CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÀNG MỎNG VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ION Eu3+ VÀ Er3+
Vật lý kỹ thuật
Luận án này tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của màng mỏng vật liệu nanocomposite SiO2/ZnO pha tạp ion đất hiếm Eu3+ và Er3+, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển các bộ khuếch đại quang trong công nghệ truyền thông và truyền dữ liệu. Mở đầu luận án chỉ ra rằng, mặc dù các ion đất hiếm như Er3+ và Eu3+ có tiềm năng lớn trong việc phát xạ ánh sáng ở các vùng bước sóng quan trọng (1.5 µm cho Er3+ và 613 nm, 590 nm cho Eu3+), nhưng hiệu suất phát xạ của chúng trong các mạng nền cách điện thường thấp do tiết diện hấp thụ nhỏ, gây khó khăn cho việc kích thích trực tiếp.
Để khắc phục hạn chế này, luận án đề xuất giải pháp đồng pha tạp các tinh thể bán dẫn như ZnO, vốn có tiết diện hấp thụ lớn, để hoạt động như chất trung gian nhạy cảm, thu nhận năng lượng kích thích và truyền cho các ion đất hiếm, từ đó tăng cường cường độ phát xạ. Tuy nhiên, hiệu suất truyền năng lượng giữa ZnO và các ion đất hiếm vẫn là một thách thức do sự khác biệt về bán kính ion và hóa trị, cũng như sự cạnh tranh từ bức xạ exciton và phân rã không bức xạ nhanh.
Mục tiêu chính của luận án là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp để chế tạo màng mỏng vật liệu tổ hợp SiO2/ZnO cấu trúc nano dạng hạt pha tạp ion Er3+, Eu3+ và xác định mối quan hệ giữa hình thái, cấu trúc, tính chất quang của hệ vật liệu phụ thuộc vào điều kiện công nghệ, hướng tới ứng dụng trong bộ khuếch đại quang của ống dẫn sóng. Các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm sol-gel kết hợp quay phủ spin-coating để chế tạo vật liệu, cùng với các kỹ thuật phân tích như SEM, XRD, EDX, PL và PLE để đánh giá cấu trúc, thành phần và tính chất quang.
Những đóng góp mới của luận án bao gồm việc xây dựng thành công quy trình ổn định để chế tạo màng mỏng SiO2/ZnO:Eu3+ với cường độ phát quang tốt và ổn định tại 613 nm, và hai quy trình chế tạo màng mỏng SiO2/ZnO:Er3+ (đặc biệt quy trình 2 cho tính ổn định cao) với phát xạ đặc trưng tại 1540 nm, đều phù hợp cho ứng dụng khuếch đại quang. Luận án cũng đã chứng minh được quá trình truyền năng lượng gián tiếp từ ZnO sang các ion đất hiếm trong cả hai hệ vật liệu, góp phần tăng cường huỳnh quang. Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất là tiếp tục tối ưu hóa quy trình chế tạo, nghiên cứu tính chất điện và phát triển thiết bị khuếch đại quang trong ống dẫn sóng phẳng.