Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tập lớn công nghệ nano Surface plasmon
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỂN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Công Nghệ Nano Giảng viên hướng dẫn: Huỳnh Nguyễn Bảo Phương Sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Văn Hùng 20101651 2. Nguyễn Ngọc Quỳnh 20102061 3. Vũ Huy Hùng 20101663 4. Vũ Quý Hiệp 20101544 5. Nguyễn Thanh Tiền 20102303 6. Trần Văn Tiến 20102316 Công nghệ Nano Page 2 Mục lục 5.1. Phân bố góc tán xạ ánh sáng trên bề mặt nhám 3 a. Xem xét lý thuyết 3 b. Kết quả thực nghiệm 5 c. Nhận xét về quá trình nhân đôi 14 5.2. Tán xạ X-Rays (X-Quang) 15 5.3. Đo hệ số phản xạ theo hàm bước sóng 18 Xem xét lý thuyết 22 Kết quả thực nghiệm 23 Ứng dụng của đo lường Rmax đến việc xác định độ nhám 24 Tán xạ tích hợp tổng (TIS) 26 Công nghệ Nano Page 3 5.1. Phân bố góc tán xạ ánh sáng trên bề mặt nhám a. Xem xét lý thuyết Hiện tượng này được tính toán lần đầu tiên cho sự tán xạ của sóng vô tuyến thông qua sóng biển (hình 5.1). Kết quả thu được là tương đương khi thử nghiệm với các bước sóng khác nhau nhau δλ và δζ. Cường độ tương đối các tia sáng tán xạ theo góc khối dΩ. Trong mặt phẳng có ϕ = 0, kết quả thu được như sau: = 1 0 = 1 4 ( ) 4 | | 2 cos 0 | | 2 (5.1) Tuy nhiên, trên thực tế ta không thể giảm mạnh cường độ mà không có yếu tố | 012 | 2 , vì hàm tính góc | | 2 (5.2,3) và |W(θ)| 2 (3.1) phụ thuộc vào cấu hình thử nghiệm. Hơn nữa, ta thấy | | 2 có thể sai khác trừ được giữ như nhau trong cả 2 cấu hình. Các chỉ số i, k chỉ ra sự phân cực của p và s. Tại ϕ=0 o với ε(ω) và mặt phẳng nhám giả định ta có: W pp = 4 1 1 0 ( 1 0 + 1 2 0 )( 1 + 1 2 ) ( 1 0 1 2 0 1 2 ) (5.2) W ss = 4 1 1 0 ( 0 + 1 2 0 )(+ 1 2 ) (5.3) Tổng quát: với mọi góc ϕ thì góc giữa mặt phẳng góc tới và mặt phẳng quan sát là : |W pp | 2 cos 2 ϕ + |W ss | 2 sin 2 ϕ (5.1a) Công nghệ Nano Page 4 Hình 5.2 là đồ thị của W ii , phân cực p mạnh hơn phân cực s (W pp =0 với điều kiện Brewster), W sp và W ps bằng 0 xấp xỉ tuyến tính (ϕ=0 o ). Với |W(θ)| 2 sẽ đối Tại θ 0 = 0 thì |W(θ)| 2 sẽ đối xứng và bất đối xứng khi θ 0 > 0. Hình 5.2: Hàm phân cực |W ii (θ)| 2 với θ = 0, λ = 6328Å Mẫu số của W pp đồng nhất với mối quan hệ phân tán cho SPs(2.2) nó không thể được thực hiện kể từ khi sự quan sát diễn ra bên trong nón ánh sáng k x = (ω/c)sinθ 0 < (ω/c) Giá trị của W ss có thể xấp xỉ khi Im{ε(ω)}Re{ε(ω)} và bằng: W ss = 4cosθ 0 cosθ (5.4) W ss trong hình 5.2 không phục thuộc vào λ trong khi W pp phụ thuộc rất ít. Công nghệ Nano Page 5 b. Kết quả thực nghiệm Kết quả thu được cho sự phân bố góc tán xạ với góc tới thông thường thể hiện trong hình 5.3. Cường độ đơn điệu giảm, từ đó đường cường độ pp ở bên trên so với đường ss. Sự khác nhau là do khác biệt trong hàm tính góc, từ |W pp | 2 > |W ss | 2 nên việc giảm các góc phản xạ là do tác dụng của bề mặt nhám. So sánh I pp /I ss =|W pp | 2 /|W ss | 2 với thương số như hàm của θ cho thấy tính thống nhất của các giả định (hình 5.2). Hàm nhám |s| 2 có thể được suy luận như mô tả trong chương 3. Nó được biểu diễn trên hình 5.4 với hai giá trị góc θ 0 , và chứng minh được rằng phần tuyến tính đạt cực đại khi θ=60 0 . Khi đó thì δ=14Å và ζ=1550Å. Công nghệ Nano Page 6 Hình 5.3: Phân bố góc tán xạ tự do (λ = 5145Å) tại mặt phẳng bạc với độ dày là 4000Å, δ 10 15Åvới tia tới thông thường. p và s phân cực khác nhau. Độ khử cực (sp và ps) nhỏ hơn 10 lần. Góc khối đầu dò ở khoảng 8.10 -5 sr Công nghệ Nano Page 7 Hình 5.4:Hàm Roughness với màn chắn bạc So sánh với hình 3.8, ta thấy trong thiết bị ATR có thể được quan sát thấy được các giá trị ∆k x lớn hơn, do đó phần tuyến tính còn cho phép xác đinh chính xác hơn về các thông số Roughness. Phần phi tuyến của hàm Roughness tại các giá trị ∆k x nhỏ được hiểu là do một gợn sóng bề mặt như trong các thí nghiệm với SPs. Một số dữ liệu về δ, ζ thu được trên phim có độ dày khác nhau của màn Ag được thể hiện trong bảng 5.1. Bảng 5.1 cho ta thấy có thể giá trị Roughness bằng việc tăng độ dày của màn chắn. Bảng 5.1: Thông số Roughness với màn chắn bạc có độ dày khác nhau. Công nghệ Nano Page 8 Sự sắp xếp thực nghiệm như hình 3.7,1 cho phép so sánh |s(∆k x )| của bề mặt màn chắn với cả hai phương pháp có và không có SPs bằng cách xoay nửa góc trụ đi 180 0 . Phương pháp này được thực hiện với mằn chắn có độ dày là 500-700Å với ζ xấp xỉ 5Å như hình 5.5. Ngoài ra nó chứng tỏ sự độc lập của δ trong λ. Hình 5.5: Hàm Roughness với màn chắn bạc độ dày 500 0 A với các góc 0 khác nhau Hình 5.6: phân phối góc của cường độ ánh sáng rải rác tại các bề mặt bạc thô đo dưới (a) và ở trên (b) Công nghệ Nano Page 9 Đo sự phân bố góc của cường độ ánh sáng trên màn chắn bạc và vàng ở điều kiện bình thường đã được xuất bản đầu tiên của Beaglechole và Hunderi như hình 5.6. Họ quan sát sự phân bố góc tán xạ ở hình 5.6a, cho thấy δ vẫn chưa được đánh giá. Các tác giả cho rằng những đường cong đầy đủ có thể thu được dựa trên một quá trình kép: với sự gia tăng độ nhám, kích thích sự tán xạ pp SPs nằm rải rác vào nón ánh sáng và tạo ra sự dư thừa của bức xạ của ánh sáng pp. Điều này được bổ sung bằng cách sử dụng năng lượng photon trên năng lượng plasma bề mặt ( 3,7 eV ) để kích thích SPs không thể diễn ra, hình 5.6b . Ảnh hưởng thứ hai mạnh hơn ở hình 5.3 do một giá trị lớn hơn δ mẫu. Các giá trị độ nhám lớn hơn được hiển thị bằng cách so sánh công thức: P sc =(1/I 0 )dI/dΩ trên các đồ thị. Ví dụ tại θ=40 0 người ta quan sát ở hình 5.3 là P sc p =1.4x10 -4 trong khi đó ở hình 5.6 thì P sc pp =60x10 -4 . Giả sử P~S 2 vẫn còn phù hợp và giá trị của δ khoảng 60-70 Å thì kết quả cho màn chắn được đề cập trong Hình .5.6a đó có vẻ hợp lý . Beaglehole và Hunderi đã thực hiện một tính toán thứ hai để tán xạ cường độ này mà phù hợp với các hành vi quan sát. Công nghệ Nano Page 10 Hình 5.7: Phân bố góc của sự phân tán ánh sáng tán xạ (λ= 5145A) tại bề mặt bạc có độ dày 4000A và δ = 10- 15A với góc tới thông thường. p và s biểu diễn các phân cực khác nhau. Mức độ khử phân cực nhỏ hơn khoảng 10 lần. Từ hình 1 ta có cường độ của tán xạ sp và ps yếu hơn cường độ pp. Đó là đặc trưng của cường độ sp với giá trị θ cực đại là 50. Trong hình 2 cường độ ps giảm tuyến tính như tán xạ ss. Sự tăng lên của tán xạ sp do quá trình nhân đôi. Sự chuyển đối ánh sáng tới thành ánh sáng p và kích thích SPs thành bức xạ. [...].. .Công nghệ Nano Hình 5.8: Phân bố góc của cường độ chéo (sp và ps) Đồ thị bên trái biểu diễn sự tăng lên biến mất nếu ánh sáng tới có tần số ω > ωs Điều này đã được chứng minh bởi một số thí nghiệm tương đương như hình 5.6b; phép đo với tần số của ánh sáng ω > ωs chứng tỏ sự lồi lên biến mất dưới những điều kiện đó Page 11 Công nghệ Nano Hình 5.9: Phân bố góc của cường... hạn xấp xỉ tuyến tính Thí nghiệm tương tự trên phim Al và việc xác định các thông số độ nhám của họ đã được công bố với kết quả so sánh [5.21] Các tác giả nhận thấy, 1 ví dụ, một δ của 8Å và giá trị của δ = 320 Å trên một tấm phim Al , dày 900 Å Page 23 Công nghệ Nano Hơn nữa, các phép đo đã được công bố trên phim magiê có độ dày d khác nhau bốc hơi trên phiến kính hiển vi thủy tinh, đã được đánh giá... Rtot"Các tán xạ tích hợp tổng" được định nghĩa là TIS= Rsc/Rtot; với Rsc và Rtot được đo Page 26 Công nghệ Nano Để xác định độ nhám của một bề mặt giả sử trước tiên ε1’>>1 và ε1’>ε1’’ cùng với hàm tương quan Gauss Sau đó xem xét với điều kiện mà chiếu sáng λ là đủ nhỏ so với chiều dài tương quan ζ: kζ >>1 Độ lớn |ε1’| là giống nhau với các bước sóng rất dài, do vậy các hàm góc cạnh (5.2) và (5.3) giảm... gần như không thay đổi= 2,5± 0.3, phụ thuộc vào δ Thương số (Sp/ps) giảm rất chậm từ 6.7 tới 3 Thương số (ss/ps) đạt tại giá trị θ =52 độ, giảm rất nhanh khoảng 10^3 khi tăng độ nhám Page 14 Công nghệ Nano 5.2 Tán xạ X-Rays (X-Quang) Trong điều kiện sự tán xạ không có SPs các thí nghiệm với X-Rays và kết quả của nó phải được ghi chép lại, dựa trên những phương trình tương đương Sự quan trắc X-Rays... lý thuyết tán xạ tuyến tính Thêm nữa, cường độ phản xạ sẽ cao Sự tới lướt có ưu điểm là θ0 ≤ 1o nhỏ hơn góc tới hạn của phản xạ toàn phần, điều này đảm bảo cho hệ số phản xạ ít nhất là 20% Page 15 Công nghệ Nano Tầm quan trọng của các thí nghiệm X-Rays nằm ở xác định tính khả thi của việc xây dựng kính viễn vọng loại Wolter cho thiên văn học X-Ray Cần những tấm gương rất nhẵn để giảm sự mất mát do sự... thị rõ ràng cường độ do sự tán xạ bởi độ nhám Với (5.7) thu được với một hàm mũ cho |s|² Trong trường hợp này nhận được một hàm tương quan: 𝐺 𝑥 = δ2 exp − x ζ (5.10) Ta có biến đổi Furier Page 16 Công nghệ Nano Hình 5.11 (a) Tán xạ X-Rays, λ=8.3Å, của bề mặt Kanigin xung quanh chùm phản xạ Góc tới 98° Các tính chất khác nhau của độ nhám phù hợp; hàm mũ cũng được đưa ra phù hợp Sự phân bố cường độ trái... λ=8.3Å Bề mặt này thực chất là nhẵn hơn (δ khoảng vài Å) để cho chùm phản chiếu là mạnh hơn rất nhiều Quầng sáng là do sự tán xạ khuếch tán của bề mặt, trong khi cường độ trong môi trường trực Page 17 Công nghệ Nano tiếp của chùm tia phản chiếu tại các giá trị kx nhỏ chỉ để điều chế bước sóng dài tương tự như hiện tượng tán xạ ánh sáng, xem chương 3 từ [5.13] |𝑠 ΔK x |2 = 1 δ2 ζ 2п |1+ ζΔK x 2 |3 2 (5.11)... mặt Al ở tỷ lệ như bình thường, θ0 vài độ cho thấy một sự sụt giảm trong cường độ ánh sáng với các hàm f(λ) với λ gần khu vực λ=1300Å, xem [5.15,16] Hiện tượng này cũng xuất hiện trên Ag và Page 18 Công nghệ Nano Mg Đó là do sự kích thích SPPs qua bề mặt nhám do ánh sáng tới và làm giảm ánh sáng phản xạ trong khu vực năng lượng ħω ≤ ħωsp Giải thích này đã được chứng minh bởi lớp MgF2, CaF2 trên bề mặt... bước sóng λ trong một lớp film Ag, được thể hiện trên hình 5.12 Tấm film 1-4 đã được chuẩn bị với tốc độ bay hơi ≈100Å/s trên chất nền thủy tinh không được điều trị trong bốn chuẩn bị khác Page 19 Công nghệ Nano nhau trong điều kiện bình đẳng Sự thô ráp đã được tăng cường bởi film MgF2, dày 2000Å Sự biến động này là do sự biến thiên của các thông số chuẩn bị [5.18] Hình 5.13: Phần ảo của ε (ω) là một... dụ được hiển thị trong hình 5.13; carbon dẫn đến giảm bớt gần như hoàn toàn của SP [5,20] Đo đạc chi tiết hơn về thâm hụt này đã được thực hiện trên cáckim loại khác nhau như Ag (Stanford Page 20 Công nghệ Nano trong [5,21]), Al (Endriz và Spicer [5,17], Daude et Al [5,21]), và Mg (Gsell et al [5,22] ), và so sánh với kết quả tính toán để có được các thông số độ nhám Hình 5.14: Thâm hụt phản ánh R/Ro, . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỂN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Công Nghệ Nano Giảng viên hướng dẫn: Huỳnh Nguyễn Bảo Phương Sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn. sr Công nghệ Nano Page 7 Hình 5.4:Hàm Roughness với màn chắn bạc So sánh với hình 3.8, ta thấy trong thiết bị ATR có thể được quan sát thấy được các giá trị ∆k x lớn hơn,. lên biến mất dưới những điều kiện đó. Công nghệ Nano Page 12 Hình 5.9: Phân bố góc của cường độ ánh sáng tán xạ trên bề mặt bạc thô đo được lớn hơn hωsp . Đường gạch biểu diễn hình