này, chúng tôi
trình bày một phương pháp đơn giản bằng cách sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử
một chiều (1D) trên cơ sở Silic xốp và cách tử Bragg trong sợi quang để xác định
nồng độ nitrates thấp trong nước, đặc biệt là trong khoảng ppm.
20

Chương 2
MỘT SỐ PHÉP ĐO THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG CHO
CẢM BIẾN SINH - HÓA DỰA TRÊN CẤU TRÚC QUANG TỬ 1D
2.1. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể
quang tử 1D trên cơ sở Silic xốp ứng dụng trong cảm biến hóa- sinh
Đối với tinh thể photonic 1D dựa trên màng Silic xốp đa lớp, để kiểm tra cấu
trúc của các lỗ xốp, bề dày tổng thể của mẫu chế tạo được cũng như bề dày của từng
lớp để từ đó có thể tính toán sơ bộ cực đại của phổ phản xạ, chúng tôi sử dụng các
phép đo phổ phản xạ bằng máy CARRY 5000 cùng các kỹ thuật SEM, FE-SEM.
Đồng thời, chúng tôi cũng mô tả chi tiết hệ thiết bị cảm biến quang tử nano sử dụng
để đo nồng độ Nitrate trong môi trường nước với phương pháp đo sử dụng cảm biến
pha lỏng.
2.1.1. Các phép đo phổ phản xạ bằng máy CARRY 5000 (UV-VIS-NIR
Spectrophotometer Cary 5000)
2.1.1.1. Nguyên lý hoạt động
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ quang học máy quang phổ UV/VIS/NIA Carry 5000[1].
Hệ số phản xạ được định nghĩa là tỷ số R() = I()/I0() với I0() là cường độ
bức xạ đơn sắc tới mặt mẫu opal và cường độ ánh sáng phản xạ trên mặt mẫu I()
với I() < I0().
21

Cấu tạo và nguyên lý hệ quang học của Carry 5000 được mô tả như hình 2.1.
Hệ máy cho phép thực hiện các phép đo của mẫu trên một dải bước sóng từ 200 nm
đến 3000 nm bao gồm: phổ truyền qua, phổ hấp thụ và phổ phản xạ. Đèn deuterium
(D2) phát các bức xạ trong vùng UV (từ 200 nm đến 350 nm) và đèn halogen W1
phát các bức xạ trong vùng VIS/NIR (từ 330 nm đến 3000 nm) là nguồn cấp sáng
chính cho hệ. Ánh sáng phát ra từ nguồn được hội tụ và đi vào máy đơn sắc G1,
được tán sắc bởi cách tử trong G1 và hội tụ trên khe lối ra S2 là chùm ánh sáng đơn
sắc. Nhờ một gương hình quạt M8 chùm sáng được tách thành một chùm truyền đến
mẫu cần đo (Sam) và chùm kia đến mẫu so sánh (Ref). Nhờ hệ thống các gương
phản xạ mà detector PM (thu tín hiệu trong vùng UV/VIS) hoặc detector PbS (thu
tín hiệu trong vùng NIR) thu nhận các chùm phản xạ trên mẫu cần đo và mẫu so
sánh chiếu đến. Thiết bị cũng bao gồm hệ thống điện và điện tử giúp chuyển tín
hiệu quang từ detector thành tín hiệu điện và tín hiệu số được xử lý bằng phần mềm
tương thích trên máy tính sau đó hiển thị dưới dạng phổ trên màn hình máy tính.
2.1.1.2. Phổ kế vùng tử ngoại-nhìn thấy-hồng ngoại Cary5000 (UV-VIS-NIR
Spectrophotometer Cary 5000)
Máy quang phổ UV/VIS/NIR Carry 5000 của Phòng thí nghiệm trọng điểm,
Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (hình
2.2) hoạt động theo nguyên tắc so sánh hai chùm tia cho phép thực hiện các phép đo
đối với các loại mẫu trong vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần bao gồm:
mẫu lỏng có dung tích dung dịch và dung môi lớn hơn 100 ml (phổ hấp thụ, truyền
qua), mẫu rắn dạng khối có bề mặt mẫu đo phải nhẵn và mẫu màng (phổ hấp thụ,
truyền qua và phản xạ), mẫu bột được nghiền nhỏ, có khối lượng lớn hơn 1g. (phổ
phản xạ). Thiết bị đồng thời cũng cho biết chiết suất hoặc độ dày của mẫu màng.
Thiết bị cho phép thực hiện các phép đo trong dải bước sóng từ 175 nm đến
3300 nm với tốc độ quét: 0.004 - 2000 nm/phút và sử dụng phần mềm: Carry
WinUV version 3.0.
22

Hình 2.2 UV-VIS-NIR Spectrophotometer (Carry 5000)[1].
Khi sử dụng ánh sáng phản xạ từ gương phẳng có tráng một màng nhôm mỏng
có tác dụng như một vật so sánh thì thiết bị phản xạ gương SLM-736 của Carry
5000 có khả năng đo hệ số phản xạ tương đối của mẫu tại một góc tới cố định là 50
với các chùm song song là các chùm ánh sáng chiếu tới mẫu cần đo và vật so sánh.
Vết ánh sáng chiếu tới bề mặt mẫu dạng hình chữ nhật có thể có diện tích cực đại
~3x5 mm2
và bằng cách điều chỉnh các khe sáng có thể thu hẹp diện tích này.
Detector đồng thời tiếp nhận các chùm sáng phản xạ trên mẫu cần đo và trên vật và
cho phép thu nhận trực tiếp tỷ lệ I/Iref nhằm đảm bảo cả cường độ I và Iref được ghi
trong cùng một điều kiện đo (I là cường độ chùm bức xạ thu được từ mẫu cần đo và
Iref. là cường độ chùm bức xạ thu được từ mẫu so sánh).
2.1.2. Hệ thiết bị cảm biến quang tử nano
Đây là hệ thiết bị cảm biến quang tử đo dung môi hoặc dung môi hữu cơ sử
dụng phương pháp vật lý để xác định thành phần các chất dung môi hữu cơ hòa tan
với nồng độ thấp có trong môi trường nước thuộc đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm
biến quang tử nano ứng dụng xác định nồng độ chất hữu cơ (dung môi, atrazine)
trong môi trường lỏng”, mã số: VAST 03.06/15-16 do Ths Nguyễn Thúy Vân –
Viện khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chủ
trì năm 2015 – 2016.
2.1.2.1. Giới thiệu về hệ thiết bị
Các mẫu dung môi hoặc dung môi hữu cơ được nhỏ lên bề mặt cảm biến quang tử
kiểu cấu trúc vi cộng hưởng quang học được đặt trong buồng đo, sẽ làm thay đổi bước
sóng cộng hưởng của cảm biến. Bộ phận chiếu sáng dùng đèn Halogen của hãng Ocean
Optics chiếu vào cảm biến quang tử và ánh sáng phản xạ từ cảm biến sẽ
23

được phân tích bằng thiết bị đo phổ quang là USB 4000. Độ nhạy và giới hạn phát
hiện của thiết bị cảm biến phụ thuộc chủ yếu vào độ phân giải phổ của cảm biến và
của thiết bị đo phổ. Dưới sự đồng ý của chủ nhiệm đề tài VAST 03.06/15-16 cùng
nhóm nghiên cứu, chúng tôi đã tiến hành xác định thực nghiệm với mô hình thiết bị
cảm biến quang tử này để xác định thành phần Nitrate có các nồng độ khác nhau
trong môi trường nước với các mẫu được tạo ra trong phòng thí nghiệm và cho kết
quả khả quan. Cấu tạo của hệ thiết bị được mô tả ngắn gọn kèm theo một số hình
ảnh trích lược từ trong nội dung bản thiết kế của thiết bị.
2.1.2.2 Mô tảchi tiết hệ thiết bị
Hình 2.3 trình bày sơ đồ của khối nguồn phát sáng. Đèn halogen (HL-2000-
LL, Tungsten Halogen Source, 360 – 2000 nm, 10.000 hrs, 2800 k) cónhiêṃ vu ̣taọ
nguồn sáng cóbước sóng từ 360- 2000 nm và được kết nối với đầu connector để dẫn
ánh sáng chiếu tới bề mặt của cảm biến.
Hình 2.3 Sơ đồ khối nguồn phát sáng.
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của khối máy đo phổ quang.
Hình 2.4 là sơ đồ nguyên lý của khối máy đo phổ quang được nối với cảm
biến bằng sợi dẫn quang. Khối máy đo phổquang cónhiêṃ vu ̣thu nhâṇ ánh sáng
phản xạ từ cảm biến quang tử vi cộng hưởng, phân tích phổ của ánh sáng thu được
từ cảm biến quang tử khi có hoặc không có các chất hữu cơ cần đo trong môi
trường. Phổ chuẩn ban đầu của cảm biến là bước sóng cộng hưởng của cảm biến
trong môi trường không khí hoặc trong môi trường nước sạch (nước khử ion). Khối
24

máy đo phổ quang bao gồm: máy đo phổquang códải phổ bước sóng đo được từ 200
nm đến 1100 nm, đô ̣phân giải phổ 0,1 nm; bô ̣truyền dẫn và ghép/tách quang sử
dụng sợi dẫn quang cónhiêṃ vu ̣truyền ánh sáng từ nguồn phát quang đến cảm biến
quang tử và đồng thời thu nhâṇ tiń hiêụ ánh sáng phản xa ̣từ cảm biến quang tử và
truyền ánh sáng này đến máy đo phổquang.
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của khối chứa cảm biến.
Hình 2.5 là sơ đồ nguyên lý của khối chứa cảm biến. Dung môi hữu cơ cần
xác định được nhỏ vào sẽ tác động lên cảm biến quang tử được đặt trong hộp kín có
gá. Bô ̣gá cố đinḥ được gắn trên mặt chân đế có nhiệm vụ gá giữ cố định đầu
connector. Toàn bộ hệ được cố định bởi chân đế.
Hình 2.6 Hệ thiết bị cảm biến quang tử và mặt trước của hệ thiết bị.
2.2. Các phép đo thực nghiệm sử dụng trong thực nghiệm chế tạo tinh thể
quang tử 1D trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng trong cảm
biến hóa - sinh.
Đối với tinh thể photonic 1D dựa trên cơ sở cách tử Bragg trong sợi quang,
ngoài việc kiểm tra hình thái bề mặt sợi cách tử, đường kính tổng thể của sợi sau khi ăn
mòn bằng kỹ thuật SEM, chúng tôi còn sử dụng phương pháp đo phổ phản xạ và
25

phổ truyền qua để từ đó có thể điều khiển quá trình ăn mòn sợi một cách liên tục và
chính xác.
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái
Kính hiển vi điện tử là một thiết bị phân tích hiệu quả và chính xác được
dùng để nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc của vật liệu trong các ngành khoa học
vật liệu, hóa học, sinh học...Cho đến nay, kính hiển vi điện tử quét (SEM –
Scanning Electron Microscope) là loại thiết bị phổ biến nhất bởi SEM cho ảnh có
độ phân giải, độ tương phản cao, dễ phân tích, đồng thời có thể sử dụng để phân
tích thành phần nguyên tố của vật liệu.
Bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu kính hiển vi
điện tử quét có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật thông qua
việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề
mặt mẫu vật. Chùm điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ
nhiệt, hay phát xạ trường...) trong SEM được tăng tốc với thế tăng tốc thường chỉ từ
10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ nên việc hội tụ các chùm điện tử có
bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Nhờ hệ thống
thấu kính từ mà điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp
(cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét
tĩnh điện, chùm tia electron xuyên qua mẫu, mà quét trên bề mặt mẫu nên thiết bị
được gọi là hiển vi quét. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét được trình bày
trên hình 2.7.
Các electron được hội tụ thành chùm tia hẹp nhờ các thấu kính điện từ (2) và
đi thẳng tới mặt mẫu (3), lần lượt quét lên bề mặt mẫu, hết hàng nọ đến hàng kia
nhờ bộ phát quét (4) tạo ra thế răng cưa dẫn đến các cuộn dâyvới diện tích quét, giả
sử là hình vuông cạnh d và có thể thay đổi được. Bộ phát quét (4) đồng thời điều
khiển tia electron trong đèn hình (7), quét đồng bộ với tia electron quét trên mặt
mẫu, nhưng với diện tích trên màn hình có cạnh D lớn hơn.
Các electron thứ cấp, các electron tán xạ ngược, các bức xạ như tia X... có
thể phát ra khi chùm tia electron đập vào mặt mẫu, các electron va chạm vào các
nguyên tử ở bề mặt mẫu phản ảnh một đặc điểm của mẫu tại nơi chùm tia electron
chiếu đến như: bước sóng tia X phát ra phụ thuộc bản chất nguyên tử ở bề mặt mẫu,
26

số electron thứ cấp phát ra phụ thuộc vào độ lồi lõm ở bề mặt mẫu, số electron tán
xạ ngược phụ thuộc nguyên tử số v.v....Dùng đầu thu (detector) (5) thu một loại tín
hiệu sau khi qua bộ khuếch đại (6), để điều khiển cường độ chùm tia electron quét
trên màn hình hay điều khiển được độ sáng của màn hình: số electron thứ cấp phát
ra từ chỗ đó nhiều hơn các chỗ lân cận, chỗ tương ứng trên màn hình sáng hơn các
chỗ xung quanh khi tia electron quét đến chỗ lồi trên mặt mẫu nên chỗ sáng, chỗ tối
trên màn hình tương ứng với chỗ lồi, chỗ lõm trên mặt mẫu. Vì vậy, dộ phóng đại
của ảnh là M D / d . Kính hiển vi điện tử quét có nhiều ưu điểm nổi trội như làm
mẫu dễ dàng, không phải cắt thành lát mỏng và phẳng, thông thường có độ phân
giải ~ 5 nm, xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ (bị hạn chế bởi quang sai)
do đó thấy được các chi tiết thô trong công nghệ nano.
Hình 2.7 Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét: (1) Súng điện tử, (2) Thấu kính điện
từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phát quét, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đèn hình.
Sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc
phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm:
- Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): chùm điện tử thứ cấp có năng lượng
thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với
độ sâu chỉ vài nanomet được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy tạo ra ảnh
hai chiều của bề mặt mẫu là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử
quét.
- Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): do phụ thuộc rất nhiều vào
thành phần hóa học ở bề mặt mẫu nên chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề
27

mặt mẫu bị bật ngược trở lại thường có năng lượng cao, có thể dùng để ghi nhận
ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ
phân cực điện tử), rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học.
Kính hiển vi điện tử quét có điểm mạnh là phân tích mà không cần phá hủy
mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp, các thao tác điều khiển đơn giản
hơn so với TEM khiến cho nó rất dễ sử dụng, giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều
so với TEM, vì thế SEM phổ biến hơn so với TEM.
2.2.2. Đo hệ phản xạ của FBG thông qua phổ phản xạ
Trong mô hình đo phản xạ, ta đối chiếu với bảng để biết được độ phản xạ của
cách tử sau khi xác định được điểm 0 và xác định khoảng cách từ điểm 0 đến đỉnh
phản xạ.
Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử được mô tả như hình 2.9. Bộ EDFA
phát phổ dải rộng (trong vùng 1530nm – 1560nm) cho ánh sáng tới vào cổng 1 của
Circulator và được đưa tới cổng 2. Qua cách tử FBG, các bước sóng được truyền
qua gần như nguyên vẹn, chỉ có bước sóng trùng với bước sóng cách tử được phản
xạ trở lại và được đưa ra cổng 3 nối với máy phân tích phổ.
Hình 2.8 Cách đo độ phản xạ của cách tử bằng mô hình đo phản xạ.
Hình 2.9 Mô hình đo phổ phản xạ của cách tử[2].
28

Trong đó thiết bị phân tích phổ chuyên dụng cho sợi quang (OSA -
OPTICAL SPECTRUM ANALYZER) được sử dụng là Advantest Q8384. Đây là
thiết bị phân tích phổ dải rộng sử dụng cách tử nhiễu xạ đơn sắc có các đặc tính sau:
- Giao diện thích hợp với các thiết bị truyền thông quang: EDFA, FBG.
- Độ phân giải theo bước sóng: ≥10pm.
- Dải dynamic: ≥60dB.
- Độ chính xác bước sóng: ±20pm.
- Phụ thuộc phân cực: ±0.05dB.
- Chức năng phân tích WDM.
- Có ổ mềm 3.5 inch và máy in nội.
- Màn hình tinh thể lỏng màu, kích thước lớn.
Giới hạn đo của thiết bị thuộc các vùng cụ thể như sau: vùng bước sóng hoạt động:
600nm ÷ 1700nm, vùng level hoạt động: -87dBm ÷ 23dBm.
Hình 2.10 Máy phân tích quang phổ ADVANTEST Q8384.
Circulator là một thiết bị quang có ba hoặc bốn cổng không thụ động, có tác
dụng chuyển hướng ánh sáng từ cổng đến cổng tuần tự theo chỉ một hướng. Trong
đó một tín hiệu quang được đưa vào bất kỳ cổng nào đều được truyền đến cổng
xoay kế tiếp. Tín hiệu áp dụng cho cổng 1 chỉ ra khỏi cổng 2, tín hiệu áp dụng cho
cổng 2 chỉ ra khỏi cổng 3, với mỗi cổng là một điểm mà ở đó một đường truyền dẫn
tín hiệu bên ngoài được kết nối với thiết bị. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng
loại Circulator có ba cổng.
Mạch khuếch đại tín hiệu quang (EDFA) có thành phần chính gồm một đoạn
sợi quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium. Erbium là một nguyên tố đất hiếm có
tính năng quang tích cực. Đoạn sợi pha tạp Erbium được ký hiệu là EDF (Erbium -
Doper Fiber) thường có chiều dài khoảng 10 - 20m. Ngoài ra EDFA còn có một
laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để
29

ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ
cách ly quang (Isolator) để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống. Cấu trúc tiêu biểu
của bộ EDFA được mô tả như hình 2.11.
Hình 2.11 Cấu tạo của một bộ khuếch đại quang (EDFA).
Nguồn laser bơm cho sợi pha tạp là laser bán dẫn bước sóng 980 nm thuộc
họ SDLO 2564 có công suất quang có thể đạt được 150 đến 170 mW, dòng
ngưỡng thấp Ith từ 10 đến 20 mA.
Hình 2.12 Nguồn bơm laser tạo bước sóng 980 nm.
Đây là laser bán dẫn có cách tử Bragg chọn lọc bước sóng, phát laser trong
vùng 980 nm, và, các thông số hoạt động được cho như bảng 2.1.
Bảng 2.1 Các thông số hoạt động module laser SDLO 2564-165-GC.
Thông số của module laser Dòng điện Công suất
quang
Dòng ngưỡng - I th 11mA
Dòng hoạt động - I op 255,9 mA 150 mW
Dòng cực đại - I max 285,2 mA 165 mW
Dòng photodiode khi laser hoạt động với
0,24 mA
dòng I op
Hệ số chuyển đổi quang điện η = 0,63 (mW/mA)
30

Hình 2.13 Phổ dải rộng của ASE khi chưa khắc cách tử.[2]
2.2.3. Đo hệ số phản xạ của cách tử thông qua phổ truyền qua
Hình 2.14 Mô hình đo truyền qua của FBG.[2]
Ta mắc theo mô hình như hình vẽ và xác định khoảng L (dB) và tiến hành đo
độ phản xạ sau khi đo phổ truyền qua của tín hiệu sau khi qua cách tử,:
L
R11010 (2.1)
Hình 2.15 Đo hệ số phản xạ của cách tử bằng mô hình truyền qua.
31

Chương 3
THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HÓA TRÊN
TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU (1D) TRÊN CƠ SỞ SILIC XỐP VÀ
CÁCH TỬ BRAGG TRONG SỢI QUANG
3.1. Thực nghiệm chế tạo cảm biến sinh hóa trên tinh thể quang tử một chiều
(1D) trên cơ sở Silic xốp
3.1.1. Nguyên lý, quy trình chế tạo linh kiện cảm biến quang tử nano
3.1.1.1. Nguyên lý chế tạo
Cấu trúc buồng vi cộng hưởng 1D được chế tạo theo cấu trúc màng mỏng đa
lớp có sự thay đổi tuần hoàn một lớp có chiết suất cao xen kẽ với một lớp có chiết
suất thấp hay nói cách khác là tuần hoàn về hằng số điện môi theo một hướng xác
định trở thành cơ sở cho phép chế tạo thành công linh kiện cảm biến quang tử nano.
Với cấu trúc màng mỏng đa lớp này thì định luật phản xạ Bragg có thể viết dưới
dạng công thức: n.d = λ0/4.
Xét tinh thể quang tử 1D đặt trong không khí, gồm N cặp lớp (LH)N
=
LHLHLH...LH (L: lớp có chiết suất thấp, H: lớp có chiết suất cao) có mặt ngoài của
tinh thể quang tử là tiếp xúc với môi trường có chiết suất xấp xỉ 1 thì lớp ngoài cùng
của tinh thể quang tử sẽ là lớp có chiết suất thấp để đảm bảo sự phù hợp về mặt
chiết suất với môi trường. Theo điều kiện phản xạ Bragg ta xác định được bước
sóng của cực đại phản xạ là λ0 và chiều dày của lớp là d. Trong mỗi một lớp của
tinh thể quang tử sẽ xảy ra sự phản xạ giao thoa sóng tại bước sóng λ0 khi sóng tới
là sóng phẳng và hiệu suất phản xạ năng lượng sóng tới gần như hoàn toàn.
Tinh thể quang tử có độ rộng phổ phản xạ được tính một cách gần đúng theo
công thức [1]:
∆λ = (4λ0/ π) arcsin [((nH/nL) – 1)/ ((nH/nL + 1)] (3.1)
Trong đó: nH và nL tương ứng là chiết suất của lớp có chiết suất cao và lớp có
chiết suất thấp, λ0 là bước sóng của cực đại phản xạ. Tại bước sóng của cực đại
phản xạ λ0 lần lượt xác định được chiều dày dm và chiết suất nm của mỗi lớp. Phổ
phản xạ ∆λ của tinh thể quang tử có thể được mở rộng khi hai lớp liền kề có sự gia
tăng độ tương phản chiết suất ∆n = nH – nL.
32

Chúng tôi tập trung quan tâm đến phương pháp ăn mòn điện hóa phiến Silic
để tạo ra PC 1D là vì nhiều yếu tố như sau: độ xốp bị ảnh hưởng nhiều bởi dòng ăn
mòn điện hóa và dẫn đến khả năng có thể tạo ra vật liệu có chiết suất thay đổi, đặc
biệt là lớp xốp mới được tạo ra hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi sau
đó của dòng ăn mòn. Ngoài ra các điều kiện trong quá trình điện hóa như là loại tạp,
nồng độ HF, nồng độ tạp trong đế Silic, nhiệt độ, thành phần hóa học của dung dịch
điện hóa,...cũng góp phần thay đổi độ xốp theo chiều sâu. Như vậy thông qua việc
điều khiển dòng điện điện hóa và một số điều kiện kèm theo ta có thể chế tạo được
cấu trúc có sự thay đổi chiết suất một cách tuần hoàn.
3.1.1.2. Quy trình chế tạo
Quy trinh chế tạo gồm 2 bước chính như sau:
Bước 1: Chuẩn bị mẫu, dụng cụ và hóa chất
- Tiến hành thổi khí nitơ trong 2 giờ sau khi ủ tiếp xúc mặt sau cho phiến
Silic có điện trở suất ρ = 0,01 - 0,015 Ωcm loại p+
đã được bốc bay Al ở nhiệt độ
4500
C (sử dụng hệ lò GSL1600X thuộc phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa
học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (hình 3.1) để ủ tiếp
xúc cho phiến Silic bốc bay nhôm).
- Rung siêu âm trong isopropanol các phiến Silic được cắt thành miếng 1,6 x
1,6 cm sau đó rửa bằng nước khử nhiều lần. Bình teflon, cốc pha hóa chất và panh
gắp mẫu cũng được rung siêu âm, rửa sạch, sấy khô.
- Chuẩn bị cồn tuyệt đối hóa chất và dung dịch HF để tiến hanh ăn mòn.
Hình 3.1 Hệ lò được dùng để ủ tiếp xúc cho phiến Silic bốc bay nhôm [1].
33

Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang Trên cơ sở cấu trúc quang tử 1d.doc

Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang Trên cơ sở cấu trúc quang tử 1d.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang Trên cơ sở cấu trúc quang tử 1d.doc

Similar to Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang Trên cơ sở cấu trúc quang tử 1d.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (10)

Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang Trên cơ sở cấu trúc quang tử 1d.doc