BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CƠNG NGHỆ
------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUN NGÀNH CNHH

TÌM HIỂU VẬT LIỆU NANOPHOTONICS

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Trần Thị Bích Quyên
Ngành: CN Kỹ thuật hóa học-Khóa 45
Tháng 10/2021


LỜI CẢM ƠN
Nhóm xin được gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Cần Thơ và quý
thầy cô thuộc khoa Công nghệ, đặc biệt là thầy cô thuộc bộ mơn Cơng nghệ kỹ thuật
hóa học trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện tốt nhất cho nhóm chúng em được
hồn thành học phần đồ án chun ngành CNHH này.
Đặc biệt nhất nhóm xin gửi lời cảm ơn đến cơ Trần Thị Bích Qun, người đã
trực tiếp hướng dẫn nhóm thực hiện đề tài. Cơ ln quan tâm, giúp đỡ tận tình giúp
chúng em có thể hồn thành được đồ án chun ngành. Cơ chính là động lực to lớn
nhất để chúng em có thể hồn thành được nhiệm vụ của mình!
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã học hỏi được rất nhiều kiến thức lẫn
kinh nghiệm thật quý báu, từ những quý thầy cô, các anh chị khóa trên và cả từ những
bạn bè cùng trang lứa.
Một lần nữa, nhóm xin chân thành cảm ơn!
Cần Thơ, tháng 10 năm 2021

Trang i


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ......................................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài................................................................................................ 1
1.2 Mục tiêu của đề tài............................................................................................. 1
1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài............................................. 2
1.3.1 Ý nghĩa khoa học........................................................................................... 2
1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn............................................................................................ 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOPHOTONICS.........................3
2.1 Tổng quan về công nghệ và vật liệu nano......................................................... 3
2.1.1 Khái quát về công nghệ nano......................................................................... 3
2.1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano........................................................ 3
2.1.3 Các thiết bị và kỹ thuật trong nghiên cứu cấu trúc nano...............................4
2.1.4 Hướng ứng dụng chung................................................................................. 5
2.2 Vật liệu nanophotonics....................................................................................... 7
2.2.1 Sơ lược về vật liệu nanophotonics................................................................. 7
2.2.1.1 Giới thiệu về vật liệu photonics............................................................... 7
2.2.1.2 Tìm hiểu vật liệu nanophotonics.............................................................. 8
2.2.2 Tính chất, cấu trúc của nanophotonics........................................................ 10
2.2.2.1 Cấu trúc nanophotonics......................................................................... 10
2.2.2.2 Tính chất tổng hợp ổn định và chức năng hoạt hóa hạt nano................11
2.2.2.3 Sự đa dạng của các hạt nano như một cách để xây dựng vật liệu mới...12
2.3 Ứng dụng của vật liệu nanophotonics............................................................. 13
2.3.1 Ứng dụng trong quang học.......................................................................... 13
2.3.1.1 Cấu trúc định kỳ chống phản xạ............................................................ 13
2.3.1.2 Kiểm soát bề mặt gồ ghề với số liệu thống kê........................................ 14
2.3.1.3 Interconnects......................................................................................... 14

2.3.1.4 Chức năng quang học khác................................................................... 14
2.3.2 Pin năng lượng mặt trời.............................................................................. 14
2.3.3 Cảm biến..................................................................................................... 16
2.3.4 Sản xuất chip với mạng lưới thần kinh nhân tạo quang học........................17
2.3.5 Y sinh........................................................................................................... 18
2.3.6 Các ứng dụng khác...................................................................................... 21
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOPHOTONICS..22
3.1 Phương pháp mẫu........................................................................................... 22

Trang ii


3.1.1 Mẫu cứng..................................................................................................... 22
3.1.1.1 Màng khắc theo dõi hạt (PTMs)............................................................ 22
3.1.1.2 Màng Anodic Aluminum Oxide (AAO)................................................... 23
3.1.2 Mẫu mềm..................................................................................................... 24
3.1.2.1 khối Copolymer làm khuôn mẫu............................................................ 24
3.1.2.2 Chất hoạt động bề mặt và chất kết tụ dưới dạng mẫu............................25
3.1.2.3 Tinh thể lỏng làm mẫu........................................................................... 26
3.1.2.4 Sợi nanopolymer làm mẫu..................................................................... 26
3.1.2.5 Các phân tử sinh học làm mẫu.............................................................. 26
3.2 Phương pháp Electrospining........................................................................... 26
3.3 Kỹ thuật Nanolithography............................................................................... 27
3.3.1 Quang khắc chùm điện tử (EBL)................................................................. 28
3.3.2 Phương pháp in bản đầu dò quét (SPL)....................................................... 28
3.3.3 In Nanoimprint và kỹ thuật in bản mềm....................................................... 29
3.3.4 Kỹ thuật in bản giao thoa............................................................................ 29
3.4 Kỹ thuật ghi trực tiếp bằng laser (DLW)........................................................ 29
3.5 Các loại khác của Photonic crystals (PCs)..................................................... 29
3.5.1 PCs kim loại................................................................................................ 30

3.5.2 PCs có thể điều chỉnh được......................................................................... 30
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................ 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 32

Trang iii


DANH SÁCH HÌNH

Hình 2-1.
Ứng dụng của cơng nghệ nano trong cuộc sống.
Hình 2-2. Một nguyên mẫu chip quang tử silicon do tập đồn IBM phát triển. Hình
2-3. Những mạng lưới thần kinh bằng chip quang tử tận dụng các nền tảng
chip silicon quang tử, để có thể truy cập vào những khả năng mới của
việc xử lý thông tin siêu nhanh cho radio, tín hiệu điều khiển, và các
tính tốn khoa học.
Hình 2-4.
Laser tinh thể quang tử cơng suất cao.
Hình 2-5.
Đèn LED khơng có (bên trái) và có (bên phải) sự tăng cường phát xạ vì
có sự tán xạ ánh sáng từ các hạt nano Ag được nhúng.
Hình 2-6.
Tấm silicon đen với bề mặt quang học điện môi (bên phải) và (bên trái)
khơng có bề mặt quang điện mơi để tăng cường ghép và bẫy ánh sáng
trong năng lượng mặt trời.
Hình 2-7.
Cấu trúc phân tử nanophotonic.
Hình 2-8.
Cấu trúc 3D của phân tử nano và định hướng nguyên tố.
Hình 2-9. (a) Độ trong suốt của cánh ve sầu (b) Cấu trúc nano của cánh ve sầu. Hình

2-10. (a) Ảnh chụp TEM đầu phẳng được cắt ngắn (b) Chi tiết trên đầu phẳng
(c) Bề mặt gồ ghề.
Hình 2-11. a) Sơ đồ khái niệm nanophotonic-ferroelectric cho TNPh, b) Con đường
lắng đọng dẫn đến TNPh, c) Ảnh chụp nguyên mẫu TNPh-pyro.
Hình 2-12. a) Sơ đồ ba chiều của thiết kế nanophotonic cho TNPh, b) Ảnh SEM của
mặt cắt TNPh, c) Bề mặt của TiO2/Cu trung tính, d) Hình ảnh TEM của
SiO2.
Hình 2-13. a) Mẫu nhà có mái che được lắp đặt TNPh (trái) và cửa sổ kính (phải). c)
Hình ảnh hồng ngoại của hai nhà chụp lúc 11:30.
Hình 2-14. Các thành phần cơ bản của một nền tảng cảm biến quang tử tích hợp
được biểu diễn dưới dạng giản đồ. Tín hiệu quang bị ảnh hưởng trong
vùng tương tác bởi cơ chế cảm biến và đầu ra từ giai đoạn này được
phân tích trong một loạt các phổ bằng cách sử dụng quang phổ kế trên
chip để nhận ra các dấu hiệu nhất định do q trình cảm biến để lại.
Hình 2-15. Bố trí thí nghiệm - với bước sóng ánh sáng 637nm chuẩn trực và phân
cực với điện trường song song với các đường cách tử trước khi đi qua đĩa
Petri có chứa các tế bào HeLa cố định phía trên NEC. Khi đi qua NEC,
ánh sáng được thu bởi vật kính × 20 và được chụp ảnh trên máy ảnh .

Trang iv


Hình 2-16.
Hình 3-1.

Hình 3-2.

Hình 3-3.

Hình 3-4.

Hình 3-5.

Ảnh thu được kính hiển vi NEC (a) và hình ảnh kiến hiển vi thơng
thường (d), hình ảnh kiến hiển vi huỳnh quang (e).
(A-D) Hình ảnh kính hiển vi điện tử của mẫu cứng: (A) Hình ảnh SEM
của màng khắc theo vết hạt (PTM) với đường kính lỗ rỗng 1 μm; (B)
Hình ảnh TEM của bản sao than chì của PTM có lỗ rỗng đường kính 30
nm; (F) Sơ đồ tổng hợp các dây nano và ống nano với sự hỗ trợ của các
mẫu cứng polycarbonate khắc rãnh (PC).
(C) Hình ảnh SEM của oxit nhơm anốt (AAO) màng có đường kính lỗ 70
nm và (D) TEM hình ảnh của Màng AAO cắt đoạn với đường kính lỗ 10
nm.
(A) Minh họa việc chế tạo khối copolymer mẫu của mảng mật độ siêu
cao của các thanh nano polymer dẫn điện. (B) Hình ảnh SEM của khn
mẫu nano xốp và thanh nano PPy: (a) mặt trên và (b) hình ảnh mặt cắt
của màng hỗn hợp polystyrene-block-poly (methyl methacrylate) (PS-bPMMA) PS-b-PMMA /Poly(methyl methacrylate) PMMA trên kính
ITO; và (c) trên cùng và (d) hình ảnh mặt cắt ngang của thanh nano PPy
sau khi loại bỏ mẫu.
(A) Minh họa quá trình tổng hợp ống nano PPy (2) được hỗ trợ bởi chất
hoạt động bề mặt. (B) (a) Ảnh SEM và (b) TEM của ống nano PPy (2).
Mô tả các khối cơ bản của thiết bị quay điện.

Trang v


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
AAO
Anodic Aluminum Oxide
AR
Anti-reflection

AFM
Atomic Force Microscopy
DIC
Differential interference contrast
DNA
Deoxyribonucleic Acid
DLW
Direct Laser Writing
EBL
Electron Beam Lithography
IL
Interference Lithography
LCs
Liquid Crystals
NMR
Nuclear magnetic resonance
NSOM
Near-field scanning optical microscopy
NIR
Near-infrared radiation
NEC
The nanophotonics enhanced coverslip
PTMs
Particle Track-Etched Membranes
PC
Photonic Crystal
PCs
Photonic Crystals
PBG
Photonic Band Gap

PCFs
Photonic crystal fibres
PTM
Particle Track Membrane
PTMs
Particle Track Membranes
RNA
Ribonucleic Acid
STM
Scanning Tunneling Microscope
SEM
Scanning Electron Microscopy
SPP
Surface plasmon polariton
SPL
Scanning Probe Lithography
TEM
Transmission Electron Microscopy
TNPh
The thermal nanophotonic
TNPh-pyro Thermal Nanophotonic-pyroelectric

Trang vi


Chương 1: Đặt vấn đề

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Lý do chọn đề tài
Bước vào thế kỉ XXI, cùng với xu hướng của thế giới thì nước ta cũng đang tiến

một bước nhảy vọt trong cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống cũng như trong sản xuất. Và
nước ta – một nước đang phát triển đang trong q trình đẩy mạnh phát triển các
ngành cơng nghiệp mới thì việc nghiên cứu, cải tiến tìm ra các nguồn vật liệu mới
ngày càng được quan tâm và đầu tư hoàn chỉnh hơn nhằm nâng cao năng suất, cải
thiện chất lượng sản phẩm, giảm thiểu chi phí trong sản xuất.
Với những phát triển vượt bậc về khoa học kỹ thuật, thì sự ra đời của cơng nghệ
nano như một bệ phóng giúp con người có thể giải quyết được nhiều vấn đề khó khăn
mà từ trước đến nay chưa thể giải quyết được. Hiện nay, nhiều kết quả nghiên cứu của
các nhà khoa học trong và ngoài nước cũng đã cho ra đời những sản phẩm nano phục
vụ cho nhiều lĩnh, nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, cung cấp vật liệu
mới, có thể nói đến việc ứng dụng công nghệ nano trong nghiên cứu và sản xuất vật
liệu Nanophotonics.
Nanophotonics đã nổi lên như một lĩnh vực mới thú vị liên quan đến sự tương tác
của ánh sáng bằng vật liệu cấu trúc nano. Những nghiên cứu về nguồn vật liệu mới
này rất có tiềm năng trong nhiều lĩnh vực như điện, điện tử, quang học…
“Nanophotonics” được coi là lĩnh vực khoa học nghiên cứu sự tương tác của ánh sáng
với các cấu trúc nano bao gồm các hạt nano điện mơi có giá trị chiết suất cao (chỉ số
cao). Với những đặc tính tiêu biểu trên thì nanophotonics là nguồn vật liệu mới đầy
tiềm năng - khắc phục được những hạn chế của các nguồn vật liệu trước đây.
Chính vì những lý do trên, nhằm để tìm hiểu rõ hơn về các phương pháp tổng
hợp, cũng như các quy trình sản xuất và ứng dụng của nanophotonics và khả năng áp
dụng của chúng trong thực tiễn, nhóm đã tiến hành tìm hiểu đề tài: “Tìm hiểu vật liệu
nanophotonics”.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Tìm hiểu về tính chất, cấu trúc vật liệu Nanophotonics.
Phương pháp tổng hợp vật liệu Nanophotonics.

Ứng dụng của vật liệu Nanophotonics.


Trang 1


Chương 1: Đặt vấn đề

1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.3.1 Ý nghĩa khoa học
Tổng hợp kiến thức và giới thiệu một cách tổng quát về công nghệ nano và về
vật liệu Nanophotonics cần cho nghiên cứu. Cho thấy tiềm năng phát triển của vật liệu
nanophotonics và sức ảnh hưởng sâu rộng của lĩnh vực nanophotonics liên quan đến
các lĩnh vực vật lý, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện quang, kỹ thuật quy trình và trong
kỹ thuật y sinh đang phát triển một cách nhanh chóng từ đó thúc đẩy nghiên cứu
chuyên sâu hơn trong tương lai. Ngồi ra đề tài tìm hiểu về một số phương pháp tạo ra
vật liệu với kích thước nano để ứng dụng cho vật liệu nanophotonics.
1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn
Thơng qua đề tài của nhóm giúp nắm được một số kiến thức cơ bản về công nghệ
nano và vật liệu Nanophotonics. Ngoài ra biết thêm một số phương pháp sản xuất vật
liệu với kích thước nano. Ngồi ra, nhìn thấy được sự đa dạng về các lĩnh vực của vật
liệu nanophotonics cũng từ đó có được tư liệu để tiến hành tìm hiểu thêm về lĩnh vực
này. Kết quả của đồ án tìm hiểu về vật liệu nanophotonics hy vọng sẽ là cơ sở để giảng
viên và sinh viên tham khảo trong quá trình giảng dạy và học tập.

Trang 2


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOPHOTONICS
2.1 Tổng quan về công nghệ và vật liệu nano
2.1.1 Khái quát về công nghệ nano

Công nghệ nano là việc sử dụng các loại vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và
siêu phân tử cho các mục đích sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Thông tin phổ
biến sớm nhất về công nghệ nano đề cập đến mục tiêu công nghệ cụ thể là thao tác
chính xác các nguyên tử và phân tử để chế tạo các sản phẩm có quy mơ vĩ mơ, ngày
nay cịn được gọi là cơng nghệ nano phân tử. Sau này, các mô tả khái quát hơn về công
nghệ nano đã được thiết lập định nghĩa công nghệ nano là sự điều khiển vật chất với ít
nhất một kích thước có kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Định nghĩa này phản ánh
thực tế rằng các hiệu ứng cơ lượng tử rất quan trọng ở quy mô lĩnh vực lượng tử này,
và do đó định nghĩa đã chuyển từ một mục tiêu công nghệ cụ thể sang một hạng mục
nghiên cứu bao gồm tất cả các loại nghiên cứu và cơng nghệ xử lý các tính chất đặc
biệt của vật chất. dưới ngưỡng kích thước đã cho. "Cơng nghệ nano" cũng như "cơng
nghệ kích thước nano" để chỉ phạm vi rộng của các nghiên cứu và ứng dụng có đặc
điểm chung là kích thước .
Cơng nghệ nano được xác định theo kích thước là rộng lớn một cách tự nhiên,
bao gồm rất nhiều các lĩnh vực khoa học đa dạng như: hóa học hữu cơ, sinh học phân
tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ năng lượng, kỹ thuật, chế tạo vi mô, và kỹ thuật phân tử.
Các nghiên cứu và ứng dụng liên quan cũng đa dạng như nhau, từ mở rộng của thiết bị
vật lý thông thường đến các cách tiếp cận hoàn toàn mới dựa trên quá trình tự lắp ráp
phân tử, từ việc phát triển các vật liệu mới với kích thước trên quy mơ nano đến điều
khiển trực tiếp vật chất ở quy mô nguyên tử.
Những tác động của công nghệ nano trong tương lai được thể hiện rất rõ ràng.
Cơng nghệ nano có thể tạo ra nhiều vật liệu và thiết bị mới với rất nhiều ứng dụng,
chẳng hạn như trong y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh học, năng lượng
và các sản phẩm tiêu dùng .
2.1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: phương pháp này dùng kỹ thuật nghiền, các kỹ thuật xử lý cơ học để
làm biến đổi vật liệu ở dạng khối kích thước lớn thành các hạt có kích thước nano.
Trang 3



Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

Phương pháp này được đánh giá đơn giản và chi phí thấp nhưng rất hiệu quả, có thể
tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng vào vật liệu kết
cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi
được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền
lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều
(dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường
dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano .
Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử ion. Phần lớn các vật liệu
nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ
dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.
Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển
pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay
nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu được
nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vơ định hình, xử lý
nhiệt để xảy ra chuyển pha vơ định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội
nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ:
ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp
hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải
thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các
phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương
pháp kết tủa, sol-gel...) và từ pha khí (nhiệt phân...). Phương pháp này có thể tạo các
hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano...
Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc
vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí... Phương pháp này có thể tạo
các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano... [3]

2.1.3 Các thiết bị và kỹ thuật trong nghiên cứu cấu trúc nano
Kính hiển vi quét xuyên hầm (Scanning Tunneling Microscope – STM). Thiết bị
này giúp máy tính có thể thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của nguyên tử và
phân tử từ vật chất .
Kính hiển vi điện tử tinh thể bằng tia X (Electron microscope X-ray
crystallography). Độ tương phản và khả năng xuyên thấu được tạo ra từ tia X khi
Trang 4


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

chúng tương tác các dạng vật chất cần nghiên cứu có kích thước 1-2 micromet. Có thể
áp dụng trong việc chụp ảnh tổng thể các tế bào nhỏ hoặc cấu trúc dưới tế bào trong
các tế bào sinh học .
Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear magnetic resonance - NMR). Thiết
bị này giúp điều khiển máy tính của máy quang phổ làm cho các thí nghiệm có thể
thực hiện được chẳng hạn như phổ NMR có hai chu kỳ, và đơn giản hóa các thí
nghiệm khác. Ngày nay máy quang phổ từ hạt nhân là công cụ sử dụng nhiều trong
nghiên cứu phân tích các loại hóa chất và có mặt trong các phịng thí nghiệm .
Kính hiển vi lực ngun tử (Atomic Force Microscopy - AFM). Quang phổ lực
nguyên tử là phép đo lực so với khoảng cách khi sử dụng AFM. Kính hiển vi lực
ngun tử (AFM) đã đóng một vai trị quan trọng trong khoa học và cơng nghệ nghiên
cứu các kích thước nano cũng như cơng nghệ sinh học .
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM). là một trong
những dụng cụ linh hoạt nhất dễ dàng để kiểm tra và phân tích hình thái cấu trúc vi mơ
và đặc điểm thành phần hóa học. Thiết bị này đã và đang tiếp tục có tầm quan trọng
lớn đối với nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng rất phổ biến trong đời sống hiện
nay .
Kính hiển vi truyền qua điện tử. Kỹ thuật TEM đã được áp dụng để phân tích và
nghiên cứu các cấu trúc mịn hay làm rõ các nguyên tố của nguồn mẫu vật. Nó cung

cấp độ phân giải siêu cao so với kính hiển vi ánh sáng .
Những kỹ thuật lắp ráp các vi cấu trúc thành những kiểu mẫu cấu trúc được thấy
nhiều nhất trong lĩnh vực vi điện tử. Những kỹ thuật phổ biến bao gồm quang khắc
(photolithography), phương pháp in thạch bản tia X (X-ray lithography), quang khắc
chùm điện tử (electron beam lithography), soft lithography, chùm ion hội tụ (focused
ion beam), sol – gel [4].
2.1.4 Hướng ứng dụng chung
Sự phát triển của công nghệ nano và quang tử nano đã đem đến sự đa dạng các
ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau, có thể nói công nghệ nano đang tràn
qua mọi lĩnh vực của cuộc sống. Cơng nghệ nano cịn có thể tìm thấy rất nhiều trong
tự nhiên từ các sợi lông siêu nhỏ trên chân của tắc kè đến những sợi lơng với kích
thước nanomet trên bề mặt lá sen. Với những khám phá trong tự nhiên các nhà khoa
học đã mô phỏng để ứng dụng vào trong đời sống của con người như tạo ra vải có các
sợi lơng siêu nhỏ giúp chống thấm nước và bụi bẩn. Từ đây có thể thấy sự rộng lớn
của công nghệ nano ứng dụng trong tự nhiên và trong cuộc sống.
Trang 5


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

Một trong những đặc tính quan trọng của hạt nano là tỷ lệ bề mặt trên thể tích
của chúng cao. Sử dụng đặc tính này, có thể tạo ra các chất xúc tác mạnh với kích
thước nano. Chất xúc tác nano này làm tăng đáng kể hiệu quả của các phản ứng hóa
học và ngăn chặn việc sản xuất các vật liệu phế thải. Việc sử dụng các hạt nano để sản
xuất vật liệu có thể tăng sức bền vật liệu, giảm trọng lượng vật liệu và nâng cao tính
chất nhiệt hóa vật liệu.
Khi kích thước hạt có xu hướng theo kích thước nanomet, một trong những đặc
tính bị ảnh hưởng bởi sự co rút này là phản ứng của chúng với ánh sáng và sóng điện
từ. Hiểu được phát hiện này đã dẫn đến việc sản xuất các thanh nano với ứng dụng
trong quang điện tử và tồn bộ ngành cơng nghiệp điện tử. Sự xuất hiện của các hạt

nano trong sơn hoặc vật liệu xây dựng làm giảm trọng lượng của các cấu trúc với hiệu
quả như giảm tiêu thụ nhiên liệu trong máy bay. Các ứng dụng của vật liệu nano trong
y học bao gồm theo dõi chức năng của tim con người đến sản xuất kem chống bức xạ
tia cực tím bằng cách sử dụng hạt nano titan.
Cơng nghệ nano được sử dụng để sản xuất kính tự làm sạch bằng cách sử dụng
ánh sáng mặt trời để loại bỏ ô nhiễm. Ngày nay, nhiều công ty sản xuất hạt nano trong
dạng bột. Ví dụ được sử dụng trong ngành cơng nghiệp ơ tơ, sản xuất vợt tennis, kính
chống cận, kính chống thấm, cửa sổ tự làm sạch, tấm năng lượng mặt trời và thiết bị
của máy bay [10].
Ngoài những công dụng đã được đề cập, công nghệ nano cịn có nhiều các ứng
dụng khác trong ngành dược phẩm và hệ thống phân phối thuốc. Các ứng dụng của nó
trong cơng nghệ thơng tin và kỹ thuật dân dụng bao gồm các chất phụ gia kích thước
nano, để sản xuất các chất xúc tác nano trong dầu, khí đốt và hóa dầu các ngành cơng
nghiệp, để sản xuất lớp phủ nano có khả năng chống nhiệt, ăn mịn, mài mịn và ma
sát, làm chất bơi trơn nano, để tăng cường hiệu quả, trong việc sản xuất cảm biến nano
và cảm biến sinh học nano, để giảm chất ô nhiễm, và phát triển công nghệ xanh.

Trang 6


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

Hình 2-1. Ứng dụng của công nghệ nano trong cuộc sống [11]

2.2 Vật liệu nanophotonics
2.2.1 Sơ lược về vật liệu nanophotonics
2.2.1.1 Giới thiệu về vật liệu photonics
Việc nghiên cứu ánh sáng ở quy mô nano đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu
sôi nổi, khi các nhà nghiên cứu bây giờ đã có thể làm chủ ánh sáng ở các thang đo thấp
hơn nhiều sao với bước sóng quang học, phần lớn vượt qua các giới hạn do nhiễu xạ

ánh sáng áp đặt mà ở các thiết bị truyền thống cổ điển không thể làm được. Sử dụng
kim loại và điện môi cấu trúc nano được mơ phỏng một cách chính xác thành kiến trúc
nano hai chiều 2D và 3D, ánh sáng có thể bị phân tán, khúc xạ, hạn chế, lọc và xử lý
theo kiểu mới hấp dẫn hơn những cách không thể đạt được với vật liệu tự nhiên và
hình học thơng thường.
Việc kiểm sốt ánh sáng ở quy mơ nano khơng chỉ tiết lộ rất nhiều hiện tượng
mới mà cịn dẫn đến nhiều ứng dụng có liên quan, bao gồm cả các địa điểm mới để
tích hợp cơng nghệ vi mạch, điện toán quang học, năng lượng mặt trời và lĩnh vực y
tế, đặt ra kỳ vọng cao cho nhiều khám phá mới lạ trong những năm tới [12].
Nanophotonics hay quang học nano là lĩnh vực nghiên cứu về hành vi của ánh
sáng trên quy mô nanomet và về sự tương tác của các vật thể quy mô nanomet với ánh
Trang 7


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

sáng. Nó là một nhánh của quang học, kỹ thuật quang học, kỹ thuật điện và cơng nghệ
nano.
Nó thường liên quan đến các cấu trúc điện môi như nanoantenna, hoặc các thành
phần kim loại, có thể vận chuyển và tập trung ánh sáng thơng qua các phân cực
plasmon bề mặt.
2.2.1.2 Tìm hiểu vật liệu nanophotonics
Nanophptonics (quang âm nano) hay nano quang học là nghiên cứu về các đặc
điểm về kích thước của ánh sáng trên quy mô nanomet và về sự tương tác của các vật
thể quy mơ nanomet với ánh sáng. Nó là một nhánh của quang học, kỹ thuật quang
học, kỹ thuật điện và cơng nghệ nano. Nó thường liên quan đến các cấu trúc điện môi
như nanoanten, hoặc các thành phần kim loại, có thể vận chuyển và tập trung ánh sáng
thông qua các phân cực plasmon bề mặt [13].
Do những giới hạn của các thiết bị quang học truyền thống như kính hiển vi
quang học quét trường gần (NSOM), kính hiển vi xuyên hầm được kích thích quang

(photoassisted scanning tunnelling microscopy), và quang học Plasmon bề mặt. Kính
hiển vi truyền thống sử dụng những thành phần phát sinh nhiễu xạ để tăng độ phân
giải. Nhưng do giới hạn nhiễu xạ (thường gọi là tiêu chuẩn Rayleigh), ánh sáng chỉ có
thể hội tụ lại thành một vết với đường kính khoảng ½ bước sóng ánh sáng. Nên hiện
nay nhiều cơng bố nghiên cứu đã và đang quan tâm đến đặc tính của những vật liệu và
hiện tượng ở kích thước vài nanomet, vì vậy cần phải sử dụng những kỹ thuật khác với
kỹ thuật truyền thống. Thật vậy trong thời gian gần đây ngành nanophotonics được
thúc đẩy phát triển.
Phạm vi nghiên cứu của nanophotonics bao gồm hai chủ đề chính:
Nghiên cứu tính chất kỳ lạ của ánh sáng ở kích thước nano
Chế tạo ra những thiết bị có hiệu suất cao cho các ứng dụng trong kĩ thuật.
Những nghiên cứu này đã tạo ra tiềm năng to lớn để cách mạng hóa ngành viễn
thơng qua việc cung cấp những thiết bị khơng có hiệu ứng giao thoa, vận tốc cao, tiêu
tốn năng lượng thấp chẳng hạn như các công tắc điện quang hoặc công tắc quang học
trên chip. Đây được xem là một trong những lĩnh vực thuộc công nghệ nano mới và có
tiềm năng phát triển trong tương lai [14].

Trang 8


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

Một số hình ảnh về hệ thống nanophotonic:

Hình 2-2. Một nguyên mẫu chip quang tử silicon do tập đồn IBM phát triển [15]

Hình 2-3. Những mạng lưới thần kinh bằng chip quang tử tận dụng các nền tảng chip silicon
quang tử, để có thể truy cập vào những khả năng mới của việc xử lý thơng tin siêu nhanh cho
radio, tín hiệu điều khiển, và các tính tốn khoa học [15]


Hình 2-4. Laser tinh thể quang tử công suất cao [16]

Trang 9


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

Hình 2-5. Đèn LED khơng có (bên trái) và có (bên phải) sự tăng cường phát xạ vì có sự tán xạ
ánh sáng từ các hạt nano Ag được nhúng [16]

Hình 2-6. Tấm silicon đen với bề mặt quang học điện môi (bên phải) và (bên trái) khơng có bề
mặt quang điện mơi để tăng cường ghép và bẫy ánh sáng trong năng lượng mặt trời [16]

2.2.2 Tính chất, cấu trúc của nanophotonics
2.2.2.1 Cấu trúc nanophotonics
Một số cấu trúc có nanophotonic như các vật liệu tinh thể quang tử (Photonic
crystals - PC) hoặc vùng cấm quang tử (photonic band gap - PBG) là những cấu trúc
có cấu hình hằng số điện mơi thay đổi định kỳ trên thang khoảng cách xấp xỉ bằng một
bước sóng ánh sáng cụ thể là . Các PC có thể được chế tạo với các cấu trúc khơng gian
một chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D). Hiệu ứng khi ánh sáng truyền qua
môi trường của PC khác hoàn toàn hiệu ứng khi ánh sáng truyền qua một môi trường
đồng chất khác nhau ở đây là do giao thoa triệt tiêu thông qua tán xạ Bragg của cấu
trúc tuần hồn tối đa hóa sự phản xạ tổng thể của ánh sáng ở bề mặt PC với không khí
vì thế tinh thể quang tử được xem là vật liệu dùng để điều khiển áng sáng [17].
Một cấu trúc khác nữa là cấu trúc nano lai. Cấu trúc nano lai là một hệ thống của
các hạt nano có bản chất khác nhau (chất keo kim loại hạt nano, chấm lượng tử bán
dẫn, oxit hoặc các hạt nano polymer, v.v.) và các phân tử chức năng (photochromic,
photoluminescent, electroluminescent, hoạt động từ tính, v.v.) (Hình 2-1). Cấu trúc
nano lai cũng có thể bao gồm các chất phụ trợ (chất đệm). Tác động lẫn nhau của các
Trang 10



Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

đối tượng nano phụ thuộc nhiều vào khoảng cách giữa chúng và khoảng cách này có
thể thay đổi bằng cách miếng đệm với các kích thước tuyến tính khác nhau. Do đó,
một miếng đệm với một hình dạng xác định có thể xác định các thơng số hóa lý của
cấu trúc lai. Vật liệu có đặc tính được điều khiển động có thể được tạo ra bằng cách sử
dụng quang, điện, nhiệt, và các chất nhạy cảm với pH làm chất đệm. Ví dụ, các phân
tử quang sắc có khả năng thay đổi các kích thước tuyến tính dưới sự chiếu xạ ánh sáng
đã được đề xuất như chất đệm [18].

Hình 2-7. Cấu trúc phân tử nanophotonic [19]

Các cấu trúc nano lai có thể tạo thành 3D theo thứ tự hoặc hệ thống fractal (cấu
trúc nano Х chiều có cấu trúc nhiều lớp) với thuộc tính điều khiển động (Hình 2-7).

Hình 2-8. Cấu trúc 3D của phân tử nano và định hướng nguyên tố [20]

2.2.2.2 Tính chất tổng hợp ổn định và chức năng hoạt hóa hạt nano
Đặc điểm cấu trúc miếng đệm: Đối với một hợp chất để làm việc như một bộ
đệm, nó phải bao gồm ít nhất hai nhóm thế để liên kết nó với cả bề mặt của các hạt
nano và với phân tử chức năng. Liên kết có thể là do tương tác Van der Waals, hydro
liên kết, tương tác ion và affine, cộng hóa trị liên kết, và sự hình thành phức tạp; hơn
nữa, một số cơ chế ràng buộc có thể được tham gia. Các hợp chất phân tử thấp được
liên kết tốt nhất với bề mặt của một vật liệu vơ cơ bởi các nhóm thay thế dễ bị tương
tác cộng hóa trị, affine, tĩnh điện hoặc ion. Các chất thay thế có bản chất khác nhau có
Trang 11



Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

thể cung cấp liên kết có chọn lọc: ví dụ như nếu một trong số chúng tương tác với các
hạt nano và hạt khác, với phân tử chức năng. Một cách tiếp cận như vậy hình thành cơ
sở của sự tự tổ chức của các cấu trúc.
Trong tổng hợp phân tử có thể cung cấp liên kết với bề mặt hạt nano. Sự thay thế
dựa trên các đặc điểm hóa lý của bề mặt hạt nano. Ví dụ, nếu bề mặt hạt nano được
chức năng hóa bởi nhóm cacboxyl, nhóm thay thế được lựa chọn trong chức năng
phân tử có thể là các nhóm amin. Đơi khi chức năng phân tử đã chứa các nhóm có khả
năng liên kết với bề mặt hạt nano. Các phân tử như vậy thường liên kết chéo với các
hạt nano theo cơ chế trao đổi: Một hoặc một số phân tử chất ổn định được thay thế
bằng một tử chức hữu cơ.
Liên kết các phân tử trên bề mặt nano: Tùy thuộc vào bản chất của các hạt nano,
các yêu cầu khác nhau được đặt cho các chất thay thế chịu trách nhiệm liên kết.
Tính ổn định của một cấu trúc nano lai và duy trì các chức năng của nó phụ thuộc
vào một số yếu tố, trong đó sức mạnh liên kết của các thành phần hữu cơ và vô cơ.
Phương pháp bảo vệ cấu trúc nano lai khỏi tiếp xúc với các hợp chất phân tử thấp đã
được phát triển, ví dụ, đóng gói và liên kết. Sự đóng gói bao gồm lớp phủ của hỗn hợp
cấu trúc bằng vật liệu silicat: polymer, polypeptit, photpholipit, polysaccharid…[21,
22]
2.2.2.3 Sự đa dạng của các hạt nano như một cách để xây dựng vật liệu mới.
Khoảng cách giữa hạt nano và chức năng phân tử trong cấu trúc lai là một yếu tố
quan trọng chịu trách nhiệm về các tính chất của cấu trúc lai. Đồng thời, có tầm quan
trọng khơng nhỏ đối với thuộc tính của tồn bộ vật liệu là sự hỗ trợ sắp xếp của các
cấu trúc nano trong vật liệu. Chúng có thể xác định vị trí ở những khoảng cách tùy ý từ
nhau và cũng tự tổng hợp để tạo thành các đa phân, cụm, và cấu trúc nhiều lớp.
Loại tập hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ, hình dạng và kích
thước của các hạt nano, bản chất của bề mặt được chức năng hóa (chiều dài của đệm
và cấu trúc thép của chúng và sự hiện diện của nhóm hoạt động), hoặc mơi trường
phân tử. Ví dụ, các hạt nano vàng hình que có sự phân bố điện tích khơng đồng đều

trên bề mặt và do đó, chúng có khả năng hình thành cấu trúc giống như sợi chỉ với sự
hiện diện của bộ đệm ổn định sinh học (1-phenyl-1,2-etandithiol hoặc 1,2-etandithiol)
[23].
Cấu trúc hình cầu đặc trưng dạng 3D, cấu trúc đuôi gai hoặc tổ ong. Đã thu được
bằng chứng rằng loại tập hợp và khoảng cách giữa các cấu trúc nano trong các vật liệu
Trang 12


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

đó xác định tính chất quang phổ của vật liệu. Phạm vi hấp thụ của chúng liên quan trực
tiếp đến khoảng cách cấu trúc nano, được đặt trước bởi miếng đệm lót.
Cấu trúc nano lai cho vật liệu có kiểm sốt tính chất quang phổ: Ảnh hưởng của
các đối tượng nano đến thời gian tồn tại của các trạng thái kích thích của chức năng
các phân tử hiện diện trên bề mặt của vật thể nano, điều này có thể dẫn đến các đặc
điểm quang phổ của cấu trúc nano lai khá khác với đặc điểm quang phổ của các thành
phần riêng lẻ của chúng [24].
2.3 Ứng dụng của vật liệu nanophotonics
2.3.1 Ứng dụng trong quang học
2.3.1.1 Cấu trúc định kỳ chống phản xạ
Lấy cảm hứng từ các đặc tính AR của mắt bướm đêm, các cấu trúc bề mặt đã
được nghiên cứu để giảm phản xạ trên dải bước sóng lớn. Như một cấu trúc nano cũng
có thể được tìm thấy trên cánh ve sầu làm cho chúng rất trong suốt (Hình 2.12). Cấu
trúc không chỉ giúp ve sầu lẩn trốn những kẻ săn mồi mà cịn thể hiện đặc tính ưa
nước, kháng khuẩn và tự làm sạch. Bề mặt nanophotonics có hệ số phản xạ khoảng
30% trong hồng ngoại gần và trung bình. Lớp phủ có thể được lắng đọng để giảm sự
phản xạ này, nhưng hiệu quả được giới hạn ở một mức độ nhỏ dải quang phổ. Một cấu
trúc nhân tạo được tạo thành từ một dãy các kim tự tháp nano có kích thước 1 μm tính
lưỡng tính đã được nghiên cứu, bởi vì nó khá dễ dàng để có được bằng cách thơng
thường ăn mịn hóa học [25].


Hình 2-9. (a) Độ trong suốt của cánh ve sầu (b) Cấu trúc nano của cánh ve sầu [26]

AR ảnh hưởng của cấu trúc được giới hạn trong dải hồng ngoại II, trong khoảng
từ 3 đến 5 μm. Trong bản chất, như quan sát được trong mắt bướm đêm, các bề mặt
chống phản xạ thể hiện hai mức độ kết cấu. Một cấu trúc được tạo ra từ mẫu tuần hồn
lục giác bước sóng ngắn và sắp xếp ngẫu nhiên "bán tinh thể" của mẫu lục giác. Tính
tốn cho thấy rằng, trong trường hợp, hiệu ứng AR được mở rộng dưới 3 μm, xuống
mức có thể nhìn thấy. Từ quan điểm thực nghiệm, các kết quả tuyệt vời thu được với
Trang 13


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

cấu trúc hình nón phẳng và phẳng trên cùng được tạo ra bằng phương pháp in thạch
bản cực tím sâu và khắc plasma trên silicon (Hình 2-9 a và b). Thay vì tạo mẫu trên
đỉnh của hình nón bằng cấu trúc tuần hồn, bề mặt có thể được làm thơ (Hình 2-9 c).

Hình 2 -10. (a) Ảnh chụp TEM đầu phẳng được cắt ngắn (b) Chi tiết trên đầu phẳng (c) Bề mặt
gồ ghề [27]

2.3.1.2 Kiểm soát bề mặt gồ ghề với số liệu thống kê
Trong các hệ thống quang học, độ nhám bề mặt tạo ra sự tán xạ ánh sáng nói
chung giảm hiệu suất của hệ thống, khi kiểm soát độ nhám bề mặt, các hàm quang học
thống kê có thể thu được. Các bề mặt quang học thô ngẫu nhiên cũng đã được sử dụng
để nâng cao độ sâu tiêu điểm của hệ thống hình ảnh, cho thấy tính khả thi của việc chế
tạo các bề mặt gồ ghề với các số liệu thống kê xác định có thể kiểm sốt sự phân bố
ánh sáng phân tán dựa tên tính chất vật liệu nanophotonics [28].
2.3.1.3 Interconnects
Chủ yếu ứng dụng trong truyền thông quang học, đặc biệt trong mạng trục viễn

thông và mạng lưới tàu điện ngầm. Có tiềm năng về chip thu phát cơng suất thấp và
chi phí thấp đã mở ra các ứng dụng kết nối tầm ngắn hơn trong tính tốn hiệu năng cao
và trung tâm dữ liệu. Ứng dụng hiệu quả trong hệ thống cảm biến và quang phổ.
2.3.1.4 Chức năng quang học khác
Các chức năng phổ biến nhất liên quan đến vận chuyển ánh sáng, lọc bước sóng
và ghép nối với off-chip các phần tử và sợi. Chúng được gọi là các chức năng thụ
động, vì ánh sáng thường khơng bị thay đổi trong q trình. Các chức năng hoạt động
liên quan đến các yếu tố quang điện như nguồn sáng, bộ điều chế tín hiệu và bộ tách
sóng quang.
Các thiết bị nanophotonics phổ biến liên quan vận chuyển ánh sáng: Ống dẫn
truyền và định tuyến, lọc bước sóng, khớp nối với các sợi quang, chuyển đổi quang
điện và quang điện tử, Lasers... [29]
2.3.2 Pin năng lượng mặt trời
Trang 14


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

Việc sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay có nhiều hạn chế khác nhau đối với
việc thu nhiệt thải xung quanh bao gồm việc thiếu vật liệu có hiệu quả về mặt kinh tế
và các tính năng thiết kế sáng tạo có thể thu hồi hiệu quả nhiệt cấp thấp để chuyển đổi
thành năng lượng hữu ích. Một sơ đồ nhiệt điện nanophotonic (TNPh-pyro) bao gồm
một siêu vật liệu nhiều lớp và vật liệu pyroelectric đã được nghiên cứu và chế tạo để
thực hiện đồng thời việc loại bỏ nhiệt thải và chuyển đổi quang nhiệt thành điện năng.
Không giống với bất kỳ cấu hình nhiệt điện nào khác, khái niệm thiết kế này khác với
thông thường bằng cách cố ý sử dụng bức xạ cận hồng ngoại (NIR) phản xạ ngược để
cho phép tái sử dụng và thu hồi nhiệt thải để tăng cường sản xuất nhiệt điện, tránh hấp
thụ nhiệt mặt trời quá mức và cũng giữ được độ trong suốt trực quan của thiết bị. Khả
năng làm mát phản xạ năng lượng mặt trời lên đến 4,1 oC đã được chứng minh trong
nghiên cứu này. Trong khi đó, hiệu suất nhiệt điện tử tận dụng từ hiệu ứng phản xạ

ngược cho thấy mức tăng điện áp mạch hở (V OC) và dòng điện ngắn mạch (I SC) lần lượt
là 152 % và 146 %. Ngoài ra, thành phần quang hoạt được thiết kế (TiO 2/Cu) bên
trong siêu vật liệu nhiều lớp cung cấp cho hệ thống TNPh-pyro chức năng phân hủy
quang chất ơ nhiễm khơng khí hiệu quả [30].

Hình 2-11. a) Sơ đồ khái niệm nanophotonic-ferroelectric cho TNPh, b) Con
đường lắng đọng dẫn đến TNPh, c) Ảnh chụp nguyên mẫu TNPh-pyro [31]

Trang 15


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

Hình 2 -12. a) Sơ đồ ba chiều của thiết kế nanophotonic cho TNPh, b) Ảnh SEM của mặt cắt
TNPh, c) Bề mặt của TiO2/Cu trung tính, d) Hình ảnh TEM của SiO2 [32]

Hình 2-13. a) Mẫu nhà có mái che được lắp đặt TNPh (trái) và cửa sổ kính (phải). c) Hình ảnh
hồng ngoại của hai nhà chụp lúc 11:30 [33]

2.3.3 Cảm biến
Trong lịch sử, quang học được coi là một trong những cách nhạy cảm nhất và ít
xáo trộn nhất để cảm nhận mơi trường xung quanh. Các đặc tính này đã được chuyển
sang các thiết bị và các hệ thống cảm biến hiện đại ngày nay với trọng tâm là độ nhạy.
Nhu cầu gần đây đòi hỏi các các thiết bị cảm biến có độ nhạy cao và sự nhiễu loạn tối
thiểu đối với hệ thống cảm biến được đòi hỏi phải phát triển các nền tảng và hệ thống
mới vượt xa hiệu suất của các loại cảm biến hiện nay. Đặc biệt, đối với các ứng dụng
như cảm biến mơi trường phân tán, phát hiện nguy cơ hóa chất và độc tố cũng như các
cảm biến sinh học để chẩn đốn và theo dõi sức khỏe địi hỏi hệ thống cảm biến có chi
phí thấp, tiêu thụ điện năng thấp nhỏ gọn và đa mục đích. Những yêu cầu này là động
lực thúc đẩy cho sự phát triển các phương pháp cảm biến tích hợp nhỏ gọn. Từ độ

Trang 16


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

nhạy cảm của các giải pháp quang học, tính nhỏ gọn và hiệu quả của các giải pháp tích
hợp đã mang lại một nền tảng quang học tích hợp là nền tảng được lựa chọn để triển
khai các thiết bị và hệ thống cảm biến hiện đại [34].
Những tiềm năng của nền tảng nanophotonic bao gồm tính nhỏ gọn, khả năng
tiêu thụ điện năng thấp, khả năng tích hợp với các chức năng khác nhau và độ nhạy
cao khiến chúng trở thành một ứng cử viên thích hợp cho các ứng dụng cảm biến. Việc
tương tác vật chất ánh sáng mạnh mẽ trong một nền tảng như vậy cho phép nó thực
hiện nhiều cơ chế cảm nhận khác nhau bao gồm thay đổi chiết suất, phát xạ huỳnh
quang và tán xạ Raman.

Hình 2-14. Các thành phần cơ bản của một nền tảng cảm biến quang tử tích hợp được biểu diễn
dưới dạng giản đồ. Tín hiệu quang bị ảnh hưởng trong vùng tương tác bởi cơ chế cảm biến và
đầu ra từ giai đoạn này được phân tích trong một loạt các phổ bằng cách sử dụng quang phổ kế
trên chip để nhận ra các dấu hiệu nhất định do quá trình cảm biến để lại [35]

2.3.4 Sản xuất chip với mạng lưới thần kinh nhân tạo quang học
Mạng lưới thần kinh nhân tạo
Mạng lưới thần kinh nhân tạo đang là cơn bão cuốn theo cả thế giới điện toán.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chúng để tạo ra những máy tính có khả năng học được
vơ số những kỹ năng, vốn trước đây chỉ dành riêng cho con người – như nhận diện đối
tượng, khuôn mặt, xử lý ngôn ngữ tự nhiên, máy dịch. Tất cả các kỹ năng này, và
nhiều hơn nữa giờ đang trở thành công việc của máy móc. Do vậy, người ta đang rất
quan tâm đến việc tạo ra các mạng lưới thần kinh với sức mạnh lớn hơn, để có thể đẩy
những giới hạn về trí tuệ nhân tạo đi xa hơn. Trọng tâm của việc này là tạo ra các


Trang 17


Chương 2: Tổng quan về vật liệu nanophotonics

mạch điện hoạt động giống như các tế bào thần kinh, vì vậy nó cịn được gọi là các
chip neuromorphic (chip mơ phỏng não người) [36].
Alexander Tait và các đồng nghiệp tại Đại học Princeton ở New Jersey, Mỹ. đã
tạo ra một con chip neuromorphic tích hợp quang tử silicon (integrated silicon
photonic neuromorphic chip), và cho thấy tốc độ tính tốn của nó siêu nhanh.
Mạng lưới thần kinh đang mở ra một cơ hội mới cho các chip quang tử này.
“Những mạng lưới thần kinh bằng chip quang tử tận dụng các nền tảng chip silicon
quang tử, để có thể truy cập vào những khả năng mới của việc xử lý thông tin siêu
nhanh cho radio, tín hiệu điều khiển, và các tính toán khoa học”.
Điện toán quang học từ lâu đã là một giấc mơ vĩ đại của khoa học máy tính. Các
lượng tử ánh sáng có băng thơng nhiều hơn đáng kể so với các electron (các điện tử) vì
vậy nó có thể xử lý nhiều dữ liệu hơn và nhanh hơn. Nhưng những ưu điểm của các hệ
thống xử lý dữ liệu quang học chưa bao giờ đủ bù đắp những chi phí tăng thêm khi
làm ra chúng, vì vậy chúng chưa bao giờ được chấp nhận rộng rãi. Tuy nhiên, điều này
đã bắt đầu thay đổi trong một vài lĩnh vực của điện tốn, ví dụ xử lý tín hiệu analog,
vốn ln địi hỏi tốc độ xử lý đặc biệt nhanh mà chỉ có các chip quang tử mới đáp ứng
được. Không những vậy, giờ các mạng lưới thần kinh đang mở ra một cơ hội mới cho
các chip quang tử này. “Những mạng lưới thần kinh bằng chip quang tử tận dụng các
nền tảng chip silicon quang tử, để có thể truy cập vào những khả năng mới của việc xử
lý thơng tin siêu nhanh cho radio, tín hiệu điều khiển, và các tính tốn khoa học.” Tait
và đồng nghiệp cho biết.
Điện toán quang học từ lâu đã là một giấc mơ vĩ đại của khoa học máy tính. Các
lượng tử ánh sáng có băng thơng nhiều hơn đáng kể so với các electron (các điện tử) vì
vậy nó có thể xử lý nhiều dữ liệu hơn và nhanh hơn. Ví dụ: xử lý tín hiệu analog, vốn
ln đòi hỏi tốc độ xử lý đặc biệt nhanh mà chỉ có các chip quang tử mới đáp ứng

được [36].
2.3.5 Y sinh
Lớp phủ nâng cao Nanophotonics cho hình ảnh pha trong sinh học. Khả năng
hình dung các vật thể trong suốt như tế bào sinh học có tầm quan trọng cơ bản trong
sinh học và chẩn đoán y tế. Các phương pháp tiếp cận thông thường để đạt được điều
này bao gồm kính hiển vi tương phản pha và các kỹ thuật dựa trên phương pháp
nhuộm hóa học các tế bào sinh học [37]. Tuy nhiên, các kỹ thuật này dựa vào các
thành phần quang học đắt tiền và cồng kềnh và trong một số trường hợp, làm hỏng tế
bào bằng cách đưa vào các chất tương phản hóa học. Những tiến bộ đáng kể gần đây
Trang 18