Giảng viên hướng dẫn: Huỳnh Nguyễn Bảo Phương
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Dũng
Phạm Văn Thức
Lường Văn Lực
Nguyễn Hữu Quang
Nguyễn Công Vinh
Hà Nội, 05 - 2014
Đại học Bách khoa Hà Nội
Viện Điện tử - Viễn thông
Nội dung
Vật lý học tinh thể vùng trống năng lượng quang tử
Phân loại tinh thể quang tử
Chế tạo
Ứng dụng
Các thiết bị PBG đầu tiên
Những nghiên cứu hiện nay
Xu hướng tương lai
Kết luận
2
PBG là gì?
 Một tinh thể PGB là một cấu trúc có thể điều khiển
chùm tia sáng theo cùng cách mà các chất bán dẫn điều
khiển dòng điện.
 Một bán dẫn không thể hỗ trợ các điện tử mang năng
lượng nằm trong năng lượng vùng trống điện tử. Tương
tự, một tinh thể quang tử không thể hỗ trợ các photon
nằm trong vùng trống năng lượng quang tử. Bằng cách
ngăn chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tinh
thể, xử lý ánh sáng có thể được thực hiện.
 Điều này sẽ cách mạng hóa quang tử theo cách mà các
transistor đã cách mang hóa điện tử.

3
PBG được chế tạo như thế nào
 Các tinh thể quang tử thường bao gồm các chất điện
môi hoạt động như một chất cách điện và trong trường
điện từ có thể dẫn điện với tổn hao thấp.
 Các lỗ trống (theo thứ tự các bước sóng liên quan)
được khoan vào chất điện môi ở một cấu trúc giống như
mạng tinh thể và được lặp đi lặp lại tương tự nhau và tại
những khoảng thời gian đều đặn.
 Nếu được tạo chính xác, các tinh thể holey thu được sẽ
có một vùng trống năng lượng quang tử, một dãy các
tần số trong đó một bước sóng cụ thể của ánh sáng bị
chặn.
4
PBG làm việc như thế nào?
 Trong các chất bán dẫn, các điện tử bị phân tán bởi các hàng
nguyên tử trong mạng tinh thể, phân cách nhau một vài
nanomet và do đó một vùng trống năng lượng điện tử được
hình thành. Kết cấu vùng trống thu được này có thể được
thay đổi bằng cách pha tạp.
 Trong một tinh thể quang tử, các lỗ tương tự như các
nguyên tử trong chất bán dẫn. Ánh sáng đi vào chất liệu có
nhiều lỗ sẽ phản xạ và khúc xạ tại môi trường giữa thủy tinh
và không khí. Mô hình phức tạp của các chùm sáng chồng
chéo sẽ dẫn đến sự hủy bỏ của một dải các bước sóng theo
mọi hướng dẫn tới sự ngăn cản truyền qua của dải này vào
trong tinh thể. Cấu trúc dải quang tử thu được có thể được
sửa đổi bằng cách điền thêm một số lỗ trống hoặc tạo ra các
điểm khuyết trong hệ thống tuần hoàn ngược hoàn toàn.
5

Vật lí học PBG
6
Vật lí học PBG
Sự hình thành PBG có thể được coi ngư sự tương tác đồng vận
giữa hai cơ chế cộng hưởng tán xạ khác nhau. Đầu tiên là sự
cộng hưởng “vĩ mô” Bragg từ một mảng tuần hoàn của các tán
xạ. Điều này dẫn đến các khoảng trống dừng điện từ khi sóng
truyền theo hướng điều chế tuần hoàn khi một số nguyên m =
1, 2, 3,…, của nửa các bước sóng trùng với khoảng cách mạng
tinh thể L của các vi cấu trúc điện môi. Thứ hai là một tán xạ
cộng hưởng “vi mô” từ một tế bào đơn vị duy nhất của vật liệu.
Trong hình minh họa, điều này (tán xạ ngược tối đa) xảy ra khi
chính xác một phần tư bước sóng trùng với đường kính 2a của
một giếng điện môi duy nhất chiết suất n. Sự hình thành PBG
được tăng cường bằng cách chọn các thông số vật liệu a, L và n
sao cho cả cộng hưởng vĩ mô và vi mô xảy ra tại cùng tần số.
7
Tại sao chế tạo PBG khó?
 Sự hình thành vùng trống năng lượng quang tử được tạo
thuận lợi nếu các thông số hình học của tinh thể quang tử
được chọn sao cho cả cộng hưởng vĩ mô và vi mô xảy ra
chính xác ở cùng bước sóng.
 Cả hai cơ chế phân tán riêng lẻ phải khá mạnh. Trong thực
tế, điều này có nghĩa là chất liệu đặc phía dưới phải có chỉ số
khúc xạ tương phản rất cao (thường khoảng 3.0 hoặc cao
hơn và để đạt được chính xác độ tương phản này, các lỗ
trống được khoan vào trong vật chất này/the medium.)
 Chất liệu nên thể hiện sự hấp thụ không đáng kể hoặc sự
mất đi của ánh sáng (suy giảm thấp hơn 1dB/cm.)
 Các điều kiện về hình học, độ mạnh phân tán và độ thuần

khiết của chất liệu điện môi hạn chế nghiêm trọng các thiết lập
của các chất điện môi thiết kế mà thế hiện một PBG.
8
Các chất liệu PBG
Các chất liệu được dùng cho chế tạo PBG:
 Silicon
 Germanium (Ge)
 Gallium Arsenide (GaAs)
 Indium Phosphide
9
Phân loại PBG
Các ví dụ đơn giản của tinh thể quang tử một, hai và ba chiều.
Các màu sắc khác nhau thể hiện các vật liệu có hằng số điện
môi khác nhau. Đặc trưng xác định của một tinh thể quang tử
là chu kỳ của chất điện môi theo một hoặc nhiều trục.
10
Tinh thể PBG 1D
Tầng mỏng đa lớp phía trên là một tinh thể quang tử một
chiều. Thuật ngữ “một chiều” đề cập đến một thực tế là điện
môi chỉ tuần hoàn theo một hướng. Nó bao gồm các lớp chất
liệu xen kẽ (xanh và xanh lá) với hằng số điện môi khác nhau,
cách nhau một khoảng a. Vùng trống năng lượng quang tử
được thể hiện bởi vật liệu này tăng lên khi độ tương phản điện
môi tăng.
11
Các cấu trúc vùng 1D
12
Các cấu trúc vùng 1D
Các cấu trúc vùng quang tử theo phương truyền được minh
họa cho ba tầng đa lớp khác nhau, tất cả đều có chiều rộng 0,5a.

Hình bên trái: mỗi lớp có cùng hằng số điện môi ε = 13.
Hình giữa: các lớp xen kẽ giữa ε = 13 và ε = 12.
Hình bên phải: các lớp xen kẽ giữa ε = 13 và ε = 1.
Ta quan sát thấy rằng khoảng cách quang tử trở nên lớn hơn
khi độ tương phản điện môi tăng.
13
Bước sóng trong PBG 1D
14
1. Một sóng tới chất liệu vùng trống năng lượng 1D phần
nào phản ánh cấu trúc mỗi lớp.
2. Các sóng phản xạ cùng pha tăng cường lẫn nhau.
3. Chúng kết hợp với sóng tới tạo ra một sóng dừng không
đi qua chất liệu.
Bước sóng không trong PBG 1D
15
1. Bước sóng bên ngoài vùng trống năng lượng đi vào vật
liệu 1D.
2. Các sóng phản xạ không cùng pha triệt tiêu nhau.
3. Ánh sáng truyền qua vật liệu chỉ hơi bị suy giảm.
Các tinh thể PBG 2D
16
 Ảnh trái: một mảng tuần hoàn của các khối trụ điện môi
trong không khí hình thành một vùng trống năng lượng 2D.
 Ảnh phải: phổ truyền của mạng tinh thể tuần hoàn này. Một
vùng trống năng lượng 2D đầy đủ được quan sát trong phạm
vi bước sóng 0.22 µm tới 0.38 µm.
Điểm khuyết trong tinh thể PBG 2D
17
Điểm khuyết trong tinh thể PBG 2D
18

 Ảnh trái: một chỗ khuyết được đưa vào hệ thống bằng
cách loại bỏ một trong các khối trụ. Điều này sẽ dẫn đến
sự khu biệt hóa của một chế độ trong khoảng trống tại
vùng khuyết.
 Ảnh phải: ta thấy rằng một vài đỉnh truyền được quan
sát nằm trong vùng cấm. Điều này tương ứng với tình
trạng khuyết dẫn đến sự khu biệt hóa không gian của
ánh sáng và có những ứng dụng hữu ích trong việc chế
tạo hộp cộng hưởng.
Các cấu trúc vùng 2D
19
Các cấu trúc vùng 2D
20
Một tinh thể quang tử hai chiều với hai chỗ cong 60° được
đề xuất bởi nhóm Susumu Noda. Những cấu trúc này dễ
chế tạo nhưng chúng có vấn đề là các photon không bị hạn
chế tại đỉnh và đáy. Bằng việc đưa vào các điểm khuyết như
tạo lỗ trống to hay nhỏ hơn kích cỡ thông thường, các tấm
có thể được chế tạo để hoạt động như một vi
khoang/microcavity và có thể được sử dụng để làm các bộ
lọc xen/rẽ (add-drop) quang.
Bước sóng trong PBG 2D
21
1. Đối với một vùng trống năng lượng hai chiều, mỗi cấu trúc
tế bào đơn vị sinh ra các sóng phản xạ.
2. Sóng phản xạ và khúc xạ kết hợp triệt tiêu sóng tới.
3. Điều này xảy ra trong tất cả các hướng có thể đối với vùng
trống năng lượng 2D đầy đủ.
Các tinh thể PBG 3D
Các vùng trống quang tử 3D được quan sát trong:

 Cấu trúc kim cương.
 Cấu trúc Yablonovite.
 Cấu trúc cọc gỗ.
 Cấu trúc Opal đảo.
 Cấu trúc lập phương tâm mặt (Face Centered Cubic-
FCC).
 Cấu trúc vuông xoắn ốc.
 Cấu trúc giàn giáo.
 Cấu trúc điều chỉnh quang điện Opal đảo.

22
Cấu trúc kim cương
23
Cấu trúc kim cương
Cấu trúc kim cương đảo là một trong những cấu trúc
nguyên mẫu đầu tiên được dự đoán bởi Chan và Soukoulis
để mô tả một 3D PBG lớn và vững chắc. Nó bao gồm một
mảng chồng chéo của các khối khí (hình) cầu được sắp
xếp trong mạng tinh thể kim cương. Cấu trúc này có thể
được mô phỏng bằng cách khoan một mảng các lỗ trống
hình trụ chéo trong lớp điện môi lớn. Phần đường trục
vững chắc bao gồm vật liệu có hệ số khúc xạ cao như
Silicon đẫn đến một 3D PBG lớn bằng 27% tần số trung
tâm. Hệ số khúc xạ tối thiểu của phần đường trục cho sự
xuất hiện của PBG là 2.0.
24
Cấu trúc Yablonotive
25