Trên các tạp chí quốc tế, các công bố về nghiên cứu tối ưu quá trình chế tạo các tinh thể quang tử (tinh thể photonic), nghiên cứu các nguồn phát xạ trong tinh thể photonic và ứng dụng các tinh thể này cho chế tạo linh kiện đang là vấn đề rất thời sự.

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu về tinh thể photonic còn là một vấn đề rất mới mẻ, thu hút được sự quan tâm của nhiều Viện nghiên cứu và các trường đại học. Các nghiên cứu đầu tiên về tinh thể photonic được tiến hành tại phòng Vật liệu và Ứng dụng quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và  với sự hợp tác khoa học với Viện các Khoa học về Nano Paris, thuộc đại học Pierre et Marie Curie et Diderot (Paris VI) và CNRS Pháp, đã được đưa vào trang web của viện với địa chỉ web: http://www.insp.jussieu.fr/axe3/2_couches_minces/themes-III-25.php.

          Tuy nhiên, việc nghiên cứu nhằm tối ưu hoá quy trình chế tạo các tinh thể photonic, kết hợp các tinh thể photonic này với các nguồn phát xạ tích cực như các ion đất hiếm và các chấm lượng tử là rất cần thiết để hướng tới các ứng dụng trong lĩnh vực vật lý như các linh kiện phát sáng và các vi mạch quang học. Các nghiên cứu cơ chế lý thuyết về vùng cấm quang của tinh thể photonic cũng như  chuyển  động  của  các  photon trong tinh thể vẫn còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết.

Hiện nay, các nghiên cứu về tinh thể quang tử (tinh thể Photonic) đang được giới khoa học trong nước và trên thế giới rất quan tâm. Các tinh thể photonic là một loại vật liệu mới xuất phát từ ý tưởng về sự tương tự về nhiều mặt giữa photon và điện tử.

Tinh thể photonic là một vật liệu có cấu trúc tuần hoàn về hằng số điện môi mà nó biểu hiện tương tác mạnh với ánh sáng do có chu kỳ tuần hoàn cỡ bước sóng của ánh sáng. Tinh thể photonic có rất nhiều những ứng dụng quan trọng. Trong tinh thể Photonic các khuyết tật được tạo ra một cách cố ý trong tinh thể (tương tự như việc pha tạp thêm các điện tử trong tinh thể chất rắn) tạo ra các trạng thái photon bị định xứ, ví dụ như trong các ống dẫn sóng thẳng và các buồng cộng hưởng điểm. Như  vậy  tinh thể Photonic là một chất cách quang hoàn hảo, giam giữ ánh sáng mà không bị mất mát, hoặc tạo ra các khả năng mới để kiểm soát các hiện tượng điện từ. Sử dụng tinh thể photonic cũng cho khả năng tạo ra các mạch quang học tổ hợp kích thước nhỏ đáp ứng được nhu cầu của thông tin quang tương lai.

Các tinh thể photonic tích hợp với các ion đất hiếm và  chấm lượng tử  là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng gần đây. Cấu trúc dựa trên tinh thể photonic với nano tinh thể chấm lượng tử là loại cấu trúc micro – nano tiên tiến. Một trong số đó là các tinh thể photonic kết hợp với các chấm lượng tử bán dẫn (QDs) dùng cho mục đích  làm các nguồn phát sáng hiệu suất cao và làm các linh kiện thông tin lượng tử (chuyển đổi bước sóng với độ rộng phổ cực hẹp, điều chế sóng ánh sáng với tần số thay đổi được). Sự kết hợp giữa QDs và PCs là chìa khoá để thực hiện việc điều khiển cả điện tử và photon, nó sẽ mở ra khả năng chế tạo các linh kiện quang tử nano tương lai có các tính chất khác với các linh kiện hiện tại, ví dụ như các laser siêu nhỏ hiệu suất cao và các nguồn sáng đặc biệt.  Các QDs được sử dụng như là nguồn phát xạ tích cực.

Việc nghiên cứu chế tạo các sợi quang pha tạp đất hiếm để chế tạo các bộ khuếch đại quang sợi với hệ số khuếch đại lớn và độ ổn định cao đã được các nhà nghiên cứu quan tâm rất nhiều trong những năm gần đây, tuy nhiên các sợi quang pha tạp đất hiếm có nhược điểm là kích thước lớn, không thể sử dụng để chế tạo các vi mạch quang học. Chính vì vậy các tinh thể photonic chứa các ion đất hiếm là một giải pháp. Tính chất của tinh thể photonic sẽ giúp giảm kích thước của các linh kiện quang học tích cực.

 Ngoài ra khi kết hợp đồng thời tinh thể photonic với cả ion đất hiếm và chấm lượng tử cũng tạo ra khả năng mới. Các chấm lượng tử pha thêm vào sẽ làm tăng tiết diện hấp thụ và phát xạ của các ion đất hiếm, hiệu ứng truyền năng lượng giữa chúng sẽ làm giảm giá thành của các nguồn bơm.

Từ những điều nêu trên có thể thấy đề tài hoàn toàn có ý nghĩa khoa học, tạo ra sản phẩm có tính mới, tính khoa học, có khả năng áp dụng vào đời sống. Vì vậy chúng tôi xin đề nghị được tiến hành nghiên cứu đề tài: " Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các tinh thể quang tử chứa các tâm phát  xạ ".

1.  Nghiên cứu chế tạo các tinh thể quang tử (tinh thể photonic) 3 chiều bằng phương pháp tự tập hợp theo cấu trúc kiểu Opal (cấu trúc được xây dựng từ các quả cầu điện môi xếp chặt, ví dụ như các quả cầu SiO₂,...) và thử nghiệm một số phương pháp khác (Holography, tạo mặt nạ và ăn mòn...). Tối ưu hoá quy trình để tạo ra các tinh thể photonic tốt (tức là phải tạo ra các quả cầu điện môi SiO₂ có kích thước đồng đều và từ các hạt này sử dụng các phương pháp để xếp chặt chúng, tạo ra tinh thể photonic tuần hoàn theo ba chiều).

2. Bước đầu thử nghiệm phân bố các tâm phát xạ như chấm lượng tử bán dẫn (CdSe,...) và ion đất hiếm (Er³⁺, ...) vào tinh thể photonic.

3. Nghiên cứu các tính chất quang của các mẫu tinh thể photonic và các mẫu tinh thể photonic chứa các tâm phát xạ và giải thích cơ chế vật lý liên quan. Các nghiên cứu này được thực hiện thông qua nghiên cứu phổ phản xạ, phổ truyền qua, ảnh FE – SEM, phổ huỳnh quang của các mẫu.

- Xây dựng và tiến hành các thí nghiệm để chế tạo các tinh thể photonic 3D bằng phương pháp tự  tập hợp từ các hạt cầu SiO₂. Ngoài ra thử nghiệm một số phương pháp khác để chế tạo tinh thể photonic.

- Tiến hành thí nghiệm đưa các tâm phát xạ như chấm lượng tử bán dẫn CdSe/ZnS, ion đất hiếm (dự kiến là Er³⁺) vào các mẫu tinh thể photonic đã chế tạo.

-  Tiến hành đo đạc chi tiết các mẫu đã chế tạo được: chụp ảnh SEM và FE-SEM, đo phổ phản xạ, phổ phản xạ theo góc, phổ huỳnh quang …

Tải file Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các tinh thể quang tử chứa các tâm phát xạ tại đây

Sử dụng các phương pháp đo đạc thực nghiệm dựa trên các thiết bị hiện đại hiện có tại khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên và Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam để nghiên cứu các mẫu chế tạo được như dùng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE - SEM), đo phổ truyền qua và phổ phản xạ các mẫu để thấy được tính tuần hoàn của tinh thể photonic chế tạo được, từ đó xác định được chính xác các yếu tố quan tâm như vùng cấm của tinh thể photonic,..Sử dụng các phép đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, đo thời gian sống, hiệu suất phát quang để nghiên cứu các tính chất quang của các tâm phát xạ trong tinh thể photonic.

Kết quả nghiên cứu của đề tài này là một trong những kết quả nghiên cứu mới nhất ở Việt Nam về chế tạo tinh thể quang tử 1D và 3D ; chế tạo các tinh thể quang tử chứa tâm phát xạ. Đề tài đã đưa ra các công nghệ mới đẻ chế tạo các vật liệu còn mới mẻ ở Việt Nam là các tinh thể quang tử với các ứng dụng rất lớn trong thông tin quang tương lai.

Đề tài cũng nằm trong các hướng phát triển cơ bản của khoa Vật lý, trường Đại học Sư Pham Thái Nguyên. Đó là hướng phát triển công nghệ nano đã được khoa theo đuổi trong nhiều năm nay.  Đề tài được thực hiện trong hai năm và đã hướng dẫn được 03 đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học và 03 khóa luận tốt nghiệp. Phần lớn các kết quả thực nghiệm của đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, khoa Vật lý, trường đại học Sư Phạm Thái Nguyên. Các sinh viên được trực tiếp tham gia thí nghiệm trong một thời gian dài, tạo ra các nhóm nghiên cứu chuyên sâu của sinh viên về nội dung của đề tài.  

Đồng thời các kết quả của đề tài đã được cụ thể hóa trong các bài báo được chấp nhận đăng trên tạp chí Communication in physic, bài báo đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên và 03 bài báo tham dự hội nghị Vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6 năm 2009 tại Đà Nẵng (trong đó có hai báo cáo Oral và một báo cáo Poster).