Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên đặc tính và hiệu năng làm việc của linh kiện quang tử cấu trúc mirco và nano

Ngành quang học và quang tử đã được quan tâm nghiên cứu trong một thời gian dài. Các hiệu ứng cộng hưởng khác nhau tạo thành cơ sở cho các linh kiện quang và quang tử. Đặc biệt, hiệu ứng cộng hưởng dẫn sóng (Guide Mode Resonances - GMRs) dựa trên cách tử dẫn sóng đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây nhờ cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và ít tổn hao hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật xử lý thông tin quang học, chuyển mạch quang và cảm biến.

Các phiến điện môi khối trong tự nhiên nếu có cộng hưởng thì thường là rất yếu, nhưng khi chúng tạo thành các cấu trúc tuần hoàn xác định (ví dụ: cấu trúc cách tử, cấu trúc tinh thể quang tử…) thì sẽ xuất hiện các hiệu ứng cộng hưởng mạnh hơn ví dụ như hiệu ứng cộng hưởng dẫn sóng GMRs…

Thông thường, cộng hưởng được cho là sự tăng cường phản hồi của hệ khi có tác động từ bên ngoài tại một tần số cụ thể. Nó được gọi là tần số cộng hưởng hoặc tần số tự nhiên của hệ. Một trong những ví dụ đơn giản nhất là một bộ dao dộng điều hòa khi có tác động của lực cưỡng bức. Khi tần số của lực tác động này gần với tần số riêng của bộ dao động, thì biên độ dần tới giá trị cực đại. Điều này có thể được minh họa bằng cách sử dụng hai dao động điều hòa yếu, một trong hai dao động được điều khiển bởi một lực tuần hoàn như mô tả.

Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên đặc tính và hiệu năng làm việc của linh kiện quang tử cấu trúc mirco và nano do Cơ quan chủ trì Qũy phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Ngô Quang Minh thực hiện với mục tiêu nghiên cứu cơ bản về ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính và hiệu năng làm việc của linh kiện quang tử cấu trúc micro và nano sử dụng tinh thể quang tử và cấu trúc nano plasmonic. Đề tài là sự kết hợp giữa tính toán, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm. Sản phẩm chính là 1 bài báo khoa học ISI uy tín và 1 bài báo quốc tế uy tín; đề tài c n hư ng t i là các sản ph m về công bố khoa học trong nư c (1 công bố trên tạp chí trong nư c uy tín; 2 công bố tại hội nghị, hội thảo quốc gia, quốc tế có phản biện), h trợ đào tạo NCS và hợp tác quốc tế.

Đề tài đã sử dụng các nghiên cứu cơ bản và đào tạo trình độ cao của ngành khoa học vật liệu và linh kiện quang tử hiện đại yêu cầu phải có các mô hình tốt, phương pháp tính toán, mô phỏng phù hợp để tối ưu hóa quy trình công nghệ chế tạo vật liệu và linh kiện và lý giải các kết quả nghiên cứu. Hạ tầng thiết bị tính toán và nguồn nhân lực nắm vững công nghệ chuyên ngành lập trình tính toán cũng như hiểu biết các lý thuyết về Vật lý chất rắn và Vật lý quang tử để xây dựng và giải các bài toán tính toán, mô phỏng trong lĩnh vực vật liệu và linh kiện quang tử là hết sức cần thiết cho các nghiên cứu thực nghiệm về vật liệu và linh kiện quang tử hiện nay. Xuất phát từ các yêu cầu nêu trên, chúng tôi cho rằng việc xây dựng những đề tài nghiên cứu khoa học cơ bản và đào tạo đội ngũ cán bộ nghiên cứu nắm vững các kỹ năng về tính toán, mô phỏng cũng như chế tạo vật liệu và cấu trúc linh kiện quang tử cấu trúc micro và nano tại Viện KHVL nói riêng và các cơ sở nghiên cứu về khoa học vật liệu tại Việt Nam nói chung là hết sức cần thiết. Với đề tài này, sản phẩm chính là các công trình công bố quốc tế trong danh mục ISI, đề tài còn hướng tới là góp phần đào tạo NCS, nâng cao trình độ nghiên cứu về tính toán, mô phỏng cho cán bộ nghiên cứu trẻ, cũng như đẩy mạnh hợp tác trong và ngoài nước về tính toán, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm cấu trúc linh kiện quang tử.

Đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu cơ bản về ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính và hiệu năng làm việc của linh kiện quang tử cấu trúc micro và nano sử dụng tinh thể quang tử và cấu trúc nano plasmonic. Các nội dung chính mà đề tài đã thực hiện được như sau:

Nghiên cứu tính chất quang (tuyến tính và phi tuyến) của một số vật liệu (kim loại, điện môi, bán dẫn) dùng để chế tạo linh kiện quang tử cấu trúc micro và nano: Vật liệu phi tuyến As2S3 sử dụng để chế tạo màng mỏng dẫn sóng của linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định; vật liệu Si3N4 dùng để chế tạo các bộ lọc quang học vùng khả kiến hiệu suất cao; vật liệu thủy tinh dùng làm đế của linh kiện quang tử; và một số vật liệu khác;

Nghiên cứu lý thuyết hiệu ứng cộng hưởng plasmon (dẫn truyền và định xứ) tại bề mặt cấu trúc nano plasmonic: (i) hiệu ứng cộng hưởng plasmon định xứ bề mặt của các nano vàng (Au) h nh c u (đơn hạt và cấu trúc mạng) ứng dụng cho quang xúc tác; (ii) hiệu ứng cộng hưởng plasmon dẫn truyền sử dụng màng mỏng kim loại bạc (Ag) trong cấu trúc cách tử dẫn song;

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của một số linh kiện quang tử cấu trúc micro và nano trong xử lý thông tin, cảm biến, chuyển đổi năng lượng quang-điện (pin mặt trời)... sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 2D. Ưu, nhược điểm của việc ứng dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon để nâng cao hiệu suất làm việc của linh kiện quang tử cấu trúc micro và nano;

Tính toán và mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên đặc tính và hiệu năng làm việc của linh kiện quang tử xử lý thông tin, cảm biến, chuyển đổi năng lượng quang-điện, sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 2D và hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt: Kết quả về tính toán và mô phỏng linh kiện chọn lọc bư c sóng (bộ lọc quang học) vùng khả kiến sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử 2D.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17127/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)